Chương 17 Mô Phỏng Hệ Thống Vô Tuyến Tế Bào Giáo Trình Mô Phỏng Hệ Thống Viễn Thông Và Ứng Dụng Matlab.pdf

Chương 17 Mô phỏng hệ thống vô tuyến tế bào 423 Chương 17 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TẾ BÀO 17 1 Mở đầu Rất nhiều hệ thống truyền thông vô tuyến được triển khai để cung cấp truy cập cơ sở hạ tầng truy[.]

Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 423 Chương 17 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN TẾ BÀO 17.1 Mở đầu Rất nhiều hệ thống truyền thông vô tuyến triển khai để cung cấp truy cập sở hạ tầng truyền thông cho người dùng cố định di động với tính đa dạng mơi trường hoạt động Hầu hết dựa khái niệm vô tuyến tế bào Các hệ thống truyền thông tế bào cho phép nhiều người dùng di động liên lạc đồng thời liên tục tới modem vô tuyến trạm gốc BS, chiếm dụng phổ tần RF hữu hạn Tín hiệu RF thu BS từ MS chuyển thành tín hiệu băng tần sở, chuyển tới trung tâm chuyển mạch di động MSC, MSC kết nối tới mạng điện thoại công cộng PSTN Tương tự, truyền tin từ PSTN tới BS, truyền tới MS Các hệ thống tế bào dùng kỹ thuật: (i) đa truy cập phân chia theo tần số FDMA; (ii) đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA; (iii) đa truy cập phân chia theo mã CDMA; (iv) đa truy cập phân chia theo không gian SDMA Các tuyến truyền thông vô tuyến phải chịu ảnh hưởng đặc tính kênh vật lý như: đa đường thay đổi theo thời gian, che chắn vật cản lớn đường truyền sóng.v.v Hơn nữa, hiệu hệ thống tế bào có xu hướng bị hạn chế nhiễu từ người dùng khác, cần phải có kỹ thuật để mơ hình hóa nhiễu cách xác Việc miêu tả điều kiện kênh phức tạp mơ hình giải tích đơn giản khó tồn số mơ hình khả giải tích phù hợp với liệu kênh đo Tuy nhiên, kênh mơ hình hóa theo cách phân tích, phần lớn tình thật khó khơng thể xây dựng giải pháp phân tích cho hiệu tuyến nối mã hoá kiểm soát lỗi, cân bằng, phân tập, mơ hình mạng nhân tố hóa vào mơ hình tuyến nối Vì vậy, phân tích hiệu tuyến truyền thông tế bào thường cần đến giải pháp mô Tương tự tuyến nối không dây, hiệu hệ thống vô tuyến tế bào hầu hết mơ hình hiệu cách sử dụng mơ (do khó khăn mơ hình hóa số lượng lớn kiện ngẫu nhiên theo thời gian không gian) Các kiện ngẫu nhiên như: (i) vị trí người dùng; (ii) số lượng người dùng đồng thời hệ thống; (iii) điều kiện truyền sóng; (iv) nhiễu; (v) thiết lập mức công suất cho người dùng; (vi) nhu cầu lưu lượng người dùng, tất kết hợp với gây ảnh hưởng lên toàn hiệu người dùng hệ thống tế bào Các nhân tố minh chứng tiêu biểu nhiều chế vật lý quan trọng để công bố hiệu tức thời người dùng riêng biệt thời điểm hệ thống Vì vậy, thuật ngữ hệ thống vô tuyến tế bào, xem toàn mật độ người dùng di động trạm gốc khắp vùng phục vụ địa lý (khác với tuyến kết nối đơn, kết nối người dùng di động với trạm gốc) Để thiết kế hiệu mức hệ thống, Chương 17: Mô hệ thống vơ tuyến tế bào 424 cần phải xét tính phức tạp nhiều người dùng đồng thời vùng phủ Vì vậy, cần phải xét ảnh hưởng nhiều người dùng lên tuyến cụ thể BS MS Hiệu tuyến nối tượng phạm vi hẹp (small-scale phenomenon) liên quan với những thay đổi tức kênh nội vùng nhỏ, khoảng thời gian nhỏ cơng suất thu trung bình coi khơng đổi Có thể cảm nhận giả định thiết kế mã kiểm soát lỗi, cân bằng, thành phần khác nhằm giảm bớt ảnh hưởng tức kênh Tuy nhiên, để xác định toàn hiệu hệ thống số lượng lớn người dùng trải khắp vùng địa lý rộng, cần phải kết hợp chặt chẽ ảnh hưởng phạm vi rộng (large-scale) như: tính cách thống kê nhiễu; mức tín hiệu phải chựu ảnh hưởng người dùng riêng biệt khoảng cách lớn (khi bỏ qua đặc tính kênh tức thì) Có thể coi mơ mức tuyến nối điều chỉnh hiệu hệ thống truyền thông, mơ mức hệ thống phép tính xấp xỉ sơ chất lượng toàn mà người dùng mong đợi thời điểm Các hệ thống tế bào đạt dung lượng cao (đáp ứng số lượng lớn người dùng) cách cho phép MS chia sẻ, nghĩa tái sử dụng kênh truyền thông vùng khác vùng phục vụ Tái sử dụng kênh dẫn đến nhiễu đồng kênh người dùng kênh, xem nhân tố làm hạn chế hiệu dung lượng hệ thống tế bào Vì vậy, cần phải hiểu rõ ảnh hưởng nhiễu đồng kênh lên dung lượng hiệu triển khai hệ thống tế bào, phân tích thiết kế phương pháp luận hệ thống nhằm giảm bớt ảnh hưởng nhiễu đồng kênh Các ảnh hưởng phụ thuộc vào nhiều nhân tố, số người dùng chia sẻ kênh vị trí họ Các nhân tố khác liên quan tới kênh truyền sóng nhiều như: (i) suy hao tuyến; (ii) pha dinh che chắn; (iii) mẫu xạ ăng ten ảnh hưởng thay đổi theo vị trí người dùng Chương bàn việc ứng dụng mơ mức hệ thống phân tích hiệu hệ thống truyền thông tế bào ảnh hưởng nhiễu đồng kênh Ta phân tích hệ thống tế bào đa người dùng gồm có ảnh hưởng truyền sóng ăng ten hệ thống điển hình Mặc dù hệ thống xét đơn giản, việc phân tích dễ dàng mở rộng cho tính khác hệ thống tế bào Theo đó, chương trình bày tổng quan nhân tố quan trọng để mô hiệu tổng thể hệ thống truyền tin vô tuyến Một số tham số thiết kế như: (i) hệ số tái sử dụng tần số tế bào (kích cỡ cụm); (ii) xác suất nghẽn; (iii) tỉ số tín hiệu nhiễu SIR trung bình; (iv) độ rộng búp ăng ten, tất ảnh hưởng lên hiệu hệ thống truyền thông vô tuyến tổng thể Hơn nữa, chúng không độc lập mà quan hệ mật thiết thường dùng để dung