Đang tải... (xem toàn văn)
BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Nghiên cứu các phương pháp cấp phát kênh tĩnh Bố cục của báo cáo được trình bày như sau: Chương I: Tổng quan về mạng di động tế bào Chương II: Cấp phát kênh tĩnh cho mạng tế bào Chương III: Tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh Chương IV: Mô phỏng
0 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ************************************ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VÔ TUYẾN Đề tài: Nghiên cứu các phương pháp cấp phát kênh tĩnh Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Vũ Văn Yêm Nhóm sinh viên : Nguyễn Hoàng Ân - 20093371 Hoàng Văn Pháp - 20093561 Lớp KSTN-ĐTVT-K54 Hà Nội 11/2012 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LỜI NÓI ĐẦU 2 1.1. Khái niệm tế bào 3 1.1.1. Tái sử dụng kênh trong các mạng tế bào 5 1.1.2. Sự chia tách tế bào 9 1.1.3. Chuyển giao 10 1.2. Cấp phát kênh 11 Chương 2. Cấp phát kênh tĩnh cho các mạng tế bào 13 2.1. Tỉ số S/I mục tiêu 15 2.2. Khoảng cách sử dụng lại tần số 18 2.3. Sắp xếp tế bào và các mẫu cấp phát kênh 19 Chương 3. Tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh 24 3.1. Xây dựng bài toán 24 3.2. Tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh 26 3.2.1. Hai phương pháp sắp xếp tế bào 26 3.2.2. Chiến lược cấp phát kênh 27 Chương 4. Mô phỏng 29 Mô phỏng bằng Matlab 29 Phụ lục: Code Matlab file scritp: 33 KẾT LUẬN 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 2 LỜI NÓI ĐẦU Trong khoảng hai thập kỉ gần đây, nhu cầu phát triển điện thoại vô tuyến và các dịch vụ dữ liệu vô tuyến ngày càng tăng mạnh. Nhu cầu các dịch vụ vô tuyến của mạng tế bào đang tăng với tốc độ rất cai trong mỗi năm, tại các vùng đô thị mật độ sử dụng dịch vụ thông tin di động cực cao, chính vì vậy nhiều kĩ thuật khác nhau đã được sử dụng để tăng dung lượng hệ thống. Có nhiều phương pháp được sử dụng bao gồm chia nhỏ tế bào, chỉ định tần số mới, các phương pháp đa truy nhập mới (TDMA, CDMA) và kĩ thuật cấp phát kênh động (DCA). Mặc dù có rất nhiều đề xuất với chiến lược cấp phát kênh động, tuy nhiên tất cả các hệ thống tế bào hiện nay đều sử dụng cấp phát kênh tĩnh vì những ưu điểm của nó. Chính vì vậy chúng em đã lựa chọn đề tài “nghiên cứu phương pháp cấp phát kênh tĩnh”, cụ thể hơn ở đây là phương pháp cấp phát kênh tĩnh được sử dụng trong mạng di động tế bào. Bố cục của báo cáo được trình bày như sau: Chương I: Tổng quan về mạng di động tế bào Chương II: Cấp phát kênh tĩnh cho mạng tế bào Chương III: Tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh Chương IV: Mô phỏng Trong quá trình nghiên cứu, do trình độ có hạn nên chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy chúng em rất mong nhận được những ý kiến bổ sung từ thầy, và trong quá trình học tập và nghiên cứu chúng em xin đã nhận được những lời hướng dẫn, những kiến thức vô cùng quý báu tiếp thu được từ thầy giáo - PGS.TS.Vũ Văn Yêm. Chúng em xin chân thành cảm ơn! 3 Chương 1. Tổng quan về mạng di động tế bào Thông tin vô tuyến đã trở thành một phàn quan trọng của cơ sở hạ tầng thông tin. Mặt khác, phổ tần số vô tuyến cấp phát cho hệ thống thông tin di động tế bào là hạn chế. Chính vì vậy các tần số vô tuyến phải được sử dụng một cách hiệu quả để đáp ứng những yêu cầu sử dụng ngày càng cao trong thồi đại hiện nay. Chính vì vậy trong Đề tài này chúng em sẽ nghiên cứu về vần đề làm thế nào để cấp phát kênh vô tuyến cho một cuộc gọi trong một mạng thông tin di động tế bào và phương