TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Giới thiệu chung
Ra đời vào cuối năm 1940, thông tin di động đã trải qua nhiều thế hệ phát triển Thế hệ đầu tiên là công nghệ không dây tương tự, sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Tiếp theo, thế hệ thứ hai chuyển sang công nghệ kỹ thuật số, áp dụng các kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).
Thế hệ thứ 3 của công nghệ di động đã mang lại sự tiến bộ vượt bậc về dung lượng và ứng dụng so với các thế hệ trước, cho phép cung cấp dịch vụ đa phương tiện gói tại nhiều quốc gia Sự phát triển của hệ thống thông tin di động toàn cầu thể hiện qua sự tiến hóa của hệ thống điện thoại tổ ong (CMTS) và hệ thống nhắn tin (PS), hướng tới việc hình thành một hệ thống chung toàn cầu trong tương lai.
Tổng quan về hệ thống thông tin di động
Hệ thống điện thoại di động tổ ong được chia thành nhiều ô (cell) nhỏ, mỗi ô có một trạm gốc quản lý Tổng đài điều khiển giúp thuê bao duy trì cuộc gọi liên tục khi di chuyển giữa các ô.
Hình 1.1 Hệ thống thông tin di động tổ ong
Trong hệ thống điện thoại di động tổ ong, các máy di động sử dụng tần số không cố định mà được xác định qua kênh báo hiệu, cho phép đồng bộ tự động Các ô lân cận sử dụng tần số khác nhau, trong khi các ô xa hơn có thể tái sử dụng cùng một tần số Để duy trì cuộc gọi liên tục khi di động di chuyển giữa các ô, tổng đài điều khiển kênh báo hiệu và kênh lưu lượng, tự động chuyển đổi tần số của máy di động thành tần số thích hợp.
1.2.1 Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 1
Phương pháp đơn giản nhất về truy nhập kênh là đa truy nhập phân chia tần số
Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), hỗ trợ dịch vụ thoại tương tự thông qua kỹ thuật điều chế tương tự Với FDMA, mỗi khách hàng được cấp phát một kênh trong tập hợp các kênh tần số có trật tự Khi thiết bị di động (MS) khởi động, nó sẽ dò sóng để tìm kênh điều khiển riêng, từ đó nhận dữ liệu báo hiệu về kênh tần số dành cho lưu lượng người dùng Nếu số thuê bao vượt quá số kênh tần số có sẵn, một số người sẽ không được truy cập Đa truy nhập phân chia theo tần số cho phép nhiều khách hàng sử dụng dải tần đã được gán mà không bị trùng lặp, bằng cách chia phổ tần thành nhiều đoạn Phổ tần số cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số liên tiếp, cách nhau bằng một dải tần phòng vệ, với N dải dành cho liên lạc hướng lên.
N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống Đặc điểm :
- Mỗi MS đƣợc cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến
- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể
- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS
Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến (Advanced Mobile phone System - AMPS)
Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 (1G) áp dụng phương pháp đa truy cập đơn giản, nhưng không đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người dùng về dung lượng và tốc độ Để khắc phục những hạn chế này, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 đã ra đời, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội về dung lượng và các dịch vụ cung cấp.
1.2.2 Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2
Sự gia tăng nhanh chóng về số lượng và chất lượng thuê bao di động yêu cầu hệ thống thông tin di động thế hệ 2 phải được phát triển dựa trên công nghệ số Hệ thống thông tin di động 2G sử dụng hai phương pháp đa truy cập khác nhau để phục vụ cho nhu cầu của người dùng.
- Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA)
- Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)
1.2.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA
Phương pháp truy cập TDMA cho phép nhiều người sử dụng chung một sóng mang bằng cách chia trục thời gian thành các khoảng nhỏ, ngăn chặn sự chồng chéo Phổ tần cho liên lạc di động được phân chia thành các dải tần, mỗi dải tần phục vụ cho N kênh liên lạc, trong đó mỗi kênh được xác định bởi một khe thời gian trong chu kỳ khung Các thuê bao chia sẻ kênh thông qua việc cài đặt xen thời gian, với mỗi thuê bao được cấp phát một khe thời gian cụ thể trong cấu trúc khung.
- Tín hiệu của thuê bao đƣợc truyền dẫn số
Liên lạc song công được thực hiện trên các dải tần khác nhau, với một băng tần dành cho việc truyền tín hiệu từ trạm gốc đến máy di động và một băng tần khác cho tín hiệu từ máy di động về trạm gốc Sự phân chia này giúp các thiết bị thu và phát hoạt động đồng thời mà không gây ra can nhiễu lẫn nhau.
- Giảm số máy thu phát ở BTS
Hệ thống TDMA, điển hình là GSM, là một phần quan trọng trong thông tin di động toàn cầu So với FDMA, máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA có độ phức tạp cao hơn Hệ thống xử lý số trong MS tương tự chỉ có khả năng xử lý tối đa 106 lệnh mỗi giây, trong khi MS số TDMA cần phải xử lý hơn 50 triệu lệnh mỗi giây.
1.2.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA
Phương pháp đa truy cập CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ, cho phép nhiều người dùng cùng chiếm một kênh vô tuyến để thực hiện các cuộc gọi mà không gây nhiễu lẫn nhau Mỗi người dùng được phân biệt bằng một mã đặc trưng duy nhất Trong toàn mạng, các kênh vô tuyến CDMA được sử dụng lại ở mỗi cell và được phân biệt nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN) Những đặc điểm nổi bật của CDMA bao gồm khả năng hỗ trợ nhiều người dùng đồng thời và giảm thiểu nhiễu sóng.
- Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA
Việc sử dụng tần số chung cho các thuê bao MS trong cell giúp đơn giản hóa thiết bị truyền dẫn vô tuyến, cho phép thay đổi kế hoạch tần số dễ dàng Điều này làm cho việc chuyển giao trở nên linh hoạt và việc điều khiển dung lượng cell trở nên hiệu quả hơn.
Cell là khu vực địa lý được phân chia thành các ô phủ sóng vô tuyến, được xác định bằng mã nhận dạng ô toàn cầu (CGI) Trạm di động xác định vị trí của mình trong ô thông qua mã nhận dạng trạm gốc (BSIC).
Hình 1.2: Phân vùng một vùng phục vụ MSC thành các vùng định vị và các ô
1.2.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ ba
Hệ thống thông tin di động số thế hệ ba (3G) mang đến những cải tiến quan trọng trong lĩnh vực truyền thông không dây, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ và chất lượng truyền tải dữ liệu cho điện thoại và thiết bị cầm tay Với sự gia tăng số lượng thiết bị truy cập Internet, 3G yêu cầu công nghệ truyền thông không dây nhanh hơn, từ 9.5Kbps đến 2Mbps, đồng thời nâng cao chất lượng thoại và dịch vụ dữ liệu Điều này cho phép gửi nội dung video và đa phương tiện đến các thiết bị di động một cách hiệu quả hơn.
Các hệ thống thông tin di động hiện nay đang trong quá trình chuyển đổi từ thế hệ 2.5G sang 3G, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về dịch vụ thông tin di động Từ những năm đầu thập kỷ 90, nghiên cứu và hoạch định cho hệ thống di động thế hệ ba đã được tiến hành ITU-R đang chuẩn hóa hệ thống IMT-2000 toàn cầu, trong khi ETSI tại châu Âu đang phát triển tiêu chuẩn UMTS (Hệ thống Viễn thông Di động Toàn cầu) Hệ thống mới hoạt động ở dải tần 2GHz, cung cấp nhiều dịch vụ như thoại, dữ liệu tốc độ cao, video và truyền thanh, với tốc độ tối đa lên tới 2Mbps Ngoài ra, các nghiên cứu cũng đang được thực hiện cho các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ tư với tốc độ lên đến 32Mbps.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G) đƣợc xây dựng trên cơ sở IMT –
2000 với các tiêu chí sau:
Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz với đường lên có dải tần 1885- 2025MHz và đường xuống có dải tần 2110-2200MHz
Hệ thống thông tin di động toàn cầu tích hợp các loại hình thông tin vô tuyến, kết nối mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, đồng thời tương tác với đa dạng dịch vụ viễn thông.
Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng các môi trường khai thác khác nhau
Dịch vụ có thể hỗ trợ môi trường thông tin nhà ảo (VHE - Virtual Home Environment) dựa trên mạng thông minh và di động cá nhân, cùng với khả năng chuyển mạch toàn cầu Điều này đảm bảo chuyển mạng quốc tế và cung cấp các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, dữ liệu chuyển mạch theo kênh và dữ liệu chuyển mạch theo gói.
Dể dàng hỗ trợ các dich vụ mới xuất hiện
Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai phát triển thông dụng nhất hiện nay là :
Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3
Nghiên cứu về W-CDMA tại Châu Âu bắt đầu từ các dự án CDMT và FRAMES vào đầu thập niên 90, nhằm thực nghiệm và đánh giá chất lượng truyền dẫn của hệ thống này Công tác tiêu chuẩn hóa chi tiết được thực hiện bởi 3GPP, với lịch trình triển khai W-CDMA được minh họa rõ ràng.
Hình 1.2 Lịch trình triển khai W – CDMA
Hệ thống W-CDMA đƣợc đƣa ra khai thác vào đầu năm 2002 Lịch trình nghiên cứu và vào khai thác của cdma2000/3GPP2 chia thành 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: (1997 – 1999) + Nghiên cứu phát triển mẫu đầu tiên của hệ thống;
+ Năm 1997: Xây dựng tiêu chuẩn , xây dụng cấu trúc mẫu đầu tiên hệ thống và thiết kế các phương tiện thử nghiệm chung
+ Năm 1998: Tiếp tục xây dựng mẫu thử đầu tiên của hệ thống và các phương tiện thử nghiệm chung;
+ Năm 1999: Kiểm tra kết nối cho mô hình đầu tiên của hệ thống
Giai đoạn 2: (2000 -2002) + Phát triển hệ thống với mục tiêu thương mại ở các nhà sản xuất hàng đầu ; + Năm 2002: Bắt đầu dịch vụ thương mại
Hình 1.3 Lịch trình nghiên cứu
1.3.1 So sánh hệ thống CDMA với hệ thống sử dụng TDMA 1.3.1.1 Các phương pháp đa truy nhập Đa truy nhập phương pháp điều khiển là phân chia tài nguyên thông tin một cách hợp lý để đảm bảo cho nhiều người đồng thời cùng chia sẻ sử dụng tài nguyên hệ thống với hiệu suất cao Truy nhập vô tuyến thông tin di động thường sử dụng đa truy cập theo các phương pháp đa truy nhập như chỉ ra trong hình 1.9:
Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) là phương pháp phục vụ các cuộc gọi bằng cách sử dụng các tần số khác nhau Trong hệ thống FDMA, mỗi người dùng được cấp phát một kênh trong một tập hợp có trật tự các kênh trong dải tần số.
Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) là phương thức phục vụ các cuộc gọi bằng cách phân chia thời gian thành các khe khác nhau Trong hệ thống TDMA, mỗi thuê bao được cấp phát một khe thời gian riêng trong cấu trúc khung và được dành riêng cho cuộc gọi trong suốt thời gian thoại.
Hình 1.4 Các phương pháp đa truy nhập
Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) cho phép nhiều người dùng thực hiện cuộc gọi đồng thời trên cùng một băng tần bằng cách sử dụng các chuỗi mã khác nhau để phân biệt tín hiệu Trong hệ thống CDMA, tín hiệu của từng người dùng chiếm toàn bộ băng tần, nhưng nhờ kỹ thuật trải phổ, các cuộc gọi không gây nhiễu lẫn nhau Kênh vô tuyến CDMA được tái sử dụng trong mỗi cell của mạng và được phân biệt thông qua mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên băng thông.
1.3.1.2 So sánh hệ thống CDMA và hệ thống sử dụng TDMA
Bảng so sánh giữa hệ thống thông tin di động CDMA và TDMA cho thấy rõ những ưu điểm vượt trội của CDMA, bao gồm khả năng sử dụng băng tần hiệu quả hơn và khả năng phục vụ nhiều người dùng cùng lúc mà không gây nhiễu Những đặc tính và cấu trúc của CDMA giúp cải thiện chất lượng cuộc gọi và tăng cường khả năng kết nối trong môi trường đông người.
Bảng 1.1 So sánh giữa mạng thông tin di động động CDMA và mạng GSM Đặc tính CDMA GMS
Băng tần sử dụng 1,23 MHz 200 kHz
Dải tần số - Hướng lên: 824–849 MHz
Kênh sử dụng Nhiều người sử dụng chung một kênh
Một người có thể sử dụng khe thời gian của một kênh để giảm thiểu nhiễu giao thoa và ảnh hưởng của các kênh lân cận Điều này giúp hạn chế hiện tượng ICI (Inter-Channel Interference) giữa các kênh, từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu và hiệu suất truyền tải thông tin.
Công suất phát Thấp để giảm nhiễu cho hệ thống Lớn để khắc phục fading Điều khiển công suất
Giảm công suất phát của MS và ảnh hưởng đến dung lượng
Không làm thay đổi dung lƣợng của hệ thống
Chất lƣợng thoại Tốt hơn Thấp hơn
- Điều khiển dung lƣợng linh hoạt
- Dung lƣợng hệ thống lớn
- Không có giới hạn rỏ ràng về số người sử dụng trong một cell
- Điều khiển dung lƣợng kém linh hoạt
- Số người sử dụng trong một cell là cố định
Bảo mật Có tính bảo mật cao hơn nhờ mã trải phổ Tính bao mật thông tin thấp
Các yêu cầu cơ bản về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3
Hệ thống thông tin di động thế hệ hai chưa đáp ứng được các mục tiêu ban đầu, không thể cung cấp tốc độ truyền tải cao cho người sử dụng, dẫn đến hiệu suất sử dụng thấp và không hỗ trợ hiệu quả một số kỹ thuật mới như IP Những hạn chế này đã thúc đẩy sự phát triển của hệ thống thông tin di động tốc độ cao, dẫn đến sự xuất hiện của các hệ thống mới, đóng vai trò là cầu nối chuyển tiếp sang hệ thống thông tin di động thế hệ ba.
Chƣa hình thành hệ thống tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu
Dịch vụ đơn nhất (chủ yếu là dịch vụ thoại, chỉ có thể truyền tải những thông tin ngắn và đơn giản)
Không thể thực hiện trên toàn cầu: do tiêu chuẩn phân tán và bảo hộ kinh tế nên không thể thống nhất toàn cầu và chuyển vùng toàn cầu
Dung lƣợng thông tin không đủ
1.4.2 Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) không chỉ giải quyết những vấn đề còn tồn tại của hệ thống thế hệ thứ hai mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về khả năng truyền số liệu Để đạt được điều này, 3G cần có tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu và khả năng truyền tải đa phương tiện với tốc độ tối đa lên đến 2Mbps Hệ thống này cải thiện dịch vụ chuyển mạch gói, cho phép truyền tải đồng thời cả chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói, đồng thời hỗ trợ truyền tải không đối xứng, phù hợp với đặc điểm của dịch vụ số liệu mới như WWW Chất lượng truyền và chất lượng dịch vụ của 3G được nâng cao, đạt gần mức chất lượng của mạng cố định với tốc độ truyền tối đa 144Kbps cho người đi xe, 384Kbps cho người đi bộ và 2Mbps cho người sử dụng trong nhà Công nghệ tích hợp tiêu hao công suất thấp và kỹ thuật tích hợp silic xạ tần đang được nghiên cứu nhằm nâng cao tuổi thọ của acquy và giảm thiểu tổn hao năng lượng Cuối cùng, 3G cũng cải thiện hiệu suất tần phổ và hiệu suất kênh thông qua việc ứng dụng các kỹ thuật mới như điều khiển công suất nhanh và hệ thống anten thông minh.
Kết luận chương
Hệ thống thông tin di động đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là với sự ra đời của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) Nhu cầu ngày càng tăng về chất lượng và số lượng dịch vụ từ người sử dụng, cùng với sự đa dạng trong việc trao đổi thông tin, đã thúc đẩy sự phát triển này Chương tiếp theo sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về công nghệ và cấu trúc của hệ thống thông tin di động 3G.
CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA – UMTS
Giới thiệu chung
WCDMA là tiêu chuẩn thông tin di động 3G của IMT-2000, chủ yếu phát triển ở Châu Âu, nhằm cung cấp khả năng chuyển vùng toàn cầu và hỗ trợ nhiều dịch vụ thoại cũng như đa phương tiện Các mạng WCDMA được xây dựng dựa trên hạ tầng mạng GSM, tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có của các nhà khai thác mạng GSM Bài viết này sẽ giới thiệu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mạng WCDMA.
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là công nghệ 3G tiên tiến, phát triển từ CDMA băng hẹp, cho phép cung cấp các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet và hội thảo hình ảnh Công nghệ này hoạt động trong dải tần 1920 MHz - 1980 MHz và 2110 MHz - 2170 MHz, mang lại trải nghiệm kết nối nhanh chóng và hiệu quả cho người dùng.
W-CDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhận đƣợc sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình
W-CDMA có các tính năng cơ sở sau :
- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz
- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp đƣợc tất cả thông tin trên một sóng mang
- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1
- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến
Nhược điểm chính của W-CDMA là hệ thống không được cấp phép trong băng TDD, dẫn đến việc phát sóng liên tục mà không có khả năng áp dụng các kỹ thuật chống nhiễu hiệu quả trong các môi trường làm việc khác nhau.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba W-CDMA cung cấp tốc độ bit lên đến 2MBit/s, hỗ trợ nhiều kiểu truyền dẫn như đối xứng và không đối xứng, cũng như thông tin điểm đến điểm và đa điểm Nhờ vào khả năng này, các dịch vụ mới như điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh và các dịch vụ đa phương tiện khác được cung cấp một cách dễ dàng.
Hình 2.1: Các dịch vụ mạng 3G
Cấu trúc hệ thống WCDMA
Mạng thông tin di động thế hệ ba W-CDMA được cấu thành từ hai phần chính: mạng lõi và mạng thâm nhập vô tuyến, như thể hiện trong sơ đồ khối tổng quát ở hình 2.2.
Mạng lõi bao gồm các trung tâm chuyển mạch kênh (MSC) và các nút hỗ trợ chuyển mạch gói (SGSN), kết nối các kênh thoại và truyền dữ liệu với mạng ngoài thông qua các trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động cổng (GMSC) và nút chuyển mạch gói cổng (GGSN) Để kết nối trung tâm chuyển mạch kênh với các mạng ngoài như ISDN và PSTN, cần có phần tử tương tác mạng (IWF) Bên cạnh đó, mạng lõi còn sở hữu các cơ sở dữ liệu quan trọng cho mạng thông tin di động như HLR, AUC và EIR.
Mạng thâm nhập vô tuyến gồm các phần tử sau:
RNC: bộ điều khiển mạng vô tuyến - Đóng vai trò BSC ở mạng GSM
NB: nút B - Đóng vai trò nhƣ BTS ở mạng GSM
TE: thiết bị đầu cuối
Giao diện giữa MSC và RNC là Iu-CS, trong khi giao diện giữa SGSN và RNC là Iu-PS Các RNC kết nối với nhau thông qua giao diện Iur, và giao diện giữa RNC và Nút B là Iub Hệ thống W-CDMA được xây dựng dựa trên cấu trúc hệ thống UMTS, bao gồm các phần tử mạng logic và các giao diện cần thiết.
Mạng viễn thông được chia thành hai phần chính: mạng thâm nhập vô tuyến (RAN) và mạng lõi (CN) Mạng thâm nhập vô tuyến đảm nhận các chức năng liên quan đến tín hiệu vô tuyến, trong khi mạng lõi thực hiện nhiệm vụ chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi và kết nối dữ liệu Để hoàn thiện hệ thống, thiết bị người sử dụng (UE) cũng cần thiết, vì UE là giao diện giữa người sử dụng và hệ thống.
Mang truy nhập vô tuyến
Hình 2.2: Cấu trúc h ệ thống W-CDMA
2.2.1 Mạng thâm nhập vô tuyến (UTRAN)
Cấu trúc mạng thâm nhập vô tuyến UTRAN bao gồm nhiều hệ thống con mạng vô tuyến (RNS), trong đó RNS là một mạng con của UTRAN Mỗi RNS gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) và nhiều Nút B (Node B) Các RNC được kết nối qua giao diện Iur, trong khi các Nút B kết nối với RNC thông qua giao diện Iub.
Hình 1.4 Các phần tử của mạng UMTS
Hình 2.3 : Các phần tử của mạng UMTS
Thanh ghi định vị thường trú (HLR) là một cơ sở dữ liệu quan trọng lưu trữ thông tin về lý lịch dịch vụ của người sử dụng, bao gồm các dịch vụ được phép, vùng không được phép chuyển mạng và thông tin về dịch vụ bổ sung như trạng thái chuyển hướng cuộc gọi Dữ liệu trong HLR không phụ thuộc vào vị trí hiện tại của thuê bao và thường được lưu trữ trên một máy tính độc lập, có khả năng quản lý hàng trăm ngàn thuê bao mà không có chức năng chuyển mạng.
Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động (MSC) và bộ ghi định vị tạm trú (VLR) đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dịch vụ chuyển mạch kênh cho thiết bị người dùng (UE) tại vị trí hiện tại MSC thực hiện các giao dịch chuyển mạch kênh, trong khi VLR lưu giữ thông tin về lý lịch người sử dụng và vị trí của UE với độ chính xác cao hơn so với HLR Khu vực mạng được quản lý thông qua MSC/VLR thường được gọi là vùng chuyển mạch kênh (CS).
Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng (GMSC) có vai trò quan trọng trong việc giao tiếp với mạng bên ngoài Vì lý do này, GMSC được đặt tại điểm kết nối giữa mạng UMTS và mạng chuyển mạch kênh bên ngoài.
IWF (Chức năng tương tác) là một thiết bị quan trọng giúp thích ứng giao thức và truyền dẫn, cho phép mạng W-CDMA kết nối hiệu quả với các mạng khác như mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh (CSPND), mạng PSTN, mạng ISDN và các mạng PLMN khác.
EIR (Equipment Identity Register) là hệ thống quản lý thiết bị người sử dụng (UE) và lưu trữ tất cả dữ liệu liên quan đến UE EIR kết nối với MSC (Mobile Switching Center) và SGSN (Serving GPRS Support Node) qua đường báo hiệu để xác minh tính hợp lệ của thiết bị Những thiết bị không được phép sẽ bị cấm truy cập.
Trung tâm nhận thực (AUC) quản lý thông tin nhận thực và mã hóa liên quan đến từng cá nhân thuê bao thông qua khóa bí mật Quá trình quản lý thuê bao được thực hiện nhờ vào khóa nhận dạng bí mật duy nhất cho mỗi thuê bao, khóa này được lưu giữ vĩnh viễn và bảo mật trong bộ nhớ của thiết bị người dùng (UE).
Node hỗ trợ GPRS, hay còn gọi là SGSN, đóng vai trò quan trọng trong việc định tuyến gói tin đến và từ một vùng dịch vụ nhất định Nó phục vụ tất cả các thuê bao sử dụng dịch vụ gói trong khu vực của mình Tùy thuộc vào vị trí của thuê bao, bất kỳ SGSN nào trong mạng phục vụ đều có thể kết nối với thuê bao đó Khu vực mạng mà SGSN quản lý thường được gọi là vùng PS.
GGSN (Gateway GPRS Support Node) là nút hỗ trợ GPRS kết nối với các mạng bên ngoài như Internet và mạng X.25 Nó hoạt động như một bộ định tuyến, cho phép dữ liệu từ mạng ngoài truy cập vào mạng W-CDMA Khi GGSN nhận dữ liệu với địa chỉ của người sử dụng, nó sẽ kiểm tra tính hợp lệ; nếu địa chỉ hợp lệ, GGSN sẽ chuyển dữ liệu đến SGSN tương ứng để phục vụ cho thiết bị người dùng (UE) Ngược lại, nếu địa chỉ không hợp lệ, dữ liệu sẽ bị loại bỏ GGSN đảm bảo rằng các gói tin từ UE được định tuyến chính xác đến mạng đích.