hòa hiệu hệ thống Chẳng hạn, kích cỡ cụm tế bào nhỏ làm tăng dung lượng kênh khả dụng hệ thống làm gia tăng mức nhiễu người dùng Tương tự, việc phân đoạn làm giảm nhiễu đồng kênh lại làm giảm dung lượng hệ thống Do tính đối nghịch nên cần phải mơ để tìm giải pháp dung hòa Mức nhiễu đồng kênh người dùng không mong muốn thiết lập tạp âm hoạt động thấy người dùng di động vị trí xác định, chương minh họa mơ hình hóa mơ hiệu ảnh hưởng tham số thiết kế hệ thống Chiến lược mô Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 425 tạo phân tích Monte Carlo nhiều chớp ảnh hiệu hệ thống nhận biết nhiều người dùng di động hoạt động vị trí ngẫu nhiên, tập hợp chớp ảnh dùng để tạo số liệu thống kê hiệu hoạt động vùng phủ mong muốn Việc mô hệ thống địi hỏi phải mơ hình hóa cẩn thận hiệu ứng không gian người dùng, mẫu xạ ăng ten cụ thể, việc cấp phát kênh vô tuyến không gian mức nhiễu phạm vi rộng khơng gian Chương trình bày số ví dụ phương pháp luận để làm sáng tỏ vấn đề quan trọng nhằm thiết kế mô hệ thống truyền thông vô tuyến 17.2 Hệ thống vô tuyến tế bào 17.2.1 Mô tả mức hệ thống Các hệ thống tế bào tạo vùng phủ sóng khắp vùng phục vụ địa lý cách chia vùng địa lý thành phần gọi tế bào cho hình 17.1 Phổ tần khả dụng chia thành nhóm kênh để phân bổ cho Các trạm gốc định vị ô, trang bị modem vô tuyến để liên lạc với người dùng di động Các kênh tần số vô tuyến RF dùng hướng từ BS đến MS gọi kênh hướng (đường xuống), ngược lại kênh hướng (đường lên) Các kênh đường lên đường xuống nhận biết kênh tế bào song công Khi dùng song công phân chia theo tần số FDD, kênh đường lên đường xuống phân tách tần số Khi sử dụng song cơng phân chia theo thời gian TDD, kênh đường lên đường xuống sử dụng tần số dùng khe thời gian khác để truyền Trạm gốc Máy di động n Kê MSC g ớn g hư ớn h hư h RF đường trục băng gốc n Kê Ơ PSTN Hình 17.1: Kiến trúc hệ thống truyền thông tế bào Các hệ thống tế bào dung lượng lớn tận dụng khả tái sử dụng tần số ô Dẫn đến tế bào đồng kênh (các tế bào chia sẻ tần số) phải đủ xa để giảm thiểu nhiễu đồng kênh Tái sử dụng kênh cách bao phủ vùng phục vụ cụm N ơ, thấy hình 17.2, N kích cỡ cụm Phổ tần RF khả dụng cho vùng phục vụ địa lý phân bổ cho cụm cho tế bào cụm không chia sẻ kênh Nếu: (i) M kênh hợp lại thành toàn phổ tần khả dụng cho vùng phục vụ; (ii) phân bố người dùng đồng vùng phục vụ, mỗitế bàođược ấn định M/N kênh Khi cụm tái tạo vùng phục vụ, việc tái Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 426 sử dụng kênh dẫn đến xếp tầng cáctế bào đồng kênh, nhiễu đồng kênh sinh từ truyền lan lượng RF trạm gốc đồng kênh người dùng di động Ví dụ, xẩy nhiễu đồng kênh hệ thống tế bào MS đồng thời thu tín hiệu từ trạm gốc tế bào nó, từ trạm gốc đồng kênh tế bào từ tầng lân cận Trong ví dụ này, tuyến kết nối đường xuống đồng kênh (BS đến MS) tín hiệu mong muốn, tín hiệu đồng kênh khác thu MS tạo thành nhiễu đồng kênh tổng máy thu Mức công suất nhiễu đồng kênh liên quan mật thiết với khoảng cách phân tách tế bào đồng kênh Nếu mơ hình hóa tế bào hình lục giác (6 cạnh) hình 17.2, khoảng cách nhỏ tâm hai tế bào đồng kênh gọi khoảng cách tái sử dụng DN là: DN  3N R (17.1) Trong R bán kính cực đại tế bào (hình cạnh vẽ nội tiếp vòng tròn bán kính) Vì vậy, thấy rõ từ hình 17.2 kích cỡ cụm giảm (khoảng cách tái sử dụng DN giảm), nhiễu tế bào đồng kênh tăng Kích cỡ cụm N = C C Các tế bào đồng kênh tầng thứ A A C C A A B C A B B C A A A A B B A A B C C A B B C B A C A C B AA B C B C Khoảng cách tái sử dụng D3 B C B C A C A A B C A C B A B B Các tế bào có nhãn “A” chia sẻ chung kênh giống C B Các tế bào đồng kênh tầng thứ hai Hình 17.2 Cụm hóa tế bào: Mơ tả mẫu tái sử dụng ba ô Tại thời điểm bất kỳ, mức nhiễu đồng kênh phụ thuộc vào số tế bào đồng kênh Như đề cập, tế bào đồng kênh nhóm thành tầng Số tế bào đồng kênh tầng phụ thuộc vào bậc tầng dạng hình học chọn để trình bày tế bào (ví dụ, vùng phủ trạm gốc cụ thể) Với dạng lục giác, tế bào đồng kênh gần định vị tầng thứ có tế bào đồng kênh Tầng thứ hai gồm 12 tế bào đồng kênh, tầng thứ ba có 18 tế bào tiếp tục Theo nhiễu đồng kênh tổng tổng tín hiệu nhiễu đồng kênh từ tất tế bào đồng kênh tất tầng Tuy nhiên, tế bào đồng kênh thuộc tầng thứ có ảnh hưởng mạnh hơn, chúng gần với tế bào nơi mà nhiễu đo Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 427 Nhiễu đồng kênh coi nhân tố làm hạn chế chất lượng tuyến nối dung lượng hệ thống, có vai trị quan trọng việc dung hịa dung lượng hệ thống (vấn đề phạm vi rộng) chất lượng tuyến nối (vấn đề phạm vi hẹp) Chẳng hạn, giải pháp để đạt dung lượng lớn mà không tăng phổ tần RF cấp phát giảm khoảng cách tái sử dụng kênh cách giảm kích cỡ cụm N Tuy nhiên, giảm kích cỡ cụm tăng nhiễu đồng kênh làm giảm chất lượng kết nối Mức nhiễu thời điểm ngẫu nhiên, phải mơ cách mơ hình hóa cho: (i) mơi trường truyền sóng RF ô; (ii) định vị vị trí người dùng di động Ngồi ra, tính cách thống kê lưu lượng người dùng kiểu phân bổ kênh trạm gốc xác định mức nhiễu tức thời dung lượng hệ thống Ta ước tính ảnh hưởng nhiễu đồng kênh tỉ số tín hiệu nhiễu SIR tuyến truyền thông, định nghĩa tỉ số cơng suất tín hiệu mong muốn S cơng suất nhiễu tổng I