Kênh, Cấp Phát Kênh Và Tái Sử Dụng Kênh

khả năng yêu cầu truy nhập hoặc duy trì các giao dịch, phiên liên lạc khi di chuyển bên trong mạng tế bào. Mỗi tế bào có một trạm cơ sở (BS) cung cấp các kênh cho các thiết bị di động. Mỗi tế bào được liên kết với trung tâm chuyển mạch (MSC) còn được gọi là MTSO có vai trò điều khiển các cuộc gọi và hoạt động như là một cổng để kết nối với mạng khác. Với các mạng di động tế bào thế hệ mới cũng có cấu trúc tương tự. Khi người sử dụng di chuyển (ví dụ trạm di động đang sử dụng một kênh) tới gần biên của tế bào, nó cần phải thay đổi kênh hiện thời sang kênh khác của tế bào lân cận. Quá trình này gọi là quá trình chuyển giao (Handoff) [25][26][27][28].

Mục tiêu của mạng di động tế bào là cung cấp dịch vụ có khả năng:

- Thực hiện phiên liên lạc với số lượng lớn.

- Sử dụng hiệu quả kênh truyền.

- Tính tương thích cao.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 149 trang tài liệu này.

- Phục vụ trên một vùng rộng lớn.

- Thích ứng với mật độ lưu lượng cao.

- Phục vụ cho các phương tiện giao thông hoặc cố định.

- Cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu, âm thanh, hình ảnh, internet ...

- Cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng với chất lượng dịch vụ tốt.

Để hệ thống tế bào có các khả năng trên trong điều kiện tài nguyên hạn chế, trong mạng di động tế bào sử dụng khả năng tái sử dụng kênh vô tuyến và thực hiện phân chia thành tập tế bào.

Tái sử dụng kênh là việc sử dụng cùng kênh đó ở những vùng khác nhau mà khoảng cách vừa đủ để nhiễu gây ra không ảnh hưởng. Có 2 lý do của việc tái sử dụng kênh là:

- Giảm giá thành của việc thiết lập một máy thu phát công suất lớn có vùng phủ sóng rộng bằng việc lắp đặt các máy thu phát có công suất nhỏ hơn tại các địa điểm khác nhau.

- Gia tăng số lượng cuộc gọi được thực hiện đồng thời trên cùng phổ tần số mà

đã cấp cho mạng.

Phân chia tế bào là việc phân hoạch một vùng địa lý thành các tế bào, đây là điểm căn bản tạo ra khả năng cùng một mạng có thể phục vụ các yêu cầu kênh khác nhau. Tế bào lớn phục vụ vùng có mật độ cuộc gọi thấp hơn và các tế bào nhỏ phục vụ các vùng có mật độ cuộc gọi cao [1][2][3][4].

1.2.2. Kênh, cấp phát kênh và tái sử dụng kênh

1.2.2.1. Kênh truyền thông

Kênh truyền thông trong mạng di động tế bào, có thể sử dụng các phương pháp truy cập mạng khác nhau hoặc kết hợp các phương pháp truy cập mạng với nhau (Hình 1.3). Với hệ thống 1G: Phổ tần số được chia thành tập các kênh vô tuyến riêng biệt (FD), tập các kênh này có thể được sử dụng một cách đồng thời với mức tín hiệu thu là chấp nhận được; trong hệ thống 2G, kênh truyền thông sử dụng là các khe phân chia theo thời gian (TD), hoặc phân chia theo mã (CD) được sử dụng. Trong hệ thống 3G, kênh sử dụng là các mã OVSF được gán cho mỗi cuộc gọi . Trong hệ thống 4G sử dụng kết hợp cả phân chia phổ thành các sóng mang thành phần với phân chia mỗi phổ sóng mang thành phần đó theo thời gian (OFDMA). Yếu tố chính để xác định các kênh di động với chất lượng dịch vụ nhất định có thể sử dụng được chính là mức tín hiệu điện thu được trong mỗi kênh đó. Trong luận án này chúng tôi gọi tất cả các kênh sử dụng các phương pháp truy cập khác nhau trong các thế hệ khác nhau với một tên chung là kênh truyền thông hay kênh.

