Thông tin di động - Chương 3 Mạng tế bào pptx

M ạ ng t ế bào 2 Trong mỗi cell có một trạm gốc BTS – Base Station có chứcnăng kết nối vô tuyến với các thuê bao trạm di ñộng – MS – Mobile Station Sử dụng nhiều tần số sóng mang.. Các

1 M ạ ng t ế bào (Cellular Network) (1)

Ý tưởng từ Bell lab những năm 1950

Thực hiện ñầu tiên vào những năm 1970

Phổ vô tuyến là một nguồn tài nguyên có giới hạn

Làm cách nào ñể quản lý một số lượng lớn user trên

một diện tích rộng lớn với tài nguyên phổ có giới hạn?

Giải pháp là phải chia nhỏ diện tích ñể có thể tái sử

Giải pháp là phải chia nhỏ diện tích ñể có thể tái sử

dụng tần số

Thuật ngữ “Tế bào - cell” là thực hiện chia vùng phục

vụ mặt ñất thành những vùng nhỏ “tế bào - cell”, mỗi

cell này sẽ có 1 anten phát có chiều cao thích hợp và

với công suất thấp

1 M ạ ng t ế bào (2)

Trong mỗi cell có một trạm gốc (BTS – Base Station)

có chứcnăng kết nối vô tuyến với các thuê bao (trạm

di ñộng – MS – Mobile Station)

Sử dụng nhiều tần số sóng mang

Các cell kề nhau sử dụng tần số khác nhau

Thực tế ñường kính cell biến ñổi từ 100m ñến 35km

Thực tế ñường kính cell biến ñổi từ 100m ñến 35km

phụ thuộc vào mật ñộ thuê bao, ñịa hình và công suất

thu phát của trạm gốc

Khi một thuê bao di chuyển từ cell này sang cell khác,

trạm gốc ở cell mới sẽ tiếp quản (handover) thuê bao

này từ trạm gốc ở cell cũ

Chu vi của Cell là 6R

Cell là 1 hình lục giác ñều có chiều dài cạnh là R

2 Cell: Khái ni ệ m chung (2)

Các cell phân thành nhóm gọi là Cluster

Thông thường 1 cluster có 1, 3, 4, 7, 9,… Cell

Vùng bao phủ của 1 cluster gọi là footprint

Cluster ñược lặp lại trong toàn mạng

Các kênh tần số sẽ ñược tái sử dụng trong các cluster

Mỗi cluster sẽ sử dụng toàn bộ phổ tần số của mạng

Mỗi cluster sẽ sử dụng toàn bộ phổ tần số của mạng

Mỗi một Base station ñược cấp phát một nhóm các kênh

ñể sử dụng trong một vùng ñược bao phủ bởi cell

Những BS kề nhau ñược cấp phát các kênh hoàn toàn

khác nhau

Anten của BTS ñược thiết kế sao cho chỉ bao phủ trong

một vùng nhất ñịnh tái sử dụng tần số trong mạng

3 Cluster-Cellular: T ổ ng quát

G ọ i N là s ố cell c ủ a 1

cluster

Gọi D là khỏang cách giữa

Bắt ñầu bằng cell ñầu tiên,

di chuyển i cell theo trục x,

sau ñó j cell theo trục y.

Gọi D là khỏang cách giữa

3 Cluster v ớ i 1 cell

R

3

2 R Khỏang cách giữa 2

cell liền nhau là D= 3 R

3 Cluster v ớ i 3 cell

Khỏang cách giữa 2 cell liền nhau là D=3R

F1F2

F3F1

F2

F1F2

F3F3

F1F2

Cluster

F2

F3F1

F2

F2

F3F1

F3

Cluster

Cluster: Tập hợp các tần số khác nhau sử dụng trong 1

nhóm các cell Cluster lặp lại bằng cách di chuyển i cell

theo trục x, sau ñó j cell theo trục y.

3 Cluster v ớ i 7 Cell

Khỏang cách giữa 2 cell liền nhau là D =

F7

F2F3

F6F5

F3

F4

F2F3

F5

F7

F6

Ví d ụ

1) Tính khỏang cách nhỏ nhất giữa 2 cell sử dụng cùng

băng tần biết cell có bán kính 1Km và hệ số sử dụng N

Vẽ cấu trúc cell với N=9 ?

4 Nhi ễ u trong thông tin di ñộ ng

Trong thông tin di ñộng có các nguồn nhiễu chính sau:

Nhiễu ña ñường

Ảnh hưởng của môi trường

Ảnh hưởng bởi tốc ñộ di chuyển (dropler)

Nhiễu giữa những phone trong cùng một cell

Nhiễu giữa những phone khác cell

Nhiễu giữa những phone khác cell

Những BTS hoạt ñộng ở cùng tần số

4 Nhi ễ u ñồ ng kênh ( Co-channel Interference )

Nhiễu ñồng kênh (Co-channel Interference) là ảnh

hưởng giữa các cell dùng chung tần số.