Vì S I biến ngẫu nhiên (do ảnh hưởng truyền lan sóng RF, tính di động người dùng tính thay đổi lưu lượng), nên SIR biến ngẫu nhiên Cho nên, mức độ ảnh hưởng nghiêm trọng nhiễu đồng kênh lên hiệu hệ thống thường phân tích dạng xác suất ngừng hoạt động hệ thống, trường hợp cụ thể định nghĩa xác xuất mà SIR nhỏ mc ngng SIR0 cho trc, ngha l: Pngừng hoạt động  Pr  SIR  SIR0   S I R0  pS I R ( x)dx (17.2) Trong pSIR(x) hàm mật độ xác xuất pdf SIR Lưu ý rằng, khác biệt định nghĩa xác xuất ngừng tuyến nối (nhằm phân loại ngừng hoạt động dựa vào giá trị BER cụ thể ngưỡng Eb/N0 hiệu tiếng chấp nhận được), xác xuất ngừng hoạt động hệ thống (xét ngưỡng SIR cụ thể để hiệu di động người dùng chấp nhận được) Các giải pháp giải tích để ước tính xác xuất ngừng hoạt động hệ thống tế bào đề cập chương 11, cần có mơ hình xử lý theo cách giải tích cho ảnh hưởng truyền sóng RF, di động người dùng thay đổi lưu lượng, nhằm có biểu thức pSIR(x) Đáng tiếc, thật khó sử dụng mơ hình giải tích cho ảnh hưởng (do quan hệ phức tạp chúng với mức tín hiệu thu) Vì vậy, ước tính xác suất ngừng hoạt động hệ thống tế bào thường dựa vào mô (tạo tính mềm dẻo ước tính) Chương trình bày mô để minh họa hệ thống truyền thơng tế bào đơn giản nhằm nhấn mạnh khía cạnh mang tính hệ thống hệ thống truyền tin bao gồm hiệu đa người dùng, thiết kế lưu lượng tái sử dụng kênh Để xây dựng mô mức hệ thống, số lượng khía cạnh kết nối thông tin riêng biệt phải xem xét gồm mơ hình kênh, mẫu phát xạ ăng ten quan hệ Eb/N0 (chẳng hạn SIR) hiệu khả chấp nhận Để mô hệ thống tế bào, ta phải lập mơ hình tốn học thành phần hệ thống Phần sau, ta trình bày việc lập mơ hình thành phần hệ thống Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 428 17.2.2 Mơ hình hóa hệ thống vơ tuyến tế bào Ta xét vài khía cạnh hệ thống truyền thơng tế bào, chúng hữu hiệu triển khai mơ hình mơ để nghiên cứu chi tiết hệ thống Trung kế cấp dịch vụ Ta bắt đầu việc đề cập số vấn đề dung lượng hệ thống vô tuyến tế bào Giống hệ thống điện thoại cố định, hệ thống vô tuyến tế bào dựa vào khái niệm trung kế để cung cấp dịch vụ truyền thông cho số lượng lớn người dùng, chiếm tài nguyên hữu hạn, cụ thể với trường hợp truyền thông tế bào phổ RF số lượng kênh khả dụng Sở dĩ sử dụng kỹ thuật trung kế đặc tính thống kê người dùng, mô tả chủ yếu hai khía cạnh sau: Một người dùng truy cập vào hệ thống nghĩa yêu cầu gọi, sở ngẫu nhiên suốt khoảng thời gian khoảng thời gian  hai yêu cầu gọi liên tiếp từ người dùng, tuân theo phân bố hàm số mũ Do vậy, pdf là: p ( )  u eu (17.3) Trong u số yêu cầu gọi trung bình đơn vị thời gian (các gọi thời gian) người dùng Nếu ta xét mật độ U người dùng, phân bố khoảng thời gian hai yêu cầu gọi liên tiếp tạo hai người dùng theo luật số mũ Số yêu cầu gọi trung bình   U u Khoảng thời gian gọi biến ngẫu nhiên tuân theo phân bố hàm mũ cho gọi ngắn có khả xuất nhiều gọi dài Nếu ký hiệu khoảng thời gian gọi s, hàm mật độ xác suất pdf s là: f S (s)  .e  s Trong  (17.4)  H khoảng thời gian gọi trung bình (các đơn vị thời gian) Dựa vào tính cách thống kê này, nhiều người dùng chia sẻ số lượng nhỏ kênh nhóm kênh Với BS hệ thống tế bào tạo nhóm C kênh trung kế khả dụng cho người dùng vùng phủ trạm gốc BS Do nhu cầu người dùng không truy cập vào hệ thống thời điểm, nên ta cấp phát kênh cho người dùng Khi gọi kết thúc, kênh trở nhóm kênh khả dụng Tuy nhiên, thiếu kênh vô tuyến khả dụng trạm gốc, nên lúc người dùng phép thiết lập tuyến nối vô tuyến với BS phục vụ Khi này, tất kênh bận phục vụ người dùng khác, yêu cầu gọi bị nghẽn Dựa vào tính cách thống kê người dùng, số lượng kênh khả dụng nhóm, đặc tính xác hệ thống trung kế, ta xác định xác xuất người dùng có nhu cầu gọi bị nghẽn (do thiếu kênh rỗi) Xác xuất thường gọi xác xuất nghẽn, số đo “cấp phục vụ” hệ thống trung kế Tính cách thống kê người dùng tổng kết lưu lượng Au tạo người dùng này, có đơn vị Erlang xác định là: Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào Au  u H 429 (17.5) Đối với hệ thống gồm U người dùng, lưu lượng cung cấp tổng (đơn vị Erlang) là: A  UAu   H (17.6) Đặc tính quan trọng hệ thống trung kế công bố chất lượng dịch vụ cho người dùng biết hệ thống xử lý gọi bị nghẽn Tồn hai chiến lược bản: (i) Các yêu cầu gọi khơng tìm kênh rỗi khả dụng bị nghẽn xoá Khi hệ thống trung kế xem xóa gọi nghẽn (ii) Các gọi nghẽn giữ hàng đợi phục vụ kênh trở nên khả dụng Khi hệ thống trung gọi trễ gọi nghẽn Ta tập trung vào hệ thống trung kế xố gọi nghẽn hệ thống thường gặp thực tế Vì vậy, ta giả sử gọi nghẽn xố Ngồi ra, có giả thiết sau đây: - Cuộc gọi đến khơng nhớ Nói cách khác, người dùng (kể người dùng có gọi trước bị nghẽn) yêu cầu gọi thời điểm - Có số vơ hạn người dùng - Có C kênh trung kế khả dụng nhóm Dưới điều kiện xác suất gọi bị nghẽn PB cho công thức Erlang B Cơng thức Erlang B quan hệ hóa số lượng kênh trung kế C, xác xuất nghẽn P B lưu lượng A, lưu lượng cung cấp lưu lượng mang Trường lưu lựong cung cấp, PB xác xuất nghẽn phải chựu mật độ người dùng tạo lưu lượng A, cung cấp cho hệ thống trung kế với C kênh Trường lưu lượng mang, A lưu lượng mang tối đa hệ thống trung kế chứa C kênh xác suất nghẽn PB Lưu