Hình 1.3: Các phương pháp đa truy cập kênh cơ bản với N người sử dụng di động

Gọi Si (k) là tập thứ i các thuê bao mà có thể liên lạc với nhau bằng việc cùng sử dụng tần số k. Do những đặc tính vật lý của môi trường truyền sóng vô tuyến, cũng tần số k này có thể được tái sử dụng đồng thời bởi tập thứ j khác nếu thuê bao của tập i và j cách nhau một khoảng đáng kể. Tất cả các thuê bao mà sử dụng cùng tần số như vậy được coi là các tập đồng kênh hoặc gọi theo cách đơn giản là đồng kênh. Khoảng cách nhỏ nhất mà các tập đồng kênh có thể được tái sử dụng với nhiễu gây ra có thể chấp nhận được gọi là “khoảng cách tái sử dụng đồng kênh”. Khoảng cách nhỏ nhất đảm bảo rằng mức tỉ số tín hiệu trên nhiễu ở mỗi tập đồng kênh lớn hơn một ngưỡng xác định. Tín hiệu ở đây biểu diễn công suất tín hiệu thu được của một kênh và nhiễu biểu diễn tổng công suất tín hiệu đã thu được của tất cả các tập đồng kênh. Do đặc tính tổn hao đường truyền sóng trong môi trường vô tuyến, công suất thu được sẽ giảm dần khi khoảng cách giữa thuê bao và trạm phát tăng.

Ở khoảng cách d công suất trung bình nhận được từ máy phát là PTd-α , trong đó PT là công suất phát trung bình, α gọi là hằng số suy giảm nhận giá trị trong khoảng từ 3 đến 5, tuỳ thuộc vào môi trường vật lý (lưu ý rằng, điều này không áp dụng khi có ảnh hưởng của sự che bóng hoặc fading đa đường, nghĩa là các giá trị này sẽ là 0, do vậy công suất trung bình thu được chỉ phụ thuộc vào khoảng cách d và công suất phát PT), do vậy, CNIR trung bình mà thuê bao thu được được xác định bởi công thức:



P d

C N IR

t t

P d



i i

i 1

N 0

(1.2)

Pt là trung bình công suất phát của trạm phát T mà thuê bao R sẽ thu tín hiệu và có khoảng cách dt so với trạm phát này. N là số các trạm phát Si khác mà sử dụng cùng kênh giống như kênh để liên lạc với MS. Pi là trung bình công suất phát của trạm phát Si, di là khoảng cách giữa MS và trạm phát Si (i=1, 2…, N), N0 là hằng số tạp âm môi trường.

Khi số tế bào trong mỗi cụm đã được xác định thì cần thiết phải xác định tập kênh nào sẽ được gán cho mỗi tế bào. Thuật toán sau đây cho phép dễ dàng tìm được các tế bào đồng kênh gần nhất của bất kỳ tế bào nào trong mạng.

Giả sử hai tham số i và j được gọi là các tham số dịch (shift), được xác định trước. Bắt đầu từ bất kỳ tế bào nào, di chuyển i tế bào theo hướng bất kỳ một trong sáu hình lục lăng bên cạnh của tế bào đó, đổi hướng ngược chiều kim đồng hồ 60 độ và di chuyển j tế bào (Hình 1.4). Tế bào đích là tế bào đồng kênh gần nhất với tế bào ban đầu. Bằng cách lặp lại mô hình này, các cụm các tế bào được hình thành, trong đó mỗi tế bào được cấp phát một tập các kênh tần số khác nhau. Một cụm các tế bào như vậy được gọi là một nhóm Compact. Số tế bào N trong nhóm Compact được tính bởi công thức:

N=i2 + ij + j2 (1.3)

Tế bào đồng kênh cũng có thể được xác định bằng cách sau khi di chuyển i tế bào thì đổi hướng theo chiều kim đồng hồ và di chuyển j tế bào.