2.2.3 Thiết bị người sử dụng (UE)
Thiết bị người sử dụng (UE) là thiết bị duy nhất mà người dùng thường xuyên tiếp xúc trong hệ thống, có thể là thiết bị trong ô tô, xách tay hoặc cầm tay Trong đó, thiết bị cầm tay là phổ biến nhất Ngoài chức năng vô tuyến và xử lý giao diện, UE còn cần cung cấp các giao diện với người sử dụng như micro, loa, màn hình và bàn phím Hiện nay, các nhà sản xuất đang nỗ lực phát triển các thiết bị đầu cuối gọn nhẹ để kết nối với thiết bị người sử dụng, với nhiều lựa chọn mở cho các nhà sản xuất Thiết bị người sử dụng bao gồm hai phần chính.
Thiết bị di động (ME): là đầu cuối vô tuyến đƣợc sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu
Modul nhận dạng thiết bị UMTS (USIM) là một thẻ thông minh quan trọng, chứa thông tin nhận dạng thuê bao để thực hiện các thuật toán xác thực Nó lưu trữ các khoá nhận thực và thông tin thuê bao cần thiết cho thiết bị đầu cuối.
Công nghệ đa truy nhập W – CDMA
WCDMA là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng, được sử dụng cho giao diện vô tuyến trong hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (UMTS) Các thông số nổi bật của WCDMA bao gồm khả năng cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao, hỗ trợ nhiều người dùng cùng lúc và tính năng quản lý băng thông hiệu quả.
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là một hệ thống truyền thông sử dụng công nghệ trải phổ phân chia theo mã, cho phép truyền tải thông tin với tốc độ cao lên đến 2Mbps Hệ thống này hoạt động bằng cách trải các bit dữ liệu người dùng ra trên một băng tần rộng thông qua việc nhân với các bit giả ngẫu nhiên, được gọi là chip, xuất phát từ các mã CDMA Để đạt được tốc độ bit cao, WCDMA cần áp dụng các kết nối đa mã và hệ số trải phổ khác nhau.
WCDMA có tốc độ chip 3.84 Mcps, dẫn đến băng thông sóng mang xấp xỉ 5MHz, được coi là hệ thống băng rộng Băng thông rộng này hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao và cải thiện hiệu suất, bao gồm khả năng phân tập đa đường Các nhà vận hành mạng có thể sử dụng nhiều sóng mang 5MHz để tăng dung lượng, thông qua việc áp dụng các lớp tế bào phân cấp Khoảng cách giữa các sóng mang có thể được điều chỉnh trong khoảng 200KHz, tùy thuộc vào mức độ nhiễu giữa các sóng mang trong khoảng 4.4 – 5MHz.
WCDMA hỗ trợ đa dạng tốc độ dữ liệu cho người dùng, đáp ứng tốt yêu cầu băng thông theo nhu cầu (BoD) Mỗi người dùng được cấp khung thời gian 10ms, trong khi tốc độ sử dụng dữ liệu được duy trì ổn định.
WCDMA hỗ trợ hai chế độ hoạt động cơ bản: FDD (Frequency Division Duplex) và TDD (Time Division Duplex) Trong chế độ FDD, sử dụng hai tần số sóng mang 5MHz khác nhau cho đường lên và đường xuống Ngược lại, trong chế độ TDD, chỉ có một sóng mang 5MHz được sử dụng, chia sẻ miền thời gian cho cả hai đường lên và xuống.
WCDMA hỗ trợ hoạt động của các trạm gốc dị bộ
WCDMA sử dụng kỹ thuật tách sóng kết hợp cho cả đường lên và đường xuống, nhờ vào kênh hoa tiêu, giúp tăng cường dung lượng tổng thể và mở rộng vùng phủ sóng của đường lên.
Các thông số chính của WCDMA đƣợc liệt kê trong bảng 2.1
Phương thức đa truy nhập DS-CDMA
Phương thức song công FDD/TDD
Việc đồng bộ trạm gốc Hoạt động không đồng bộ
Ghép các dịch vụ Nhiều dịch vụ với yêu cầu chất lượng khác nhau được ghép xen trên một kết nối
Khái niệm đa tốc độ Hỗ trợ tốc độ trải phổ khác nhau và đa mã
Tách song Tách sóng kết hợp sử dụng đại diện kênh pilot hoặc kênh pilot chung
Tách sóng nhiều người sử dụng, các Anten thông minh Được hỗ trợ bởi các chuẩn, tuỳ chọn trong quá trình thực thi
Bảng 2.1 : Các thông số chính của WCDMA
2.3.1 Đa truy nhập phân chia theo mã
Phương pháp đa truy cập CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho phép nhiều người dùng cùng chiếm một kênh vô tuyến để thực hiện cuộc gọi mà không lo gây nhiễu lẫn nhau Mỗi người dùng được phân biệt bằng một mã đặc trưng duy nhất Kênh vô tuyến CDMA được tái sử dụng trong từng cell của mạng, với các kênh này cũng được phân biệt nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (PN).
Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz
Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp
Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA,TDMA
Việc các thuê bao MS trong cell chia sẻ tần số giúp đơn giản hóa thiết bị truyền dẫn vô tuyến, cho phép thay đổi kế hoạch tần số dễ dàng Điều này làm cho việc chuyển giao trở nên linh hoạt và việc điều khiển dung lượng cell cũng trở nên hiệu quả hơn.
Hình 2.4 chỉ ra một ví dụ làm thế nào 3 người sử dụng có thể truy nhập đồng thời trong một hệ thống CDMA
Tại bên thu, người sử dụng sẽ giải mã tín hiệu thông tin của mình thành tín hiệu băng hẹp, không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu của người khác Do sự tương quan chéo giữa mã của người sử dụng và mã của người khác rất thấp, quá trình tách sóng kết hợp chỉ cung cấp năng lượng cho tín hiệu mong muốn và một phần nhỏ cho tín hiệu của người khác, đảm bảo chất lượng băng tần thông tin.
Nguyên lý của đa truy nhập trải phổ mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống CDMA, bao gồm hiệu suất phổ cao và dung lượng mềm Tuy nhiên, để đạt được những lợi ích này, cần áp dụng kỹ thuật điều khiển công suất nghiêm ngặt và chuyển giao mềm, nhằm ngăn chặn tín hiệu của người dùng này làm nhiễu thông tin của người dùng khác.
2.3.2 Trải phổ và các mã trải phổ
Trải phổ là quá trình sử dụng mã độc lập với dữ liệu nhằm tăng băng tần tín hiệu và chống nhiễu, thực hiện qua các mã định kênh Các mã định kênh giúp phân biệt truyền dẫn từ các nguồn khác nhau, như kết nối đường xuống và kênh vật lý đường lên của UE Mã định kênh được coi là các mã hệ số trải phổ khả biến trực giao (OVSF), cho phép thay đổi hệ số trải phổ và đảm bảo tính trực giao giữa các mã có độ dài khác nhau Các mã định kênh Cch,SF,k được chọn từ cây mã, với cấu trúc cây mã được minh họa trong hình 1.13 Việc sử dụng đúng cây mã khi kết nối với hệ số trải phổ khả biến cho phép giải trải phổ hiệu quả với hệ số nhỏ nhất, chỉ cần chọn mã từ nhánh chỉ định bởi mã có hệ số trải phổ nhỏ nhất.
Hình 2.5: Cấu trúc cây của mã định kênh
Các mã định kênh đƣợc tạo ra theo các biểu thức sau:
Cch,1,0 = (1) [Cch,2,0] = [Cch,1,0 Cch,1,0] = (1,1) [Cch,2,1] = [Cch,1,0 -Cch,1,0] = (1,-1) [Cch,2(n+1),0] = [Cch,2(n),0 Cch,2(n),0]
Mã ngẫu nhiên hoá được áp dụng để phân biệt các đường truyền dẫn từ những người sử dụng khác nhau Để phân biệt các ô, các mã ngẫu nhiên hoá cụ thể sẽ được sử dụng nhằm đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình truyền tải dữ liệu.