lượng mang hệ thống trung kế phép đo dung lượng hệ thống Công thức Erlang B là: PB  AC / C ! C A k (17.7) / k! k 0 Khi cho trước lưu lượng cung cấp số kênh trung kế, xác xuất nghẽn tính tốn mã chương trình Matlab NVD17erlang_b.m Phục lục 17A Đồ thị Erlang B với số lượng kênh trung kế làm tham số cho hình 17.3, số lượng kênh trung kế C thấy dọc bên đồ thị Mỗi chạy chương trình NVD17erlangb.m chương trình gọi hàm NVD17erlang_b(A,c) Cho trước cơng thức Erlang B, ảnh hưởng kích cỡ cụm lên dung lượng hệ thống dạng số lượng người dùng ước lượng Chương 17: Mô hệ thống vơ tuyến tế bào 430 Hình 17.3: Xác suất nghẽn cho công thức Erlang B với số trung kế làm tham số Ví dụ 17.1: Xét hệ thống tế bào 400 cặp kênh đường lên đường xuống khả dụng cho toàn hệ thống Mỗi tế bào có bán kính km, trạm gốc trang bị ăng ten vô hướng định vị tâm ô Các giả định gồm: (i) người dùng tạo lưu lượng 0,02 Erlang kích cỡ cụm N = 7; (ii) người dùng phân bố đồng khắp vùng phục vụ, tế bào cấp phát N C  400  57 kênh Ngoài ra, coi gọi nghẽn xoá xác xuất nghẽn PB = 0,02 chấp nhận được, lưu lượng tối đa AC mang tế bào cho công thức Erlang B Kết là: AC  46, Erlang/tÕ bµo Dễ dàng tính số lượng người dùng tế bào Vì Au = 0,02 Erlang người dùng, nên số lượng người dùng tế bào là: U AC  2340 ng­êi dïng/tÕ bµo Au Tại giảm kích cỡ cụm N = không thay đổi vùng phủ tế bào, theo tế bào cấp NC = 400/3 = 133 kênh PB = 0,02 Cho ta: AC = 120,1 Erlangs tế bào Đối với lưu lượng mang tối đa tế bào Cho ta: U AC 120,1   6005 ng­êi dïng/tÕ bµo Au 0, 02 Ta thấy rằng, cách giảm kích cỡ cụm ta đạt dung lượng cao (do tăng cường tái sử dụng hiệu trung kế) Tuy nhiên, tế bào đồng kênh kích cỡ cụm N = gần so với trường hợp kích cỡ cụm N = Sử dụng (17.1) ta có: D3 = 15 km với N = Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 431 D7 = 22,9 km với N = Thấy rõ, mức nhiễu lớn kích cỡ cụm N = so với kích cỡ cụm N = Vì vậy, kích cỡ cụm N = thể chất lượng kết nối thấp Mơ hình kênh Khi phân tích hiệu hệ thống tế bào, cần phải mơ hình hóa xác ảnh hưởng truyền lan sóng vơ tuyến lên tín hiệu thu, chúng nhân tố làm suy thối hiệu hệ thống Như trình bày chương 14, việc đặc tính hóa thống kê tín hiệu thu (tín hiệu mong muốn nhiễu) liên quan đến hai ảnh hưởng truyền lan sóng bản: (i) phadinh phạm vi hẹp đa đường nội vùng; (ii) che chắn (pha đinh phạm vi rộng) gây suy hao ngẫu nhiên tín hiệu trung bình cục cối, cơng trình xây dựng, địa hình Các kết đo cho thấy, mức tín hiệu trung bình cục mơ hình hóa xác biến ngẫu nhiên loga chuẩn Khi biểu diễn theo đơn vị dB, mức tín hiệu trung bình cục theo biến thiên chuẩn hóa, đặc tính hóa giá trị trung bình vùng độ lệch chuẩn theo đơn vị dB Giá trị trung bình vùng hàm của: (i) khoảng cách phát thu (T-R); (ii) mức công suất phát; (iii) độ lợi ăng ten, độ lệch chuẩn che chắn phụ thuộc vào môi trường vật lý Khi thiết kế hệ thống mô tổng quát, cần phải xét ảnh hưởng pha đinh phạm vi hẹp che chắn, nhiều trường hợp che chắn tín hiệu mong muốn nhiễu nguyên nhân gây suy thối hiệu Chẳng hạn, kỹ thuật phân tập không gian, trải phổ, đan xen, mã hố kênh triển khai rộng rãi để đối phó ảnh hưởng pha đinh phạm vi hẹp, tín hiệu thu chủ yếu phụ thuộc vào thay đổi kênh phạm vi rộng Ở đây, để đơn giản coi rằng, ảnh hưởng pha đinh phạm vi hẹp lấy trung bình có che chắn tổn hao đường truyền xem xét Tuy nhiên, ảnh hưởng pha đinh phạm vi hẹp dễ dàng kết hợp phân tích Giả sử ảnh hưởng pha đinh phạm vi hẹp lấy trung bình, mức cơng suất trung bình cục tín hiệu mong muốn tín hiệu nhiễu ký hiệu  , phải chịu biến thiên chuẩn lognormal Mức cơng suất trung bình cục mơ hình hóa là: X  10 log10   mX   dBW (17.8) Trong mX mức cơng suất trung bình vùng dBW (hoặc tổn hao đường truyền sóng phạm vi rộng trung bình dB),  biến ngẫu nhiên phân bố Gausơ trung bình khơng dB có độ lệch chuẩn  X dB che chắn gây chướng ngại vật lớn Công suất trung bình vùng mX thường mơ hình hàm của: (i) khoảng cách phát thu (T-R) d; (ii) số mũ suy hao đường truyền sóng  ; (iii) cơng suất phát PT dBW; (iv) độ lợi đại ăng ten phát thu GR, GT đơn vị dB Cụ thể: mX  PT  GT T ,T   GR  R ,R   10K  log10 d dBW (17.9) Hằng số K (17.9) bao gồm tất số hạng khơng thay đổi mơ hình Các góc  T  T góc ngẩng góc phương vị tín hiệu phát hướng đến máy thu Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 432  R  R góc ngẩng góc phương vị tín hiệu đến ăng ten thu Các góc  T ,  T ,  R  R phụ thuộc vào vị trí tương đối trạm gốc ăng ten di động Ví dụ 17.2: Xét trạm MS thu tín hiệu từ BS minh họa hình 17.4(a) Các giả thiết bản: (i) khoảng cách phát thu d = 1200 m; (ii) tuyến truyền thơng BS MS nhìn thẳng LOS; (iii) hệ toạ độ cho hình Xác định góc phương vị góc ngẩng MS BS: Góc phương vị Từ hình vẽ ta xác định góc phương vị tín hiệu phát BS (xem hình 17.4(b)) là:  663,  o   56, 1200   T  cos  Tương tự, góc phương vị tín hiệu đến ăng ten MS là: R  236, 4o Góc ngẩng Coi ăng ten trạm BS cao 30 m người dùng giữ điện thoại di động cách mặt đất 1,5 m cho hình 17.4(a) Từ hình vẽ, góc ngẩng tín hiệu phát BS hướng đến MS là:  1200   91, 60   30  1,  T  1800  tan  Tương tự cho góc ngẩng tín hiệu đến ăng ten MS, ta có:  R  88, 40 Cho