pháp cấp phát kênh tĩnh. 1.1. Khái niệm tế bào Khái niệm tế bào xuất phát từ các hệ thống của mạng của Bell theo chuẩn AMPS, đó là một kiến trúc mạng được tổ hợp từ các tế bào hình lục giác. (a) 4 (b) Hình 1.1. Mạng di động tế bào Sự tăng trưởng mạnh mẽ của thông tin di động không thể đạt được thành tựu nếu không sử dụng khái niệm tế bào. Trước đó, việc tiếp cận đối với thông tin di động là khá giống với truyền thanh vô tuyến hay truyền hình quảng bá: việc phủ sóng một khu vực được cung cấp bằng cách lắp đặt một máy phát công suất cao trên điểm cao nhất của khu vực và truyền đi tín hiệu tới tới toàn bộ vùng phủ sóng. Phổ tần vô tuyến khả dụng được chia tách thành nhiều kênh, mỗi kênh được dành cho một người sử dụng cụ thể và tất cả người sử dụng liên kết tới cùng máy phát. Số người sử dụng bị giới hạn bởi số lượng kênh khả dụng, số lượng kênh khả dụng này bị khoá trong toàn bộ khu vực phủ sóng bởi một số lượng nhỏ các cuộc gọi. Ví dụ, một nhà cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến phục vụ 10.000 khách hàng sẽ cần 10.000 kênh khác nhau để thực hiện, mặc dù chỉ có một phần nhỏ trong số chúng sẽ thực sự được sử dụng tại thời điểm cho trước bất kỳ. 5 Số kênh yêu cầu có thể giảm xuống bằng cách tái sử dụng các kênh vô tuyến về thời gian và không gian. Việc tái sử dụng về thời gian (còn được gọi là trunking), có nghĩa là sử dụng các kênh như nhau cho các người dùng khác nhau tại các thời điểm khác nhau. Thiết bị đầu cuối sẽ được cấp phát một kênh chỉ khi nó yêu cầu cho cuộc gọi. Mặc dù trunking có thể sử dụng tài nguyên phổ tần vô tuyến một cách hiệu quả hơn, dung lượng hệ thống vẫn còn khá hạn chế. Số lượng các cuộc gọi đồng thời bị giới hạn bởi số lượng các kênh khả dụng. Vì phổ tần vô tuyến là một nguồn tài nguyên quý hiếm nên chính điều này giới hạn dung lượng hệ thống khá nhiều. Ví dụ, hệ thống di động tế bào Bell của thành phố New York trong những năm 1970 đã sử dụng điện thoại trunking, chỉ có thể hỗ trợ cho 12 cuộc gọi đồng thời. Hướng tiếp cận khác của việc sử dụng các kênh vô tuyến một cách hiệu quả hơn là việc tái sử dụng kênh về không gian. Các người dùng có thể sử dụng cùng kênh tại cùng thời điểm trong khu vực địa lý không liền kề. Việc tái sử dụng các kênh về không gian là không thể trong một mạng quảng bá được tập trung, nhưng thay vào đó mạng được cấu trúc lại theo một kiểu phân tán. Việc tái sử dụng kênh về không gian là một trong những khái niệm chủ yếu được sử dụng bởi một mạng tế bào để đạt được hiệu quả trong việc sử dụng tài nguyên phổ tần. Hai đặc điểm chính khác của các mạng tế bào là sự chia tách tế bào để giải quyết những yêu cầu tăng cao và chuyển giao của các cuộc gọi di chuyển từ tế bào này đến tế bào khác. Sau đây ta sẽ miêu tả chi tiết hơn mỗi đặc điểm này. 1.1.1. Tái sử dụng kênh trong các mạng tế bào Để đạt một hiệu quả cao hơn trong việc sử dụng kênh thông qua việc tái sử dụng kênh về không gian, vùng phục vụ được chia thành nhiều khu liền kề. Một tế bào được xem như là vùng phủ sóng tương 6 đương của một khu vực địa lý cụ thể. Mỗi tế bào đều có máy phát riêng đảm bảo thông tin vô tuyến với máy di động trong vùng nội hạt của nó và nối tới trung tâm bằng dây. Khái niệm tế bào được miêu tả ở trên được giới thiệu đầu tiên bởi MacDonald sử dụng hình tế bào lục giác để biểu diễn một tế bào như trong hình 1.1. Lý do chọn cấu trúc tế bào lục giác là trong số tất cả các cấu trúc hình lục cùng có bán kính để có thể bao phủ một vùng mà không cần bất cứ khoảng trống nào, thì hình