Với cấu trúc cell hình lục giác, hệ số tái sử dụng ñồng

kênh Q ñược ñịnh nghĩa là:

Q nhỏ: dung lượng cao, Q lớn: chất lượng truyền tốt

Q nhỏ: dung lượng cao, Q lớn: chất lượng truyền tốt

Gọi S là công suất thu từ BTS mong muốn, Ii là công suất

thu từ các BTS ñồng kênh, SIR là tỉ lệ của S/I, ta có:

SIR =

4 Nhi ễ u ñồ ng kênh

R

3

2 R 4.5R

BTS phát công suất như nhau

αααα Là hệ số suy hao theo hàm

mũ 2<αααα<5

Ví d ụ 1

Hệ thống AMPS sử dụng ñiều chế FM có SIR = 18dB Tính

hệ số tái sử dụng tần số N Giả sử hệ số suy hao ñường

5 Nhi ễ u kênh li ề n k ề

Nhiễu kênh kề (Adjacent Channel Interference) gây ra

bởi tín hiệu từ các cell kế cận (sử dụng khác tần số) ñối

với MS trong cell ñang xét

Nhiễu này xuất hiện do chất lượng bộ lọc tần số không

tốt

Cách giải quyết: dùng bộ lọc có hệ số phẩm chất cao

hoặc tăng khoảng cách tần số giữa các cell kế cận

hoặc tăng khoảng cách tần số giữa các cell kế cận

của nhiễu kênh kề

Ví d ụ 2

Một hệ thống có 70 kênh, trong ñó có 6 kênh ñược sử dụng

ñể ñiều khiển Mỗi cell ñược cấp 16 kênh Xác ñịnh SIR

6 Tách Cell

Khi số user trong một cell tăng lên vượt quá dung lượng

thiết kế ban ñầu  không có khả năng ñáp ứng các dịch

vụ  tách cell

Áp dụng cho khu vực

Áp dụng cho khu vực

có mật ñộ thuê bao cao

Tách cell làm tăng dung

lượng của hệ thống

Tăng BTS  sẽ tăng

chi phí

7 Tính l ư u l ượ ng cu ộ c g ọ i: Erlang

BHCA (Busy Hour Call Attempts): Số cuộc gọi phát sinh

trong giờ cao ñiểm của ngày

BHCC (Busy Hour Call Completion): Số cuộc gọi thành

công trong giờ cao ñiểm

GOS (Grade Of Service): Cấp ñộ dịch vụ

S ố cu ộ c g ọ i không thành công GOS =

Erlang là một ñại lượng không ñơn vị ñược sử dụng

trong mạng ñiện thoại ñể ño lưu lượng của mạng

 λ là số cuộc gọi trung bình trong một ñơn vị thời gian

 h là thời gian trung bình của cuộc gọi (average

call-s ố cu ộ c g ọ i phát sinh GOS =

7 Erlang: Ví d ụ

Một kênh thông tin hoạt ñộng 30 phút trong 1 giờ, như

vậy lưu lượng là A = 0.5 Erlang

Tổng ñài PABX Có hai trung kế, xác suất sử dụng mỗi

kênh vào giờ cao ñiểm là 50%, như vậy lưu lượng của

PABX này là A = 1 Erlang

Tổng ñài PABX trên, nhưng vào giớ cao ñiểm có 2 thuê

Tổng ñài PABX trên, nhưng vào giớ cao ñiểm có 2 thuê

bao sử dụng liên tục trong 1 giờ  A = 2 Erlang

Một cell có 30 cuộc gọi mỗi giờ, thời gian của mỗi cuộc

gọi là 1 phút Xác ñịnh lưu lượng của cell ?

A = λ.h = 30x(1/60) = 0.5 Erlang

7 Erlang-B

 Gọi Au là lưu lượng của 1 thuê bao

 Gọi A là lưu lượng của tòan bộ thuê bao tương ứng của 1

ñơn vị thông tin

 Gọi U là số lượng thuê bao tương ứng của 1 ñơn vị

Erlang-B là công thức tính xác suất yêu cầu 1 tài nguyên

sẽ bị từ chối vì thiếu tài nguyên (Xác suất nghẽn mạch

(blocking) vì thiếu thiết bị

7 B ả ng tra Erlang-B: n s ố m ạ ch, B % block

7 B ả ng tra Erlang-B: n s ố m ạ ch, B % block

7 Ví d ụ

Mỗi thuê bao trung bình có 2 cuộc gọi trong 1 giờ, 1 cuộc

gọi có thời gian trung bình là 3 phút Giả sử cell ñược trang

bị 16 channel và GOS=1% Xác ñịnh lưu lượng của 1 Cell

và tính số lượng thuê bao tối ña 1 Cell có thể cung cấp?

Lưu lượng 1 user:

Au = λ.h = 2x(3/60) = 0.1 ErlangGOS = 1% = 0.01, N=16

Tra bảng ta có: A = 5.4Erlang

Số lượng thuê bao/cell = A/Au = 54 thuê bao

8 ð a truy c ậ p c ố ñị nh

 FDMA: Frequency

Division Multiple Access

 TDMA: Time Division

Multiple Access

ða truy cập (Multiple access) : Hỗ trợ nhiều hơn 1 kênh

thông tin trên 1 tài nguyên vô tuyến

8.1 ð a truy c ậ p: T ổ ng quan

 Phổ hiệu quả? Bps/Hz/Cell ?