thấy, góc ngẩng phương vị phụ thuộc vào vị trí tương đối ăng ten thu phát, hệ toạ độ sử dụng Khi mô hệ thống tế bào, hệ tọa độ định rõ góc khoảng cách phải xác định cẩn thận Một kết luận quan trọng từ ví dụ là: với hệ thống tế bào lớn (macrocellular) bán kính tế bào lớn km, khoảng cách phát thu d lớn nhiều so với hiệu số chiều cao ăng ten BS ăng ten di động ta coi rằng: T   R  900 (17.10) Và bỏ qua  T  R (17.9) Ta có : GT T ,T   GT T  GR  R ,R   GR R  (17.11) Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 438 Khi phân đoạn 1200, mẫu phát xạ ăng ten phân đoạn cho sector mơ hình hóa là:  dB,   /     / GT1    GR1     (17.28)  B dB, nÕu kh¸c Mẫu phát xạ cho sector tìm cách quay GT(1) ( ) GR(1) ( ) 1200 2400 tương ứng Khi phân đoạn 600, ta có:  dB, GT1    GR1      B dB,     /3 (17.29) nÕu kh¸c Mẫu phát xạ cho sector đến đạt cách quay GT(1) ( ) GR(1) ( ) 600 Giả sử hai ăng ten trạm gốc đường lên đường xuống đồng Các ăng ten di động coi ăng ten vô hướng cho đường lên đường xuống Mơ hình kênh gồm suy hao đường truyền sóng che chắn lognormal Số mũ suy hao truyền sóng độ lệch chuẩn che chắn lognormal tham số mô Mô bao gồm hai bước sau đây:  Định nghĩa hệ thống đích mơ  Tạo chớp ảnh vị trí di động tính tốn SIR BW = 600 BW = 1200  ố s Tỉ Tỉ số trước sau trư ớc sa u Hình 17.8: Mơ hình ăng ten phân tế bào phân đoạn 1200 600 a) Định nghĩa hệ thống đích mơ Tại ta định nghĩa đặc tính truyền sóng (các tham số kênh) vị trí tế bào đồng kênh Các đặc tính truyền sóng (các tham số kênh) gồm:  Bán kính tế bào, R  Mũ tổn hao truyền sóng (  )  Độ lệch chuẩn che chắn lognormal (  ) đơn vị dB  Mức công suất phát trạm gốc (PT,BS)  Mức công suất phát MS (PT,MS)  Số sector ô Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 439  Tỉ số trước-sau ăng ten phân đoạn  Số chớp ảnh mô (M) Chương trình mơ Matlab cho phần cho file NVD17Intialization.m Phụ lục 17A Chương trình mơ hồn chỉnh cho file NVD17Cellsim.m Phụ lục 17A N=3 N=1 N D=R D = 3R N N=7 N=4 N N D D Hình 17.9: Vị trí tế bào đồng kênh N = 1, N = 3, N = 4, N = Vị trí tế bào đồng kênh: Để tiện, ta chọn hệ toạ độ cực vng góc để biểu diễn vị trí trạm gốc di động mô Các trạm gốc định vị tâm ô Trạm gốc tế bào trung tâm, thực đo nhiễu đồng kênh, tương ứng với tâm hệ trục toạ độ Vị trí tế bào đồng kênh phụ thuộc vào kích cỡ cụm N bán kính tế bào R Với tầng thứ nhất, tất tế bào đồng kênh định vị đường trịn bán kính D = 3N R , trung tâm tế bào trung tâm, đồng khoảng cách tới tế bào thấy hình 17.9 Góc  N (xem bảng 17.1) xác định vị trí góc tế bào đồng kênh thứ Bằng phương pháp hình học đơn giản, ta thấy rằng, với kích cỡ cụm N, vị trí tế bào đồng kênh thứ i (sử dụng ký hiệu véc tơ):  xBSi xˆ  yBSi yˆ  3N R cos  N   i  1 6  xˆ  sin  N   i  1 6  yˆ  (17.30) Chương 17: Mô hệ thống vơ tuyến tế bào 440 Trong xˆ vµ yˆ véc tơ đơn vị theo phương trục x y, tương ứng Minh họa thực phần mơ đoạn chương trình Matlab sau: % Vị trí BS (ơ trung tâm định vị x=0,y=0) % Vị trí(góc)tâm cụm tầng thứ theta_N = [pi/6 pi/6 asin(1/(2*sqrt(7)))]; % khoảng cách góc trung tâm cụm tầng thứ theta = pi/3*[0:5]'; aux_1 = [1 0 4]; ind = aux_1(cluster_size); % vị trí [x y] trung tâm tất cụm tầng thứ bs_position = [sqrt(3*cluster_size)*r_cell*cos(theta + theta_N(ind)) sqrt(3*cluster_size)*r_cell*sin(theta+theta_N(ind))]; Bảng 17.1: Quan hệ N, R,  N hình 17.9 Kích cỡ cụm N D R N  3R 3R 21 R  Arctan(2/ 3) Lưu ý đoạn chương trình Matlab bsposition(i,1) bsposition(i, 2) tương ứng với thành phần phương xˆ vµ yˆ véc tơ biểu diễn vị trí trạm gốc thứ i b) Tạo chớp ảnh vị trí MS tính SIR Phần mô thực ước lượng Monte Carlo Tạo chớp ảnh vị trí MS chia sẻ kênh, chớp ảnh tính tốn SIR Phần mơ thực M lần Bước 1: Đặt MS tế bào Các MS giả sử phân bố khắp diện tích tế bào Các sector tế bào cấp phát tập kênh khác Do vậy, xẩy nhiễu đồng kênh sector cấp phát tập kênh Trong mô phỏng, coi MS tế bào trung tâm tế bào đồng kênh định vị sector tế bào chúng Sử dụng hệ toạ độ cực, vị trí MS thứ i bên tế bào mô tả bởi: (i) khoảng cách ri MS BS phục vụ; (ii) góc  i tham chiếu phương truyền lan (xem hình 17.10) Lưu ý rằng,  i ri xác định theo hệ toạ độ Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 441 trung tâm BS tế bào thứ i Vì phân bố vị trí MS đồng diện tích ơ, nên  i phân bố khoảng [0,  ] khoảng cách r phân bố theo pdf y yi MS BS i ri i xi Tế bào đồng kênh d Tế bào điều kiện kiểm tra r I ,i d If,i i 0 x xBS r0 i BS MS Hình 7.10: Biểu diễn vị trí máy di động f Ri (ri )  2ri R2  ri  R (17.31) Lưu ý rằng, để đơn giản mô phỏng, ta coi tế bào hình trịn Sector sử dụng chớp ảnh cụ thể chọn ngẫu nhiên, với xác suất chọn sector nh nhau: Phân đoạn 1200 Prsector i chọn , i=1, 2, Phân đoạn 600 Prsector i chọn , i=1, 2, , Một sector chọn, ta xác định góc i, cần lưu ý i phân bố đồng sector chọn: Phân đoạn 1200 2s-3 i 2s-1 3 Phân đoạn 600   s-1  i  s 3 Trong s sector chọn (s = {1,2,3} cho phân đoạn 1200, s = {1, , 6} cho phân đoạn 600) Hình 17.11 minh họa chớp ảnh cho phân đoạn 1200, MS định vị sector Thực mô đoạn chương trình sau: Chương 17: Mơ hệ thống vô tuyến tế bào 442 % Xác định sector mô chớp ảnh % - chọn (ngẫu nhiên) sector sector = unidrnd(num_sectors(sec)); % - đặt MS mong muốn sector chọn des_user_beta = rand(1)*phi_BW(sec) + phi_center(sector,sec); des_user_r =sqrt(rand(1).