lục giác có diện tích lớn nhất. Không giống như các cách tiếp cận quảng bá truyền thống, ý tưởng tế bào giải quyết vấn đề phủ sóng hoàn toàn khác. Thay vì bao phủ một vùng rộng với chỉ một máy phát công suất cao, một mạng tế bào cung cấp vùng phủ sóng bằng sử dụng rất nhiều máy phát công suất thấp, mỗi máy phát được thiết kế một cách đặc biệt để phục vụ chỉ một vùng (tế bào) nhỏ và bán kính không quá vài trăm mét. Bằng việc chia tách khu vực phủ sóng ra thành nhiều tế bào nhỏ với mỗi máy phát của chính nó, có thể (tối thiểu là về mặt lý thuyết) tái sử dụng các kênh như nhau trong các tế bào khác nhau trong phạm vi vùng phục vụ. Các tế bào nhỏ với việc tái sử dụng kênh có thể tăng khả năng lưu lượng một cách thực sự. Để hiểu rõ điều này, có thể tưởng tượng rằng có 12 kênh khả dụng trong một thành phố và thành phố được bao phủ bởi 100 tế bào. Nếu tất cả các kênh có thể được tái sử dụng trong mỗi tế bào, thì với cùng 12 kênh, thay vì 12 cuộc gọi đồng thời trong toàn bộ thành phố sẽ là 12 kênh cho mỗi tế bào và 1200 cuộc gọi đồng thời trong thành phố. Tuy nhiên, trong thực tế việc tái sử dụng như thế là không thể. Nếu cùng kênh được sử dụng trong 2 tế bào khác nhau mà 2 tế bào này gần nhau về mặt địa lý, thì điều này có thể gây ra can nhiễu vô tuyến, làm méo các tín hiệu. Hiện tượng này được gọi là xuyên nhiễu đồng kênh, nó có thể làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) tới một mức 7 độ mà tín hiệu không còn phân biệt được nữa từ tạp âm, khi người sử dụng khác cũng đang sử dụng cùng kênh trong tế bào kế tiếp. Để đạt một SNR có thể chấp nhận được, không nên tái sử dụng kênh giống nhau trong hai tế bào khác nhau trong mạng, trừ khi chúng được chia tách bởi khoảng cách tối thiểu được gọi là khoảng cách tái sử dụng s. Mặc dù điều kiện về khoảng cách tái sử dụng làm cho việc bỏ qua một hoặc một vài tế bào trước khi tái sử dụng kênh giống nhau là cần thiết, ý tưởng cơ bản của việc tái sử dụng kênh trong khái niệm tế bào là có căn cứ. Kênh giống nhau có thể được sử dụng để hỗ trợ nhiều hơn một cuộc gọi đang thực hiện trong các phần khác nhau của thành phố. Điều này là có thể bởi vì nhờ sự tổn hao đường truyền vô tuyến, công suất trung bình nhận được từ một máy phát thay đổi tỷ lệ nghịch với luỹ thừa 3 của khoảng cách từ người gửi, hoặc thậm chí một luỹ thừa cao hơn lên tới 5 hay 6 phụ thuộc vào môi trườg vật lý. Kết quả là nếu nghịch đảo luỹ thừa 4 của khoảng cách được chấp nhận, SNR có thể được tính như sau: (1.1) Hình 1.2 Sử dụng lại kênh Ở đây d S (d N ) là khoảng cách giữa nguồn tín hiệu (tạp âm) và người sử dụng, và α là hằng số vật lý của môi trường. Như chúng ta có 8 thể thấy từ phương trình (1.1), SNR được xác định không phải bởi khoảng cách địa lý d S và d N , mà bởi tỷ số giữa chúng. Nhờ đó có thể sử dụng cách biểu diễn lý thuyết graph về điều kiện khoảng cách dùng lại trong mạng tế bào. Như đã chỉ ra ở hình 1.2, giả sử rằng mọi tế bào đều có cùng bán kính r. Khi đó bất cứ người sử dụng nào trong tế bào A sẽ có khoảng cách lớn nhất r kể từ máy phát của nó. Khoảng cách giữa máy phát của tế bào A và người sử dụng khác trong tế bào C tối thiểu là 3r. Bởi vậy, nếu công suất của máy phát của tế bào A có giá trị vừa đủ đối với mọi người sử dụng trong tế bào A để nghe tín hiệu, công suất tín hiệu được nhận bởi bất cứ người sử dụng nào trong tế bào C sẽ là ᵙ 1% của tế bào A. Tạp âm từ máy phát trong tế bào A khó có thể dẫn đến méo tín hiệu một cách đáng kể ảnh hưởng đến thông tin trong tế bào C. Trong các