+ Chế độ FDD: các mã Gold với chu kỳ 10 ms (38400 chip ở 3,84 Mcps) đƣợc sử dụng với độ dài mã bằng 218-1 chip
Chế độ TDD sử dụng mã ngẫu nhiên hoá dài 16 chip để phân biệt các UE Các họ mã ngẫu nhiên hoá cụ thể được áp dụng nhằm đảm bảo tính duy nhất và hiệu quả trong việc nhận diện.
+ Chế độ FDD: các mã Gold với chu kỳ 10 ms hoặc các mã S(2) có chu kỳ
+ Chế độ TDD: các mã có chu kỳ 16 chip cùng với chuỗi chèn giữa có độ dài phụ thuộc môi trường
2.3.3 Điều khiển công suất Điều khiển công suất là một công việc quan trọng trong tất cả các hệ thống di động Mục tiêu c ủa điều khi ển công suất bao gồm:
Khắc phục hiệu ứng gần-xa trên đường lên
Tối ƣu dung lƣợng hệ thống bằng việc điều khiển nhiễu
Làm tăng tối đa tuổi thọ pin của đầu cuối di động
Hiệu ứng xa – gần trên đường lên trong hệ thống WCDMA cho thấy tín hiệu từ các MS khác nhau được truyền đồng thời trong cùng băng tần Thiếu điều khiển công suất, tín hiệu từ MS gần BS có thể chặn tín hiệu từ MS xa hơn, và trong trường hợp xấu nhất, một MS có công suất quá lớn có thể làm tê liệt toàn bộ cell Để khắc phục tình trạng này, cần áp dụng điều khiển công suất nhằm đảm bảo rằng các tín hiệu từ các đầu cuối khác nhau có cùng công suất hoặc tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) khi đến BS.
Hình 2.6: Hiệu ứng gần-xa (điều khiển công suất trên đường lên)
Kết luận chương
Chương này đã trình bày các tính chất và dịch vụ của mạng 3G, cùng với các kỹ thuật áp dụng trong WCDMA Dựa trên những thông tin này, quy hoạch mạng WCDMA sẽ được thực hiện Quy trình quy hoạch mạng WCDMA sẽ được giới thiệu trong chương tiếp theo.
Nghiên cứu quy hoạch mạng 3G đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hạ tầng viễn thông hiện đại Mạng 3G cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao, giúp nâng cao trải nghiệm người dùng và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về kết nối di động Việc quy hoạch hợp lý mạng 3G không chỉ tối ưu hóa tài nguyên mà còn đảm bảo chất lượng dịch vụ cho người tiêu dùng Thông qua việc áp dụng các công nghệ tiên tiến và chiến lược phát triển bền vững, quy hoạch mạng 3G sẽ góp phần thúc đẩy nền kinh tế số và cải thiện khả năng cạnh tranh của quốc gia trên thị trường toàn cầu.
Học viên : Trần Thị Hằng K15Đ2 ĐH Công Nghệ - ĐH Quốc Gia Hà Nội
QUY HOẠCH MẠNG 3G
Giới thiệu chung
Quá trình quy hoạch mạng vô tuyến WCDMA đa dịch vụ nhằm tối ưu hóa dung lượng, chất lượng và vùng phủ sóng Quy hoạch này yêu cầu xác định lưu lượng, QoS và mật độ site phù hợp Ngoài ra, ảnh hưởng của việc điều khiển công suất nhanh, đặc biệt trong trường hợp di chuyển chậm của thiết bị di động, cũng cần được phân tích để đảm bảo hiệu quả trong việc định cỡ và quy hoạch mạng.
Quá trình quy hoạch mạng vô tuyến WCDMA bao gồm:
- Hoạch định dung lƣợng và vùng phủ chi tiết
Quá trình quy hoạch mạng được minh họa trong hình vẽ 3.1, bao gồm các pha khác nhau cùng với các đầu vào và đầu ra tương ứng Khởi đầu cho quá trình này có thể xuất phát từ một số sự kiện nhất định.
Các yêu cầu vùng phủ
Kiểu vùng, mô hình truyền sóng vô tuyến Đầu vào
Suy hao đường truyền cho phép
Quy hoạch dung lƣợng và vùng phủ
Hiển thị hiệu năng mạng
Tối ƣu hoá Định cỡ - Sơ bộ số trạm gốc
- Phân tích chất lƣợng phục vụ Điều chỉnh thông số RRM
Kết quả đo hiệu năng mạng Đầu ra
Hình 3.1: Quá trình quy hoạch mạng vô tuyến cho hệ thống thông tin di động thế hệ ba
Các chỉ tiêu kỹ thuật dưới mức mục tiêu được thiết lập
Sự thay đổi trong chiến lƣợc kinh doanh
Phát triển các dịch vụ mới
Sự thay đổi về quyền ƣu tiên các dịch vụ
Sự thay đổi trong quyền ƣu tiên của khách hàng.
Quá trình quy hoạch mạng
Giai đoạn định kích cỡ là quá trình dự tính số lượng trạm và cấu hình các phần tử mạng dựa trên yêu cầu của nhà khai thác trong khu vực Định kích cỡ cần đáp ứng các yêu cầu về vùng phủ, dung lượng và chất lượng dịch vụ Quy hoạch dung lượng và vùng phủ cần được xem xét đồng thời, vì chúng có mối quan hệ chặt chẽ trong mạng di động.
Mục tiêu của việc định cỡ mạng là tính toán mật độ và cấu hình site cho các vùng phủ quan tâm Quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến (RAN) bao gồm các hoạt động như tính toán quỹ liên kết vô tuyến (RLB), phân tích vùng phủ, đánh giá dung lượng, và tính toán tổng số thiết bị phần cứng trạm gốc, các site, bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC), cùng với các thiết bị tại các giao diện khác nhau và phần tử mạng lõi Định cỡ mạng WCDMA là quá trình quy hoạch ban đầu, giúp xác định cấu hình mạng và tổng số thiết bị dựa trên yêu cầu của nhà vận hành mạng, bao gồm các đặc điểm cụ thể của hệ thống.
Thông tin về loại vùng phủ sóng
Dự đoán sự tăng trưởng số thuê bao
Thông tin mật độ lưu lượng
- Chất lƣợng dịch vụ (QoS):
Xác suất vị trí các vùng (khả năng phủ sóng)
- Thông lượng người sử dụng đầu cuối
Quá trình phân tích vùng phủ sóng vô tuyến bao gồm khảo sát các địa điểm cần được phủ sóng và xác định kiểu vùng phủ phù hợp Các loại vùng phủ thường gặp bao gồm khu vực thương mại, khu dân cư có mật độ dân số cao và các tuyến đường cao tốc chính Để thực hiện phân tích này, cần thu thập thông tin chi tiết về các vùng cần phủ sóng, dựa trên bản đồ thể hiện mật độ dân cư, phân loại khu vực như thành phố, ngoại ô, nông thôn, cũng như xác định các khu thương mại, du lịch và công nghiệp.
Mục đích của quá trình khảo sát này bao gồm:
Để đảm bảo cung cấp một dung lƣợng phù hợp cho các vùng này
Đặc điểm truyền sóng của vùng là yếu tố quan trọng để xác định môi trường truyền sóng, vì mỗi loại môi trường sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến mô hình truyền sóng.
Thông thường quy hoạch vùng phủ sóng WCDMA thường quan tâm đến các loại hình phủ sóng sau:
Vùng phủ sóng đô thị đông đúc đặc trưng bởi sự tập trung dân cư cao với nhiều nhà cao tầng, chung cư, trung tâm mua sắm, văn phòng và các khu giải trí, nhà ga, tàu điện Trong khi đó, khu vực đô thị có sự kết hợp giữa đường phố và cây xanh, với các tòa nhà cao tầng được bố trí cách xa nhau, tạo ra không gian sống thoải mái hơn.