*(r_cell^2)); % - đặt MS đồng kênh sector chọn ô đồng kênh co_ch_user_beta = rand(6,1)*phi_BW(sec) + phi_center(sector,sec); co_ch_user_r = sqrt(rand(6,1))*(r_cell); r6 6 5 r5 r1 0 r0 Tế bào trung tâm r4 2 r2 r3 4 1 3 Hình 7.11: Chớp ảnh phân đoạn 1200 máy di động sector Vị trí (x,y) MS đồng kênh mong muốn tính tốn theo: des_user_position = des_user_r*[cos(des_user_beta) sin(des_user_beta)]; co_ch_user_position = [co_ch_user_r.*cos(co_ch_user_beta) co_ch_user_r.*sin(co_ch_user_beta)] + bs_position; Bước xác định khoảng cách MS đồng kênh đến BS tế bào trung tâm (được dùng để tính tốn giá trị trung bình tín hiệu nhiễu tuyến về) khoảng MS tế bào trung tâm BS đồng kênh (được dùng để xác định giá trị trung bình tín hiệu nhiễu tuyến đi) Bước 2: Xác định khoảng cách MS BS Để tính tốn nhiễu đồng kênh BS MS tế bào trung tâm, cần phải xác định Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 443  Vị trí MS đồng kênh theo BS tế bào trung tâm: Sử dụng ký hiệu véc tơ, vị trí MS thứ i theo BS tế bào trung tâm (xem hình 17.10):  d Ir,i  cos  i xˆ  sin  i yˆ   ri  cos i xˆ  sin i yˆ   xBSi xˆ  yBSi yˆ  (17.32) d Ir,i khoảng cách BS tế bào trung tâm MS thứ i,  i góc tới tín hiệu từ MS thứ i đập vào ăng ten BS Vì vậy, d Ir,i &  i độ dài hướng véc tơ cho vế phải phương trình (17.32)  Vị trí MS tế bào trung tâm theo BS đồng kênh thứ i: (xem hình 17.10): d If,i  cosi xˆ  sin i yˆ   r0  cos 0 xˆ  sin 0 yˆ  - x BSi xˆ  yBSi yˆ  (17.33) d If,i khoảng cách BS thứ i MS tế bào trung tâm,  i góc xuất phát tín hiệu phát BS thứ i hướng đến MS tế bào trung tâm Bước 3: Xác định số thống kê SIR hai tuyến Trong bước này, trình bày giải pháp để tính tốn SIR Chúng xét đến tính thay đổi theo lognormal tín hiệu thu Theo đó, cần có giá trị trung bình tín hiệu nhiễu tín hiệu mong muốn  Giá trị trung bình độ lệch chuẩn tính theo dB tín hiệu Các tín hiệu mong muốn: Sử dụng (17.9), giá trị trung bình tính theo đơn vị dB tín hiệu mong muốn tuyến tuyến mSf  PT , BS  10 log10 r0 mSr  PT , MS  10 log10 r0 dBW dBW (17.34) (17.35) Lưu ý rằng, độ lợi đại ăng ten BS tuyến biểu thức đặt dB, MS định vị sector BS Ngồi ra, độ lợi ăng ten MS tuyến đặt dB dùng ăng ten đẳng hướng Độ lệch chuẩn tín hiệu mong muốn độ lệch chuẩn che chắn Vì vậy:  Sf   Sr   Các tín hiệu nhiễu: Việc xác định giá trị trung bình tín hiệu nhiễu tổng tuyến cần thiết Như đề cập, nhiễu đồng kênh tổng tuyến mơ hình hóa tổng tín hiệu nhiễu đồng kênh thành phần Tức là: I f   Iif (17.36) i I r   I ir (17.37) i Lần lượt cho tuyến tuyến Hình 17.12 cho thấy chớp ảnh phân đoạn 120o Mô tế bào đồng kênh nhưng, vẽ tín hiệu từ tế bào đồng kênh Vì mơ hình xét ảnh hưởng che chắn suy hao đường truyền nên tín hiệu nhiễu tổng If Ir tổng tín hiệu phân bố theo hàm loga Iif Iir Như đề cập If Ir có phân bố loganormal Giá trị trung bình độ lệch chuẩn tính theo dB If Ir Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 444 hàm giá trị trung bình độ lệch chuẩn tín hiệu nhiễu tính phương pháp Wilkinsson hay Schwartz Yeh (được cho phụ lục 17C) Các giá trị trung bình tính theo dBW Ifi Iri theo cơng thức (17.9), theo ta có: mIf,i  PT , BS  GT ,i (T ,i )  10 log10 d If,i dBW (17.38) mIr,i  PT , MS  GR ,0 (R ,i )  10 log10 d Ir,i dBW (17.39) T ,1 I1f Tế bào I1r R ,1 R , Tế bào trung tâm I 4r I 4f T ,4 Tuyến Tuyến Tế bào Hình 17.12: Minh họa chớp ảnh cho phân đoạn 1200 Độ lợi ăng ten GT,i(T,i) GR,0(R,i) phụ thuộc vào vị trí tương đối MS mô tả theo (17.28) (17.29) Lưu ý rằng, ta giả sử dùng ăng ten đẳng hướng tuyến Độ lệch chuẩn tín hiệu nhiễu với độ lệch chuẩn che chắn :  If,i   Ir,i   , tÊt tế bào (17.40) Mt xỏc nh c giá trị trung bình độ lệch chuẩn tín hiệu nhiễu đồng kênh, dùng phương pháp Wilkinsson Schwartz Yeh để tính giá trị trung bình mfI mrI, độ lệch chuẩn fI rI theo dB nhiễu đồng kênh tổng tuyến Tính mơ men tín hiệu tuyến đoạn mã Matlab sau: [ % - NGƯỜI DÙNG MONG MUỐN -m_S_fwd = P_BS - 10*K*n_path*log10(des_user_r); % - Các NGƯỜI DÙNG ĐỒNG KÊNH -% - Vị trí MS mong muốn theo ô đồng kênh aux_01 = ((des_user_position(1)-bs_position(:,1)+ sqrt(1)*des_user_position(2)-bs_position(:,2))); beta_fwd = angle(aux_01); Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 445 d_I_fwd = abs(aux_01); % - Tính độ lợi annten đồng kênh clear gain_fwd; for k = 1:n_co_ch_users if (beta_fwd(k)> = sector_min(sector,sec)) & (beta_fwd(k)< sector_max(sector,sec)) gain_fwd(k) = in_beam; else gain_fwd(k) = out_beam; end end % - Tính giá trị trung bình độ lệch chuẩn m_I_fwd = P_BS - 10*K*n_path*log10(d_I_fwd) + gain_fwd.'; sigma_I_fwd = sigma_int*ones(length(m_I_fwd),1); [m_I_total_fwd,sigma_I_total_fwd] = wilkinson(m_I_fwd,sigma_I_fwd,corr_fwd); Tương tự, tính mơ men tín hiệu tuyến đoạn mã Matlab sau: % - NGƯỜI DÙNG MONG MUỐN -m_S_rev = P_MS - 10*K*n_path*log10(des_user_r); % - CÁC NGƯỜI DÙNG ĐỒNG KÊNH % Vị trí người dùng đồng kênh -aux_02 = (co_ch_user_position(:,1)+ sqrt(-1)*co_ch_user_position(:,2)); beta_rev = angle(aux_02); d_I_rev = abs(aux_02); % -Tính độ lợi ăng ten ô trung tâm clear