Hình 1.4: Cách xác định các tế bào đồng kênh với tham số shift i=2, j=1 Bước thứ hai là nhóm kênh để xác định mỗi tập sẽ bao gồm những kênh nào

(Hình 1.5). Bước này đòi hỏi phải chú ý đến nhiễu kênh lân cận. Một cách tổng quát, bộ lọc tần số cần một băng tần bảo vệ đủ để các tần số liền kề không bị loại bỏ. Với khoảng cách 30 kHz và độ lệch tối đa 12 kHz trong AMPS là không đủ để làm điều này. Các kênh được đánh số theo thứ tự tăng dần bắt đầu từ 1, các kênh có số thứ tự khác nhau thì có tần số khác nhau. Giả sử có N tập kênh phân biệt, tập thứ n sẽ bao gồm các kênh n, n+N, n+2N, …Ví dụ với N=7, tập đầu tiên sẽ gồm các kênh 1, 8, 15 ; tế bào thứ 2 sẽ gồm kênh 2, 9, 16 …(Hình 1.5).

Nhu cầu lưu lượng cũng như mật độ thuê bao sử dụng giữa các vùng nông thôn và thành thị có sự khác nhau nên đòi hỏi cấu trúc mạng ở các vùng đó cũng khác nhau. Do vậy, sẽ không thực tế khi chia nhỏ toàn bộ hệ thống ra các vùng nhỏ hơn nữa và giống nhau.

Các nhà quy hoạch sử dụng khái niệm phân chia tế bào để phân chia một khu vực có mật độ thuê bao cao, lưu lượng lớn thành nhiều vùng nhỏ hơn để cung cấp tốt hơn các dịch vụ mạng. Ví dụ các thành phố lớn được phân chia thành các vùng địa lý nhỏ hơn với các tế bào có mức độ phủ sóng hẹp nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ cũng như lưu lượng sử dụng cao, trong khi khu vực nông thôn nên sử dụng các tế bào có vùng phủ sóng lớn, tương ứng với nó số lượng tế bào sẽ sử dụng ít hơn để đáp ứng cho lưu lượng thấp và số người dùng với mật độ thấp hơn.

Hình 1.5: Nhóm kênh

1.2.2.2. Tái sử dụng kênh

Khác với cách thức quảng bá truyền thống, thay vì bao phủ một vùng rộng lớn chỉ bằng một máy phát công suất cao, mạng tế bào cung cấp vùng phủ sóng bằng cách sử dụng nhiều máy phát công suất thấp hơn, mỗi máy phát được thiết kế để phục vụ chỉ trong một vùng nhỏ có bán kính vài trăm mét hoặc 3-5 km. Thông qua việc chia tách khu vực phủ sóng thành nhiều tế bào nhỏ, ta có thể tái sử dụng các kênh có tần số giống nhau ở các tế bào khác nhau trong phạm vi vùng phục vụ. Có thể thấy rằng, một máy phát công suất lớn có thể phát tối đa 15 kênh trong phạm vi một thành phố, như vậy tối đa chỉ có 15 thuê bao được phục vụ tại cùng một thời điểm, nếu thành phố được chia thành 100 tế bào các kênh được tái sử dụng trong mỗi tế bào thì thay vì chỉ có 15

cuộc gọi đồng thời thì sẽ là 1.500 cuộc gọi. Tuy nhiên, nếu cùng tần số được sử dụng trong 2 tế bào khác nhau nhưng gần nhau về mặt địa lý thì sẽ gây ra nhiễu, dữ liệu truyền đi sẽ bị biến đổi không còn nguyên dạng, hiện tượng này gọi là xuyên nhiễu đồng kênh, nó có thể làm giảm tỉ số tín hiệu trên tạp âm tới một mức mà tín hiệu không còn phân biệt được nữa do tạp âm khi mà người sử dụng khác cũng đang sử dụng cùng tần số ở tế bào kế tiếp.