hệ thống hiện đại, khoảng cách tái sử dụng 2 hay 3 có lẽ là đủ để bảo đảm tín hiệu nhận được từ máy phát chính vượt trội tạp âm từ máy phát khác sử dụng cùng kênh. Nếu khoảng cách tái sử dụng 2 được chấp nhận, các máy di động trong các tế bào lân cận được bảo đảm sử dụng một nhóm các kênh khác nhau. Tuy nhiên các tế bào không lân cận có thể sử dụng cùng kênh. Ví dụ trong hình 1.2 các tế bào A và B là kế tiếp nhau, vì vậy chúng không thể sử dụng cùng kênh. Tuy nhiên, các cuộc gọi trong các tế bào A và C có thể sử dụng cùng kênh. Trong thực tế, ảnh hưởng của việc xuyên nhiễu thường không liên quan đến khoảng cách tuyệt đối, mà đến tỷ số khoảng cách giữa các tế bào với bán kính của các tế bào làm cho ý tưởn mạng tế bào trở nên hấp dẫn hơn. Bán kính tế bào được xác định bởi công suất máy phát và bằng cách tăng hay giảm đơn giản mức công suất của máy phát, các nhà khai thác hệ thống có thể thay đổi số lượng các tế bào trong hệ thống và sau đó đến số lượng các cuộc gọi sẽ được hỗ trợ thông qua 9 việc tái sử dụng. Ví dụ, nếu khoảng cách tái sử dụng bằng 3 là cần thiết cho tỷ số tín trên tạp chấp nhận được và một mạng lưới các tế bào bán kính 10 dặm cho phép tái sử dụng tần số trong một tế bào tại khoảng cách 30 dặm, thì một mạng các tế bào bán kính 5 dặm sẽ cho phép tái sử dụng tại khoảng cách 15 dặm và các tế bào bán kính 1 dặm sẽ cho phép tái sử dụng tại 3 dặm. Không cần bổ sung thêm kênh hệ thống dựa trên các tế bào bán kính 1 dặm sẽ hỗ trợ số lượng người dùng 100 lần lớn hơn hệ thống dựa trên tế bào bán kính 10 dặm. Tất nhiên, nếu chúng ta có thể giảm một cách vô hạn kích thước của các tế bào, vấn đề thiếu hụt phổ tần có thể được giải quyết một cách dễ dàng bằng việc lắp đặt số lượng không giới hạn các tế bào cực nhỏ. Tuy nhiên, chi phí cho việc lắp đặt và bảo dưỡng là cao và sự phức tạp trong công việc điều khiển tăng làm cho giải pháp này không có tính khả thi. Vấn đề quan trọng là phải sử dụng tốt hơn các tài nguyên sẵn có trong hệ thống trước khi chuyển sang một hệ thống tế bào nhỏ hơn. 1.1.2. Sự chia tách tế bào Khi số người sử dụng tăng lên, có lẽ sẽ không có sự lựa chọn nào khác ngoài việc sử dụng nhiều các tế bào nhỏ hơn để hỗ trợ những đòi hỏi ngày càng tăng trong vài vùng như là trung tâm của thành phố. Nhưng sẽ là quá tốn kém nếu thay thế toàn bộ cơ sở hạ tầng thông tin tế bào bằng một hệ thống tế bào bán kính nhỏ. Tuy nhiên, bằng việc sử dụng một kỹ thuật được gọi là chia tách tế bào, các tế bào bán kính lớn có thể chia thành các tế bào bán kính nhỏ trong một khoảng thời gian. Khi mà lưu lượng trong một tế bào đã đạt đến điểm mà sự phân phối kênh hiện thời trong tế bào đó không còn khả năng hỗ trợ lưu lượng tăng thêm, thì các máy phát mới với công suất phát thấp hơn được lắp đặt và mỗi máy phát này phủ sóng một khu vực nhỏ hơn bên trong vùng tế bào trước đây. Bằng việc phân tế bào thành nhiều tế bào nhỏ [...]... xuất: Đó là một chiến lược cấp phát kênh 2 mức bao gồm cấp phát kênh toàn bộ sử dụng sử dụng chiến lược R và cấp phát kênh cục bộ sử dụng chiến lược F Việc cấp phát kênh toàn bộ sẽ nhận dạng các điểm nóng và sẽ sử dụng chiến lược R để tối đa hoá các tế bào đồng kênh Việc cấp phát cục bộ tập trung cấp phát các kênh cho điểm nóng đã được xác nhận và để sắp xếp các kênh này một cách chặt chẽ sử dụng chiến... thoại 1.2 Cấp phát kênh Tài nguyên phổ tần vô tuyến bị hạn chế, chi phí cao và sự phức tạp của các tế bào nhỏ đã thúc đẩy việc nghiên cứu về việc sử dụng các kênh vô tuyến một cách có hiệu quả trong