gain_rev; for k = 1:n_co_ch_users if (beta_rev(k)> = sector_min(sector,sec)) & (beta_rev(k)< sector_max(sector,sec)) gain_rev(k) = in_beam; else gain_rev(k) = out_beam; end end % - Tính giá trị trung bình độ lệch chuẩn m_I_rev = P_MS - 10*K*n_path*log10(d_I_rev) + gain_rev.'; sigma_I_rev = sigma_int*ones(length(m_I_rev),1); [m_I_total_rev,sigma_I_total_rev] = wilkinson(m_I_rev,sigma_I_rev,corr_rev); Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 446 Lưu ý rằng, ví dụ ta dùng phương pháp Wilkinson để tính giá trị trung bình độ lệch chuẩn nhiễu tổng Mã Matlab cho phương pháp Wilkinson cho file NVD17 Wilkinson m có Phụ lục 17A  Các bước tính tốn giá trị thống kê SIR Bước 1: Tính giá trị trung bình độ lệch chuẩn SIR: Trong giải pháp ta tính giá trị trung bình mfSIR mrSIR độ lệch chuẩn fSIR  SIR SIR theo dB tuyến Các mơ men dùng để tính xác suất tin cậy ngừng hoạt động Vì tín hiệu mong muốn tín hiệu nhiễu đồng kênh tổng biến ngẫu nhiên chuẩn Gausơ theo dB, nên SIR theo dB biến ngẫu nhiên chuẩn Gausơ SIRf hướng cho bởi: r SIR f  SdBf  I dBf (17.41) Với giá trị trung bình độ lệch chuẩn đơn vị dB cho bởi: f mSIR  mSf  mIf (17.42) f  SIR  ( Sf )2  ( If )2 (17.43) Các phương trình (17.41),(17.42),(17.43) dùng cho tuyến Các kết bước mfSIR, mrSIR, fSIR rSIR Mã chương trình Matlab để mơ phần sau: m_SIR_fwd(1) = m_S_fwd - m_I_total_fwd; sigma_SIR_fwd(1) = sqrt(sigma_S^2 + sigma_I_total_fwd^2 2*corr_fwd*sigma_S*sigma_I_total_fwd); m_SIR_rev(1) = m_S_rev - m_I_total_rev; sigma_SIR_rev(1) = sqrt(sigma_S^2 + sigma_I_total_rev^2 2*corr_rev*sigma_S*sigma_I_total_rev); Lưu ý rằng, điểm mô ta bắt đầu tập hợp kết mô Trong bước ta lưu trữ giá trị trung bình độ lệch chuẩn mảng kiểm soát số i Bước Phương pháp A: Lấy mẫu SIR dùng trung bình độ lệch chuẩn SIR: Vì biết trung bình mfSIR mrSIR độ lệch chuẩn fSIR rSIR SIR tuyến từ bước 1, nên lấy mẫu q trình ngẫu nhiên chuẩn Gausơ SIRf SIRr Do chớp ảnh liên kết với mẫu SIR hướng (ký hiệu SIRf2A SIRr2A) Các mẫu kết lấy mẫu q trình ngẫu nhiên chuẩn Gausơ có trung bình mSIR độ lệch chuẩn SIR Kết bước 2-phương pháp A giá trị cho SIRf2A SIRr2A xác định mã chương trình Matlab Để tường minh trình tạo biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn Gausơ này, ta nên nghiên phần help có Matlab % Tạo biến ngẫu nhiên SIRf2A SIRr2A phân bố chuẩn Gausơ có giá Chương 17: Mơ hệ thống vơ tuyến tế bào 447 % trị trung bình độ lệch chuẩn SIR_fwd_2(1) = normrnd(m_SIR_fwd(1),sigma_SIR_fwd(1)); SIR_rev_2(1) = normrnd(m_SIR_rev(1),sigma_SIR_rev(1)) Phương pháp B: Lấy mẫu SIR dùng trung bình độ lệch chuẩn tín hiệu nhiễu riêng lẻ tín hiệu mong muốn: Tại điểm này, ta coi nhiễu đồng kênh tổng mơ hình hóa tổng tín hiệu nhiễu đồng kênh riêng lẻ phân bố loganormal phân bố chuẩn Gausơ biểu diễn theo dB Trong bước 2, phương pháp B, ta không thực giả định phân bố nhiễu tổng Mẫu tín hiệu thu MS (hướng đi) BS (hướng về) tế bào trung tâm xác định, giả sử tín hiệu tính theo dB phân bố chuẩn Gausơ có mơ men Sf, Sr, Ifi Iri Theo đó, tín hiệu nhiễu tổng tuyến tính sau:  I10if  I  10 log10  10   i 1  (17.44)  Iir  I r  10 log10  10 10   i 1  (17.45) f Các mẫu SIR tuyến (ký hiệu SIRf2B SIRr2B ) tính bởi: SIR2fB  S f  I f (17.46) SIR2r B  S r  I r (17.47) Mã chương trình Matlab sau: des_sig_spl_fwd = normrnd(m_S_fwd,sigma_S); int_sig_spl_fwd = normrnd(m_I_fwd,sigma_I_fwd); tot_int_sig_spl_fwd = 10*log10(sum(10.^(int_sig_spl_fwd/10))); SIR_spl_fwd_2B(1) = des_sig_spl_fwd - tot_int_sig_spl_fwd; des_sig_spl_rev = normrnd(m_S_rev,sigma_S); int_sig_spl_rev = normrnd(m_I_rev,sigma_I_rev); tot_int_sig_spl_rev = 10*log10(sum(10.^(int_sig_spl_rev/10))); SIR_spl_rev_2B(1) = des_sig_spl_rev - tot_int_sig_spl_rev; Tại đây, ta hoàn thành việc xử lý chớp ảnh Cần phải thực M-1 chớp ảnh lại để hồn tất tồn mơ để tạo tập hợp có độ dài M Từ bước 1: Các giá trị trung bình mfSIR mrSIR độ lệch chuẩn fSIR rSIR SIR tuyến Từ bước 2, phương pháp A: Các mẫu SIR tuyến, SIRf2A SIRr2A Từ bước 2, phương pháp B: Các mẫu SIR tuyến, SIRf2B SIRr2B 17.3.2 Xử lý kết mô Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 448 Bằng cách xử lý kết mơ phỏng, ta ước tính hiệu tồn hệ thống tế bào dạng xác suất ngừng hoạt động thị hiệu khác Trong phần trình bày số kết mơ để so sánh hiệu hệ thống tế bào hoạt động theo cấu hình khác đây:  Kích cỡ cụm N = ăng ten trạm gốc BS đẳng hướng  Kích cỡ cụm N = phân đoạn 120 o  Kích cỡ cụm N = phân đoạn 60 o  Kích cỡ cụm N = ăng ten trạm gốc BS đẳng hướng  Kích cỡ cụm N = phân đoạn 120 o  Kích cỡ cụm N = phân đoạn 60 o Các ăng ten phân đoạn BS có tỉ số trước sau 30 dB Độ lệch chuẩn che chắn đặt dB số mũ suy hao truyền sóng  = Để đạt kết thống kê hợp lý cần mô 1000 chớp ảnh Xác suất ngừng hoạt động Giá trị trung bình độ lệch chuẩn SIR biểu diễn theo đơn vị dB tính cho chớp ảnh mơ bước Các mô men tương ứng với SIR đo MS BS tế bào trung tâm cho chớp ảnh vị trí cụ thể MS đồng kênh Vì vậy, ta tính xác suất ngừng hoạt động hệ thống tế bào MS BS cho tình cho trước Xác suất ngừng hoạt động định nghĩa phần trước, để tiện nhắc lại: Pngõng hoạt động ( SIR0 ) Pr SIR SIR0   SIR0   SIR0  mSIR   1 Q   SIR   2 SIR   x  mSIR  e 2 SIR