Khu ngoại ô với các nhà vườn và công viên, khu nghỉ dƣỡng…
Nông thôn (Rural) Khu vực nông thôn với mật độ dân cƣ thƣa thớt
Bảng3.1 : Các loại hình phủ sóng phổ biến
Mức độ phủ sóng di động phụ thuộc vào loại môi trường, với các khu vực ngoại ô và thành phố cần cung cấp vùng phủ trong nhà, trong khi các khu vực có đường cao tốc chỉ yêu cầu vùng phủ trong xe Ngoài ra, các vùng phủ ngoài trời cũng cần được xem xét cho các khu vực khác Đối với hệ thống GSM, việc khảo sát các yếu tố này giúp thiết kế vùng phủ sóng hiệu quả Tuy nhiên, đối với hệ thống WCDMA, một yếu tố quan trọng là xác định vùng phủ theo dịch vụ, do đó cần xem xét các loại dịch vụ có sẵn trong khu vực Hệ thống WCDMA hỗ trợ đa truy nhập dịch vụ với cấu trúc đa kênh, cho phép cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau, trong đó có một số dịch vụ chính thường được sử dụng.
Bảng 3.2 trình bày các loại dịch vụ chính của WCDMA, trong đó mỗi loại dịch vụ có bán kính phục vụ tương ứng, phụ thuộc vào mã trải phổ, công suất phát cực đại và chất lượng dịch vụ yêu cầu Bán kính phục vụ sẽ khác nhau tùy theo khu vực và dự báo nhu cầu sử dụng dịch vụ Hình dưới đây mô tả bán kính tối đa của các loại dịch vụ trong trường hợp sử dụng liên tục.
Hình 3.2: Vùng phủ sóng của cell theo các loại dịch vụ khác nhau
Thông tin về vùng phủ sẽ được sử dụng để chuẩn bị quy hoạch vùng phủ ban đầu Trước khi tiến hành quy hoạch, cần chú trọng đến quỹ đường truyền vô tuyến, vì quỹ này đặc trưng cho từng loại dịch vụ Mỗi dịch vụ yêu cầu một quỹ đường truyền nhất định để đảm bảo đáp ứng các yêu cầu cần thiết.
Quỹ đường truyền vô tuyến trong hệ thống WCDMA được sử dụng để tính toán suy hao tín hiệu, từ đó xác định vùng phủ và bán kính của trạm gốc và trạm di động Các thành phần chính trong việc tính toán suy hao cho phép lớn nhất từ trạm phát đến trạm thu được gọi là quỹ đường truyền Quỹ đường truyền tổng quát bao gồm các yếu tố cho cả đường lên và đường xuống.
Kiểu kênh Dịch vụ hỗ trợ
PS 384K Email, Web ,Video Streaming, Mobil
(a) Công suất máy phát (dBm):
Công suất máy phát trung bình trên một kênh lưu lượng (dBm) là giá trị trung bình của công suất phát tổng trong một chu trình truyền dẫn, bắt đầu từ công suất phát cực đại.
(a2) Công suất máy phát cực đại trên một kênh lưu lượng (dBm): công suất tổng cộng tại đầu ra của máy phát cho một kênh lưu lượng đơn
(a3) Công suất máy phát tổng cộng cực đại (dBm): tổng công suất phát cực đại của tất cả các kênh
(b) Tổn hao do ghép, giắc cắm và do cáp(máy phát) (dB):
Suy hao tổng cộng của tất cả các thành phần của hệ thống truyền dẫn giữa đầu ra của máy phát và đầu vào anten
(c) Tăng ích anten phát (dBi) :
Tăng ích cực đại của anten phát trong mặt phẳng ngang (xác định theo dB so với một vật phát xạ đẳng hướng)
(d) EIRP của máy phát (dBm):
EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power) của máy phát trên một kênh lưu lượng được tính bằng tổng công suất đầu ra máy phát (dBm), trừ đi các suy hao trong hệ thống truyền dẫn (dB) và cộng với tăng ích anten máy phát (dBi) theo hướng bức xạ cực đại.
EIRP của máy phát được tính bằng tổng công suất của tất cả các kênh (dBm), trừ đi các suy hao do hệ thống truyền dẫn (-dB), và cộng với tăng ích anten phát (dBi).
(e) Tăng ích anten thu (dBi):
Tăng ích tối đa của anten thu trong mặt phẳng ngang; nó đƣợc xác định theo dB so với một vật phát xạ đẳng hướng
(f) Tổn hao do bộ chia, đầu nối và do cáp (Máy thu) (dB) :
Bao gồm các tổn hao của tất cả các thành phần trong hệ thống truyền dẫn giữa đầu ra của anten thu và đầu vào của máy thu
(g) Hệ số tạp âm máy thu (dB) :
Hệ số tạp âm của hệ thống thu tại đầu vào máy thu
(h) (H) Mật độ tạo âm nhiệt, N 0 (dBm/Hz) :
Công suất tạp âm trên một Hz tại đầu vào máy thu Lưu ý rằng (h) là đơn vị logarit còn (H) là theo đơn vị tuyến tính
(i) (I) Mật độ nhiễu máy thu I 0 (dBm/Hz):
Công suất nhiễu trên một Hz tại đầu vào máy thu tương ứng với tỷ số công suất nhiễu trong dải băng tần Lưu ý rằng (i) được tính theo đơn vị logarit và (I) theo đơn vị tuyến tính Mật độ nhiễu máy thu I0 cho đường xuống là công suất nhiễu trên một Hz tại máy thu MS, nằm ở biên giới vùng phủ sóng trong một cell phía trong.
(j) Mật độ tạp âm nhiễu hiệu dụng tổng cộng (dBm/Hz) :
Tổng logarit của mật độ tạp âm máy thu và hệ số tạp âm máy thu cộng số học với mật độ nhiễu máy thu
(k) Tốc độ thông tin (10log 10 (R b )) (dBHz):
Tốc độ bit của kênh theo (dBHz); việc lựa chọn Rb phải phù hợp với các giả thiết E b
(l) Tỷ số E b /(N 0 +I 0 ) yêu cầu (dB) :
Tỷ số giữa năng lượng thu được của một bit thông tin và mật độ công suất nhiễu cùng tạp âm hiệu dụng là yếu tố quan trọng để đảm bảo đạt được các mục tiêu về chất lượng.
(m) Độ nhạy máy thu (j+k+l) (dBm):
Mức tín hiệu cần đạt đƣợc tại đầu vào máy thu để có đƣợc tỷ số
(n) Độ lợi/ Suy hao chuyển giao (dB): Độ lợi/suy hao (÷) do việc chuyển giao để duy trì độ tin cậy cụ thể tại biên giới cell
(o) Tăng ích (độ lợi) phân tập (dB):
Tăng ích hiệu dụng có thể đạt được thông qua việc áp dụng các kỹ thuật phân tập Nếu tăng ích phân tập đã được tính trong E b /(N0+I0), thì không cần phải tính thêm ở đây.
(o’) Các tăng ích khác (dB) :
Các tăng ích phụ, ví dụ nhƣ đa truy nhập phân tập theo không gian có thể tạo thêm tăng ích anten
Giải thuật PAM (Partition Around Mediods)
Các thuật toán PAM, hay còn gọi là K-medoids, đại diện cho một cụm thông qua một medoid Đầu tiên, số lượng cụm mong muốn được xác định và một tập hợp ngẫu nhiên k medoids được thiết lập Tiếp theo, tại mỗi bước, tất cả các điểm dữ liệu không phải là medoids hiện tại sẽ được kiểm tra để xác định xem có thể thay thế một trong các medoids hiện tại hay không Thuật toán này giúp xác định liệu có một điểm dữ liệu nào nên trở thành medoid mới.
Thuật toán lựa chọn các cặp đối tượng medoids-nonmedoids nhằm cải thiện chất lượng tổng thể của cụm bằng cách xem xét và trao đổi các cặp này Chất lượng được đo bằng tổng trọng số từ đối tượng không medoid đến medoid trong cùng một cụm Đại lượng A được gán cho nhóm đại diện bởi các medoid mà nó gần gũi nhất, dựa trên khoảng cách Euclide tối thiểu giữa khách hàng và trung tâm của cụm.
Các thuật toán PAM (Partitioning Around Medoids) được mô tả như sau: Giả định rằng Ki là nhóm đại diện medoid ti Khi ti là medoid hiện tại, mục tiêu là xác định xem có nên trao đổi với một medoid khác hay không Việc trao đổi chỉ được thực hiện khi tổng chi phí (tổng các trọng số đến medoids trong cụm) được cải thiện Tác động đến chất lượng tổng thể của việc thay đổi medoid được thể hiện qua chỉ số TC.