Phân phối các kênh trong mạng tế bào phụ thuộc vào rất nhiều tham số, chẳng hạn như kiến trúc hình học của tế bào, các đặc tính truyền tín hiệu và nhiễu. Tập hợp các kênh được cấp phát cố định cho một ô. Cùng tập hợp kênh này được sử dụng lại trong tế bào khác với khoảng cách đủ để nhiễu tín hiệu gây ra là chấp nhận được. Các tế bào mà sử dụng cùng tập hợp kênh được gọi là các tế bào đồng kênh và khoảng cách giữa chúng gọi là khoảng cách tái sử dụng đồng kênh. Tổng số kênh tần số cấp phát cho mạng được phân chia thành các tập hợp và mỗi tập được gán cho một tế bào bên trong một cụm các ô. Một cụm các tế bào hình thành một nhóm Compact. Nhóm Compact được tái sử dụng tuỳ thuộc vào khoảng cách tái sử dụng đồng kênh. Lựa chọn số tế bào cho mỗi cụm bị chi phối bởi việc xem xét nhiễu tế bào đồng kênh.

Do đặc thù truyền dẫn vô tuyến khác hẳn so với truyền dẫn hữu tuyến, nguồn tài nguyên là hữu hạn, việc sử dụng các kênh như thế nào có ý nghĩa quan trọng quyết định tới dung lượng, chất lượng, cũng như tốc độ truyền dữ liệu của mạng. Đã có nhiều thuật toán cấp phát phân phối kênh trong mạng tế bào được nghiên cứu, đề xuất và ứng dụng. Tuy nhiên, đây vẫn là bài toán luôn được đặt ra và được các nhà nghiên cứu khoa học quan tâm nhằm tìm kiếm những thuật toán tối ưu nhất vì đây là bài toán dạng NP- Hard, nên không thể khẳng định tồn tại lời giải chính xác. Chính vì vậy, việc cải tiến và tìm một phương pháp mượn/khoá kênh phù hợp hơn, hiệu quả hơn chính là hướng lựa chọn nghiên cứu của luận án này.

1.2.2.3. Các thuật toán gán kênh

Trong luận án này, việc phân loại các thuật toán gán kênh trong mạng di động tế bào được thực hiện trên cơ sở phân biệt các kênh liền kề. Có 3 nhóm thuật toán gán kênh chính sau đây [2][3][4][5]:

a) Gán kênh cố định FCA;

b) Gán kênh động DCA;

c) Gán kênh lai HCA.

Trong gán kênh cố định FCA, các tế bào được thiết lập và các kênh được gán cố định cho vị trí các tế bào; các tập kênh tần số này sẽ không thay đổi trừ khi cần cấu hình lại cho một giai đoạn mới. Các tế bào sẽ chỉ sử dụng tập kênh đã được gán. Tuy có ưu điểm là đơn giản nhưng các thuật toán gán kênh cố định có nhược điểm là không thích ứng được với sự thay đổi về lưu lượng và sự phân bố người dùng. Để khắc phục nhược điểm này của FCA, người ta sử dụng các thuật toán gán kênh động DCA.

Trong DCA, các kênh rỗi được lưu giữ tập trung tại một trung tâm hoặc tại BS của các tế bào (phân tán). Trong trường hợp DCA tập trung thì khi có một yêu cầu kênh từ một trạm gốc, MSC chọn kênh thích hợp mà cho hiệu quả cao nhất có tính đến các ràng buộc về nhiễu tín hiệu. Các kênh được gán trong suốt thời gian diễn ra cuộc gọi, sau khi cuộc gọi kết thúc, kênh được trả lại cho trung tâm hoặc tái cấp phát cho thuê bao trong cùng tế bào mà đã điều khiển kênh này trước đó. Các thuật toán cấp phát kênh động có ưu điểm là thích ứng tốt với sự thay đổi về lưu lượng và phân bố người dùng, nhưng có độ phức tạp thực hiện cao, và trong trường hợp tải lưu lượng lớn, hoạt động không hiệu quả bằng FCA.

Các thuật toán gán kênh lai HCA là sự kết hợp giữa FCA và DCA. Trong HCA, tổng số kênh rỗi được phân chia thành tập hợp các kênh cố định và tập hợp các kênh động. Tập hợp các kênh cố định được ưu tiên gán cho các yêu cầu theo thuật toán FCA trong mọi trường hợp. Tập hợp các kênh động được gán cho tất cả các yêu cầu cấp phát