dx (17.48) Q(.) hàm Q Gausơ Do sử dụng giá trị trung bình độ lệch chuẩn tính chớp ảnh từ bước 1, ta nhận mẫu xác suất ngừng hoạt động Mô xác suất ngừng hoạt động trung bỡnh ca h thng t bo Pngừng hoạt động (SIR0 ) , tính cách lấy trung bình mẫu xác suất ngừng hoạt động Pngõng ho¹t ®éng ( SIR0 ) mã tính tốn cho chớp ảnh Các xác suất ngừng hoạt động trung bình thường coi xác suất ngừng hoạt động trung bình vùng phần tử trình lấy trung bình tương ứng với vị trí diện tích tế bào Các xác suất ngừng hoạt động trung bình ngưỡng khác tính cách dùng kết từ bước kích cỡ cụm N = phân đoạn 1200 cho hình 17.13 Hình 17.13 cho thấy xác suất ngừng hoạt động trung bình kích cỡ cụm N = phân đoạn 1200 tính từ kết bước 2, phương pháp A B Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 449 0.04 0.04 0.035 0.035 0.03 0.03 Xác suất ngừng hoạt động (%) Xác suất ngừng hoạt động (%) Hỡnh 17.13: Xỏc sut ngng hot ng trung bình hai tuyến dùng phương pháp mơ tả (kích cỡ cụm N = 7, phân đoạn 1200,   8dB vµ  = ) 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 -50 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 50 100 Ng-ìng SIR0 tuyÕn ®i (dB) 150 -50 50 100 150 Ng-ìng SIR0 tun vỊ (dB) Hình 17.14 : Hồnh đồ mẫu SIR từ giải pháp cho hai tuyến dùng bước phương pháp A (kích cỡ cụm N = 7, phân đoạn 1200,   8dB vµ  =4 ) Xác suất ngừng hoạt động trung bình tính từ kết bước phương pháp A B Nó cung cấp tập hợp mẫu SIR hai tuyến Trên sở Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 450 tập hợp này, ta ước tính hàm mật độ xác suất SIR trung bình vùng Muốn vậy, trước hết phải tính hồnh đồ tập hợp Ví dụ hình 17.14 cho thấy hồnh đồ mẫu SIR trung bình vùng có từ bước 2, phương pháp A Các hoành đồ xấp xỉ hàm pdf SIR trung bình vùng Sử dụng hồnh đồ ta ước tính xác suất ngừng hoạt động trung bình tuyến Tại ta so sánh hiệu cấu hình mơ Hình 17.15 cho thấy xác suất ngừng hoạt động trung bình cấu hình, sử dụng bước hướng Như mong đợi, việc phân đoạn cải thiện hiệu hệ thống tế bào, tức giảm xác suất SIR ngưỡng cho trước Chẳng hạn, hệ thống sử dụng kích cỡ cụm N = sector tế bào tốt (về chất lượng tuyến) so với hệ thống sử dụng cụm cỡ N = với ăng ten đẳng hướng Xác suất ngừng hoạt động SIR0 = 18dB (ngưỡng thường dùng AMPS) hệ thống thứ 15% hệ thống thứ hai 35% Hình 17.15 : Xác suất ngừng hoạt động tuyến cho cấu hình Tuy nhiên, phân đoạn làm giảm dung lượng hệ thống dạng lưu lượng mang tối đa Để minh họa, bảng 17.2 cho thấy lưu lượng mang tế bào cấu hình ứng với xác suất ngừng hoạt động SIR0 = 18 dB nhận từ hình 17.15 Lưu lượng mang tính tốn theo giả định: có 395 kênh khả dụng cho toàn hệ thống xác suất nghẽn chấp nhận 0,02 Thấy rõ, dung hòa dung lượng chất lượng tuyến Khi cải thiện dung lượng chất lượng đường truyền giảm xuống Hiệu hệ thống diện tích tế bào Xác suất ngừng hoạt động trung bình, đề cập tính toán trên, cho biết hiệu hệ thống tế bào lấy trung bình diện tích tế bào Kết là, tồn xác suất ngừng hoạt động cao (khơng mong muốn) vị trí cho trước bù xác suất ngừng hoạt động thấp vị trí khác Đơi khi, phân tích hiệu ta cần phải đánh Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 451 giá phần trăm diện tích tế bào hiệu hệ thống (xác suất ngừng hoạt động) chấp nhận hay khơng Sự đánh giá tính tốn từ kết mơ Xác suất tin cậy Ptin cậy(SIR0) định nghĩa xác suất mà SIR lớn ngưỡng SIR0 cho trước Theo đó, vị trí cho trước ta có:  SIR0  mSIR  Ptin cËy ( SIR0 )  Pr  SIR  SIR0   Q    SIR     Pngõng hoạt động ( SIR0 ) (17.49) Bng 17.2: Lu lng mang tế bào xác suất ngừng hoạt động Ăng ten Kích cỡ cụm N = Kích cỡ cụm N = Vô hướng 86,0 Erg @ Pngừng hoạt động = 0,52 45,9 Erg @ Pngừng hoạt động = 0,35 3-sector 71,2 Erg @ Pngừng hoạt động = 0,22 24,5 Erg @ Pngừng hoạt động = 0,15 6-sector 59,0 Erg @ Pngừng hoạt động = 0,13 26,1 Erg @ Pngừng hoạt động = 0,07 Hình 17.16: Tỉ lệ phần trăm diện tích tế bào Prela(SIR0) > 0,75 trì tuyến cho tất cấu hình mơ (   dB vµ  = ) Tại đây, ta coi hiệu hệ thống chấp nhận xác suất tin cậy Ptin cậy(SIR0) ngưỡng SIR0 cho trước lớn ngưỡng Pmin Sau sử dụng giá trị Ptin cậy(SIR0) tính để ước tính phần trăm diện tích tế bào có hiệu hệ thống chấp nhận (tức nơi có Ptin cậy(SIR0) > Pmin) cách tính: PdiƯn tÝch ( SIR0 )  Sè vÞ trÝ cã Ptin cËy ( SIR0 )  Pmin Tỉng sè vÞ trÝ (17.50) Lưu ý rằng, việc tính tốn Pdiện tích (SIR0) thực dùng kết bước mơ cần có giá trị trung bình độ lệch chuẩn SIR Hình 17.16 Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào 452 cho thấy tỉ lệ phần trăm diện tích tế bào có Ptin cậy(SIR0) > 0,75 tuyến cho tất cấu hình mơ ... thuộc vào độ rộng búp sóng ăng ten phân đoạn kích cỡ cụm sử dụng Chương 17: Mô hệ thống vô tuyến tế bào Kích cỡ cụm N=4 Tế bào Tế bào Tế bào 434 Tế bào Tế bào Tế bào Sector Tế bào Tế bào Tế bào. .. bởi: Tế bào Sector Tế bào Tế bào I6 I3 Tế bào I6 d2 Tế bào I d5 Tế bào d1 I1 d6 Tế bào Sector I2 d Tế bào I d4 Sector d6 Tế bào I5 d5 Tế bào Tế bào Tế bào b) Các tế bào phân đoạn a) Các tế bào. .. phần hệ thống Phần sau, ta trình bày việc lập mơ hình thành phần hệ thống Chương 17: Mô hệ thống vơ tuyến tế bào 428 17. 2.2 Mơ hình hóa hệ thống vơ tuyến tế bào Ta xét vài khía cạnh hệ thống