Các giải thuật PAM yêu cầu xác định số lượng cụm (k) trước khi tiến hành tìm kiếm các địa điểm tối ưu cho BS Để xác định k ban đầu, các thuật toán M-PAM áp dụng các giải thuật quy hoạch mạng vô tuyến Ngoài ra, M-PAM còn sử dụng phương trình đã nêu để tính toán TC.
PAM (Partitioning Around Medoids) là một giải thuật cổ điển trong phân tích cơ sở dữ liệu, được sử dụng để phân nhóm các thành phần dữ liệu thành các cụm (cluster) một cách hiệu quả Mục tiêu chính của giải thuật này là sắp xếp dữ liệu sao cho các nhóm hình thành đáp ứng các tiêu chí cụ thể, giúp tối ưu hóa việc phân tích và khai thác thông tin trong cơ sở dữ liệu.
Các dữ liệu có sự tương đồng với nhau thì được đưa vào một nhóm
Các dữ liệu trong các nhóm khác nhau thì có sự khác biệt rõ rệt với nhau
Giải thuật PAM có thể đƣợc dùng làm:
Phương pháp chính để phân tích sự phân bố của dữ liệu
Làm bước tiền xử lý dữ liệu cho một giải thuật khác
Dữ liệu vào : D = t 1 , t 2 t n // Tập hợp các thành phần
A // Ma trận chỉ ra khoảng cách giữa các thành phần k // Số Cluster mong muốn
Dữ liệu ra : k // Tập các Cluster
Tự động chọn k medoids từ D
Khái niệm khoảng cách trong PAM Khoảng cách là khái niệm được dùng để tính toán mức độ tương đồng hay khác biệt giữa các dữ liệu
Một trong những khoảng cách nổi tiếng là khoảng cách Minkowski j d i , = x i 1 x j 1 q x i 2 x j 2 q x ip x jp q q 1
Với x i 1 ,x i 2 ,x ip và x j 1 ,x j 2 ,x jp là các tính chất của 2 điểm dữ liệu x i và x j , q là một số nguyên dương
Nếu q = 1 ta có khoảng cách Manhattan: j d i , = x i 1 x j 1 x i 2 x j 2 x ip x jp
Nếu q = 2 ta có khoảng cách Euclidean j d i , = x i 1 x j 1 2 x i 2 x j 2 2 x ip x jp 2 1 2
4.2.2 Giải thuật M-PAM (Modified – PAM)
Giải thuật M – PAM là một cải tiến của giải thuật PAM truyền thống, trong đó sử dụng phương pháp quy hoạch mạng viễn thông để xác định tham số k, điều này khác biệt với PAM khi yêu cầu xác định tham số k trước khi thực hiện giải thuật.
Giải thuật con dùng để xác định tham số k
Sử dụng giải thuật trong quy hoạch GSM giúp xác định số lượng cell cần thiết dựa trên quy hoạch vùng phủ và quy hoạch dung lượng Việc áp dụng các giải thuật này không chỉ tối ưu hóa việc phân bổ tài nguyên mà còn đảm bảo hiệu quả trong việc đáp ứng nhu cầu sử dụng của người dùng Hệ thống GSM cần tính toán chính xác để đạt được sự cân bằng giữa vùng phủ sóng và khả năng phục vụ, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ và trải nghiệm người dùng.
k1= Số lƣợng cell theo quy hoạch vùng phủ = (tổng diện tích khu vực)/(diện tích của mỗi cell)
k2 = Số lƣợng cell theo quy hoạch dung lƣợng = (tổng số thuê bao trên khu vực)/(số thuê bao mà mỗi cell phục vụ)
k = Max(k1, k2) Cách tính diện tích khu vực và số thuê bao mà mỗi cell phục vụ (tham khảo chương trên)
Bước 1: ta phải xác định số lƣợng lƣợng cell mong muốn (k) Bước 2: chọn ngẫu nhiên k điểm dùng để làm medoid
Bước 3: phân phối các non – medoid cho các medoid, một non – medoid chỉ phụ thuộc vào 1 medoid duy nhất, và đó là medoid gần nó nhất
Bước 4: tính toán giá trị TC lần đầu tiên (tổng độ dài liên kết của các medoid đến các non – medoid của nó)
k medoid n i j i current j medoid non medoid dis
Quá trình lặp (nhằm chọn ra những điểm nào thích hợp nhất để làm medoid):
Sử dụng 2 vòng lặp for lồng vào nhau để chọn trường hợp kiểm tra
Kiểm tra từng cặp medoid, non – medoid; thay đổi tính chất của chúng:
Tiến hành lại các bước 3, 4 Tính lại các giá trị TC i , j cho các trường hợp
Tìm cặp i,j sao cho giá trị TC i , j là nhỏ nhất
Tiến hành so sánh: Nếu TC i , j < TC current thì ta sẽ chấp nhận sự thay đổi này
Lặp lại quá trình lặp trên, điều kiện để kết thúc vòng lặp là: j
Sau khi xác định trường hợp tối ưu, chúng ta tiến hành phân phối các non-medoid theo các medoid đã chọn và hiển thị kết quả Vị trí của các medoid sẽ là điểm tham khảo quan trọng cho các bác sĩ.
4.2.3 Giải thuật CWN-PAM (Clustering with Weighted Node – PAM)
Giải thuật CWN – PAM được phát triển dựa trên giải thuật M – PAM, với việc điều chỉnh công thức TC để phù hợp với các ràng buộc về dung lượng trong hệ thống viễn thông.
WTC = , ( , j ) k medoid n i i j i dis medoid non medoid
Tham số L i j là tải lưu lượng theo hướng (i,j)
Giải thuật CWN – PAM cung cấp hai phương pháp tối ưu hóa kết quả tính toán khi kết quả không đáp ứng được các ràng buộc trong mạng viễn thông.
Bán kính cell thu đƣợc lớn hơn bán kính cell tham khảo trong bài toán quy hoạch vùng phủ
Lưu lượng phục vụ của cell thu được hơn lưu lượng phục vụ của cell theo bài toán quy hoạch tần số
Bước 1: ta phải xác định số lƣợng lƣợng cell mong muốn (k) Bước 2: chọn ngẫu nhiên k điểm dùng để làm medoid
Bước 3: phân phối các non – medoid cho các medoid, một non – medoid chỉ phụ thuộc vào 1 medoid duy nhất, và đó là medoid gần nó nhất
Bước 4: tính toán giá trị WTC lần đầu tiên current
WTC = , ( , j ) k medoid n i i j i dis medoid non medoid
Quá trình lặp (nhằm chọn ra những điểm nào thích hợp nhất để làm medoid):
Sử dụng 2 vòng for lồng vào nhau để chọn trường hợp kiểm tra
Kiểm tra từng cặp medoid, non – medoid; thay đổi tính chất của chúng:
Tiến hành lại các bước 3, 4 Tính lại các giá trị WTC i , j cho các trường hợp
Tìm cặp i,j sao cho giá trị WTC i , j là nhỏ nhất
Tiến hành so sánh: Nếu WTC i , j < WTC current thì ta sẽ chấp nhận sự thay đổi này
Lặp lại quá trình lặp trên, điều kiện để kết thúc vòng lặp là: j
- Bán kính của cell theo bài toán quy hoạch vùng phủ: R 0
- Dung lƣợng phục vụ của cell bài toán quy hoạch tần số: C 0
- R i và C i theo kết quả của giải thuật lần lƣợt cho các cell k i1
- Nếu (R i >R 0 ) hoặc C i > R 0 ta sẽ phải tiến 1 trong 2 phương án bổ sung sau:
1) Phương án 1: tăng số cell mong muốn lên (k = k +1)sau đó tiến hành quy hoạch lại từ đầu
2) Phương án 2: tiến hành phân chia cell i thành 2 cell con Giữ nguyên các cell đã đạt tiêu chuẩn
Lặp lại các bước tối ưu cho đến khi tất cả các cell đều thỏa mãn điều kiện
4.2.4 So sánh giải thuật M –PAM và CWN – PAM
Xét công thức của 2 giải thuật:
k medoid n i j i j medoid non medoid dis
WTC = , ( , j ) k medoid n i i j i dis medoid non medoid
Trong giải thuật CWN-PAM, vị trí medoids tập trung vào các điểm có tải trọng lớn, điều này cho thấy rằng trạm gốc nên được đặt tại những khu vực có mật độ thuê bao cao Trong quy hoạch mạng, ban đầu sử dụng các cell vô hướng omni cell, nhưng khi lưu lượng tăng, cần chuyển sang sử dụng anten sector và chia cell để nâng cao khả năng phục vụ Nếu các vị trí BTS gần khu vực có mật độ thuê bao cao, việc chia cell sẽ giúp tải được phân phối đồng đều cho các cell mới Tuy nhiên, trong trường hợp tải phân phối đồng đều, cả hai phương pháp đều có hiệu quả tương đương.