các mạng tế bào Nói chung, vấn đề cấp kênh trong một mạng tế bào là vấn đề của việc cấp phát các kênh tần số cho các phiên liên lạc sao cho tránh được sự xuyên nhiễu Mục đích là sử dụng số lượng kênh càng... chương này sẽ tìm hiểu về các phương pháp tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh trong mạng di động tế bào dựa vào ba chiến lược cấp phát kênh và hai phương pháp sắp xếp thứ tự của tế bào 3.1 Xây dựng bài toán Ba điều kiện bắt buộc thường xuyên được lưu ý trong vấn đề cấp phát kênh: - Hạn chế xuyên nhiễu đồng kênh: một kênh được cấp phát cho một tế bào không thể tái sử dụng trong các tế bào lân cận Những tế... cho việc cấp phát các kênh trong hệ thống tế bào Thay vào đó, tiếp cận tối ưu có thể sử dụng mà không đòi hỏi cấp phát kênh đồng đều hay cấp phát kênh theo nhóm 23 Chương 3 Tối ưu hóa cấp phát kênh tĩnh Việc tối ưu hoá cấp phát kênh cố định trong mạng di động tế bào là bài toán tối ưu chất lượng mạng Đối với mạng bất kỳ có kích thước hợp lý chỉ có thể nhận được các giải pháp gồm tối ưu bằng các thuật... đề cấp phát một tập kênh cho mỗi tế bào sao cho hiệu quả nhất về phổ được gọi là vấn đề cấp phát kênh Cấp phát kênh là điều rất quan trọng trong quy hoạch mạng di động tế bào bởi việc cấp phát kênh hiệu quả sẽ tạo ra hiệu quả sử dụng phổ tần có sẵn Tuy nhiên, vấn đề cấp phát kênh lại thuộc vào lớp các bài toán tối ưu tổ hợp Nói chung, đối với các mạng di động có kích thước hợp lý việc giải quyết bài. .. ra bởi việc cấp phát kênh đó trước từ (f–s+1) đến f không bị vi phạm Chú ý rằng kênh có hạng cao nhất được cấp phát là kênh hiện thời được cấp phát, tức là kênh f 3.2.2 Nếu chiến lược F được sử dụng, cấp phát kênh f cho tế bào cần phải kiểm tra các ràng buộc đã gây bởi việc cấp phát kênh từ (f-s+1) đến (f+s-1) Số kênh được kiểm tra gần như hai lần so với trong chiến lược R Kết quả là, kênh f có xác... hiểu, nghiên cứu với sự hướng dẫn giúp đỡ tận tình của Thầy giáo – PGS.T.S Vũ Văn Yêm, cùng với sự cố gắng nỗ lực của bản thân mỗi cá nhân, chúng em đã hoàn thành đúng thời gian qui định và đạt được mục tiêu nghiên cứu đặt ra Báo cáo đã trình bày được những vấn đề cơ bản về mạng di động tế bào, phương pháp cấp phát kênh tĩnh và các phương pháp tối ưu cấp phát kênh tĩnh Với mục đích xây dựng một cách... khi sử dụng chiến lược R để cấp phát kênh, số các tế bào đồng kênh của kênh được cấp phát có xu hướng lớn hơn so với việc sử dụng chiến lược F Không mất tính tổng quát, giả sử hạn chế xuyên nhiễu kênh cùng trạm giá trị lớn hơn hay bằng tổn hao của việc hạn chế xuyên nhiễu kênh lân cận, tức là s = a Khi cấp phát kênh f cho một tế bào sử dụng chiến lược R, việc cấp phát kênh sẽ thành công nếu việc hạn... bào này nằm trong phạm vi xuyên nhiễu đồng kênh - Hạn chế xuyên nhiễu kênh lân cận: các kênh được cấp phát cho các tế bào lân cận phải duy trì một sự phân cách cực tiểu là kênh - Hạn chế xuyên nhiễu kênh cùng tế bào: các kênh được cấp phát cho cùng một tế bào phải duy trì sự phân cách cực tiểu là s kênh Với hệ thống tế bào N tế bào và ma trận tương thích kênh N x N, [ ] có thể được sử dụng để biểu... bào đồng kênh của kênh f 27 Nhận xét thứ hai là không như chiến lược F, khi sử dụng chiến lược R kênh được cấp phát không bám chính xác theo độ khó của việc cấp phát các tế bào riêng lẻ Giả thiết chiến lược R được sử dụng để cấp phát kênh f cho hệ thống Nếu không có ràng buộc nào bị vi phạm, tế bào đầu tiên trong danh sách được sắp xếp sẽ nhận kênh f Sau đó kênh f được cấp phát cho tất cả các tế bào