 Linh họat : Multi-rate, -cell, -dịch vụ ?

8.2 ð a truy c ậ p: FDMA

8.2 ð a truy c ậ p: FDMA (2)

f

User4f4

Usernfn

f1f2f3

f4

 1 user/1 tần số tại 1 thời ñiểm

 Cần có kênh báo hiệu ñể chọn

kênh cho thuê bao

 Giới hạn cho việc tái sử dụng

tần số

 Giới hạn số lượng thuê bao

8.3 ð a truy c ậ p: TDMA

 Kênh sẽ sử dụng tòan bộ phổ tần số cho 1 timeslot

 Mỗi user sẽ gán tới 1 timeslot, Timeslot ñược lặp lại bởi

8.5 OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

Mỗi user có 1 nhóm phụ của các nhóm sóng mang sử

dụng 1 vài timeslot

Hệ thống OFDM sử dụng TDMA

OFDMA sử dụng Time+Freq DMA ⇒ Mô hình 2D

OFDMA sử dụng Time+Freq DMA ⇒ Mô hình 2D

9 ð a truy c ậ p ng ẫ u nhiên

Nhiều users thông tin với 1 trạm gốc

Users gửi dữ liệu không thường xuyên

Dữ liệu gửi tại thời ñiểm bất kỳ/theo slot

t0

t1

t2

t

9.1 ALOHA

Phát triển vào những năm70 tại

ðH Hawaii

Bất kỳ thiết bị ñầu cuối nào ñều

có quyến phát data mà không

cần xem trước kênh truyền rỗi

Nếu Tx không nhận ñược ACK:

 Tx giả sử là gói vừa phát bị

mất

 Tx phát lại sau khi chờ 1

khỏang thời gian ngẫu nhiên

NhậnACK?

Random delayNo

Yes

9.1 ALOHA (2)

Khó khăn:

Chọn thời gian phát lại:

 Ngắn: Tăng tải giả

 Dài: Lưu lượng giảm

Unslotted ALOHA: Phát gói data tại bất kỳ thời ñiểm nào

Slotted ALOHA: Phát gói data trong thời gian của slot

Slotted ALOHA: Phát gói data trong thời gian của slot

9.2 CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

Nghe trước khi gửi

Nếu kênh “Busy”, TX phải chờ

Giảm collision so với ALOHA

Chỉ sử dụng khi sensing time >> transmission time (Thông

tin vệ tinh không sử dụng CSMA mà sử dụng ALOHA

Vấn ñề: User ẩn

Vấn ñề: User ẩn

Khó khăn về giải thuật: Phân biệt tín hiệu yếu & noise

9.3 ISMA (Inhibit Sense Multiple Access)

Nếu bận, BTS gửi ñi thông ñiệp “busy” ñể cấm tất cả các

users gửi data

Vẫn xảy ra collision: Trong khi BTS phát “busy” thì Mobile

gửi,

Chỉ sử dụng khi sensing time >> transmission time (Thông

tin vệ tinh không sử dụng CSMA mà sử dụng ALOHA

Vấn ñề: User ẩn

Khó khăn về giải thuật: Phân biệt tín hiệu yếu & noise

9.4 MACA

MACA: Multiple Access with Collision Avoidance

Slotted, sử dụng Wireless LAN

Nguyên tắc: Thông báo trước khi phát data

Trước khi gửi data, Sender sẽ gửi RTS với chiều dài data

muốn gửi, nếu Receiver sẵn sàng nhận, trả lời Sender tín

hiệu CTS với chiều dài frame sẽ nhận

hiệu CTS với chiều dài frame sẽ nhận

Các Sender khác khi nhận ñược RTS thì sẽ im lặng ñể

tránh collision với CTS, các sender khi nghe thấy CTS

phải ngừng phát cho ñến khi Sender gửi xong  Tránh

collision

M ộ t s ố thu ậ t ng ữ

 Noice, Interference, Co-Interference

 MAC: Medium Access Control

 FDMA: Frequency Division Multiple Access

 TDMA: Time Division Multiple Access

 CDMA: Code Division Multiple Access

 SDMA: Space Division Multiple Access

 SDMA: Space Division Multiple Access

 OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access

 Carrier Sense Multiple Access

 Inhibit Sense Multiple Access

 Multiple Access with Collision Avoidance

 RTS: Request To Send

 CTS: Clear To Send

 Nhiễu kênh liền kề

 Nhiễu kênh liền kề

 Erlang, Erlang-B: ðịnh nghĩa, PP tính

 ða truy cập cố ñịnh (Kênh): FDMA, TDMA, CDMA,…

 ða truy cập ngẫu nhiên (gói): ALOHA, CSMD/CD,…

Q &A?