Áp dụng quy hoạch vùng phủ sóng tỉnh Thái Bình
Khảo sát bản đồ địa lý và dân cư các phường của thành phố Thái Bình được thực hiện thông qua việc thu thập dữ liệu từ mạng "Google Maps", như minh họa trong hình dưới đây.
Hình 4.1: Sơ đồ thành phố Thái Bình và lân cận theo Google map
4.3.2 Các số liệu đƣợc thống kê trong khu vực khảo sát
Tiến hành quy hoạch 4 phường thành phố Thái Bình (theo bản đồ hình 4.1) với diện tích và dân số thống kê nhƣ sau:
Bảng 4.1: Các số liệu ƣớc định:
STT Phường Dân số Diện tích
Mật độ dân số/km 2
4.3.3 Quy hoạch vùng phủ sóng 4.3.3.1 Số hoá bản đồ
Dựa trên bản đồ, chúng tôi vẽ các hình vuông theo các con đường và chọn những điểm mong muốn để trở thành các trạm cơ sở (BS) trong mạng thông tin di động của thành phố.
Hình 4.2: Số hóa bản đồ thành phố Thái Bình
Tập hợp các điểm được chọn là các mediods, trong khi các non-mediods được tách ra thành tập dữ liệu bản đồ số Dữ liệu sử dụng cho thuật toán bao gồm tọa độ các điểm trên bản đồ, chứa thông tin về khoảng cách đến các nút lân cận (tính bằng km) và mật độ dân cư (dân cư/km²) Dựa vào diện tích và dân cư theo bảng 4.1, bản đồ có thể được chia thành 4 vùng như thể hiện trong hình 4.3.
Hình 4.3: Bản đồ số thành phố Thái bình và phụ cận
Tính toán số BS dựa trên vùng phủ
Khi tính toán, cần sử dụng sector cell với yêu cầu vùng phủ đạt 95% cho khu vực đô thị Bán kính của sector cell được xác định là R = 2,6 km, và diện tích của sector cell cũng cần được tính toán chính xác.
S = k R 2 S = 1,95.(2,6) 2 = 13,17 km 2 Trong đó : K tham khảo bảng giá trị sau:
Cấu hình trạm Ommi 2 – Sector 3 – Sector 4 – Sector
Số cell cần thiết để đảm bảo yêu cầu vùng phủ là : k 1 = (tổng diện tích khu vực)/diện tích mỗi cell = 0,497
Tính toán số BS dựa trên yêu cầu về dung lƣợng
Dân số của khu vực cần khảo sát theo bảng trên : 34117 Số thuê bao thực tế chiếm khoảng 65% 65%*34117 = 22176 (thuê bao)
Số thuê bao dự đoán cho mỗi nhà mạng là :
= 7392 (giả sử có 3 nhà cung cấp)
Giả sử sử dụng mẫu tái sử dụng 4/12, nghĩa là tần số được chia thành 12 nhóm trong 4 vị trí trạm gốc Mỗi cell có kênh lưu lượng 30TCH với GoS 1%, cho phép cung cấp 20,337 Erlang theo bảng Erlang Nếu mỗi thuê bao chiếm 0,033 Erlang, mỗi cell có khả năng phục vụ một số lượng thuê bao nhất định.
Mỗi sector cell có khả năng phục vụ 616 thuê bao, do đó tổng số thuê bao mà một sector cell có thể quản lý là 616 x 348 Để đảm bảo dung lượng phục vụ, số cell cần thiết được tính bằng công thức k2 = (tổng số thuê bao dự đoán) / (số thuê bao tối đa của mỗi sector cell), với tổng số thuê bao dự đoán là 1848.
Số BS yêu cầu – Công suất phát trung bình cho các BS
Với k = 4 Diện tích trung bình của mỗi sector là S 4
Bán kính trung bình của mỗi sector là 0,915km Theo dự trữ đường xuống :
P inMS =P outBTS – L duplBTS – L fBTS + G aBTS – L slantBTS – L Với : P inMS công suất thu đƣợc ở MS = – 92dBm
L duplBTS : suy hao độ lọc song công = 0,5dB
G aBTS : sử dụng anten định hướng = 17dBi
L : suy hao đường truyền ứng với bán kính cell 915m theo công thức sau:
L = A + Blgf – 13,82lgH b + aH m + (44,9 – 6,55lgH b )logR
Với điều kiện : f = 900MHz, H b = 30m độ cao anten phát aH m = (1,1lgf – 0,7) H m – (1,56lgf – 0,8) (m)
B = 26,16 L = 104,75dB Thay các giá trị vào công thức trên ta tính đƣợc
P outBTS =P inMS +L duplBTS +L fBTS –G aBTS +L slantBTS + L
P outBTS = –92 + 0,5 + 3 – 17 + 3,5 + 104,75 = 2,75dBm Vậy công suất phát trung bình cho các BTS là P outBTS =2,75dBm
Kết quả lựa chọn vị trí của các BTS
Chương trình lựa chọn vị trí trạm BTS sử dụng giải thuật PAM, với các tham số đã được tính toán, cho kết quả như hình 4.4 Vị trí đặt các trạm được xác định dựa trên các tiêu chí tối ưu nhằm đảm bảo hiệu suất và hiệu quả trong việc phục vụ người dùng.
BS theo tính toán đƣợc thể hiện bằng các dấu chấm mầu xanh đậm, vuông
Thành phố Thái Bình và các vùng lân cận được quy hoạch thành 4 phường, mỗi phường được chia thành 4 khu vực (sector) riêng biệt.
Các vị trí của trạm BS được xác định bởi các chấm vuông màu xanh, là những vị trí tối ưu trong số nhiều lựa chọn tham khảo Việc xây dựng trạm BS dựa trên các tiêu chí được đề xuất bởi giải thuật, nhằm đảm bảo hiệu quả và tính khả thi trong quá trình triển khai.
Hình 4.4: Bản đồ quy hoạch mạng thông tin di động thành phố Thái bình
4.3.4 Nhận xét về giải thuật và khả năng áp dụng thực tế
Quy hoạch yêu cầu xử lý một lượng lớn tham số và yếu tố ràng buộc, vì vậy việc áp dụng các giải thuật để phân tích và xử lý dữ liệu là cần thiết Tuy nhiên, để quy hoạch hiệu quả, cần có kinh nghiệm thực tiễn, do đó việc điều chỉnh các giải thuật từ lý thuyết đến thực tiễn là rất quan trọng.
Sau một thời gian nghiên cứu và tìm hiểu giải thuật, ta nhận thấy rằng : để áp dụng các giải thuật tốt hơn trong thực tiễn ta cần:
Để tối ưu hóa việc xử lý dữ liệu, cần có bản đồ chi tiết các con đường, với các giao điểm của quốc lộ là điểm lựa chọn chính Việc tham khảo các bản đồ có ghi rõ phường và quận sẽ giúp dễ dàng xác định tải trọng lưu lượng tại từng điểm.
Chúng ta có thể áp dụng dữ liệu cho các khu dân cư có mật độ cao như tòa nhà lớn, chung cư, trường học, bệnh viện, khu du lịch và trung tâm mua sắm.
Giải thuật có khả năng áp dụng thực tiễn cao, đặc biệt trong việc xây dựng mạng viễn thông cho các khu vực rộng lớn như tỉnh, vùng hoặc miền.
Đối với các mạng đã có sẵn cơ sở hạ tầng và hệ thống trạm BS, việc xây dựng thêm cần xem xét cách bảo quản và cố định các dữ liệu cũ để đảm bảo tính liên tục và ổn định của hệ thống.