Tiểu luận Môn Thông Tin Vô Tuyến Nghiên cứu các phương pháp cấp phát kênh động

Tiểu luận Môn Thông Tin Vô Tuyến Nghiên cứu các phương pháp cấp phát kênh động Trong truyền thông vô tuyến, nhất là trong lĩnh vực truyền thông di động, khái niệm ô tế bào được xem như một kĩ thuật đột phá nhằm giải quyết tình trạng tài nguyên tần số hạn hẹp trong khi số thuê bao ngày một gia tăng. Một vùng cần cung cấp dịch vụ truyền thông sẽ được chia thành các khu vực nhỏ hơn gọi là ô tế bào. Ở mỗi ô tế bào có một trạm gốc (base station) phủ sóng toàn bộ ô tế bào đó.

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÀI TẬP LỚN

Môn Thông Tin Vô Tuyến

Đề tài:

Nghiên cứu các phương pháp cấp phát kênh động

(Dynamic channel allocation)

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS Vũ Văn Yêm

Nhóm sinh viên :Lớp KSTN-ĐTVT-K54

Nguyễn Tiến Đạt Nguyễn Đức Nam

Hà Nội, 11-2012

Mục lục

1.Giới thiệu chung .3

2.Cấp phát kênh .4

2.1.Mục đích của việc cấp phát kênh .4

2.2 Các phương thức cấp phát kênh .4

3.Cấp phát kênh động .5

3.1.Các phương pháp cấp phát kênh động .5

3.1.1.Cơ chế điều khiển tập trung .6

3.1.2.Cơ chế điều khiển phân tán .9

3.2.So sánh phương thức cấp phát kênh động với phương thức cấp phát kênh tĩnh 10

4.Mô phỏng 12

4.1 Các tham số đánh giá 12

4.2 Lưu đồ thuật toán mô phỏng 13

4.3 Quá trình mô phỏng 17

4.4 Đánh giá kết quả và nhận xét 19

4.4.1.Kết quả mô phỏng 19

4.4.2.Nhận xét và kết luận 21

1.Giới thiệu chung

Trong truyền thông vô tuyến, nhất là trong lĩnh vực truyền thông di động, khái niệm ô tế bào được xem như một kĩ thuật đột phá nhằm giải quyết tình trạng tài nguyên tần số hạn hẹp trong khi số thuê bao ngày một gia tăng Một vùng cần cung cấp dịch vụ truyền thông sẽ được chia thành các khu vực nhỏ hơn gọi là ô tế bào Ở mỗi ô tế bào có một trạm gốc (base station) phủ sóng toàn bộ ô tế bào đó Mỗi trạm gốc sẽ được cấp phát một nhóm kênh trong tổng tất cả các kênh của toàn hệ thống để phục vụ kết nối giữa các thuê bao với trạm gốc Để đảm bảo không xảy nhiễu đồng kênh, các trạm gốc ở các tế bào cạnh nhau sẽ được cấp phát các nhóm kênh khác nhau Với việc thiết kế anten sao cho vùng phủ sóng chỉ giới hạn trong ô tế bào cho trước thì các ô tế bào đủ xa nhau có thể

cùng sử dụng một nhóm kênh, miễn là nhiễu đồng kênh không ảnh hưởng quá lớn tới chất lượng truyền thông, điều này giúp tăng dung lượng của toàn bộ hệ thống Quá trình chọn lọc và cấp phát các nhóm kênh cho tất cả các trạm gốc trong hệ thống truyền thông

tế bào gọi là quy hoạch tái sử dụng tần số (frequency reuse)

Hình 1 mô tả việc chia nhỏ một vùng được cung cấp dịch vụ truyền thông di động thành các ô tế bào Các ô tế bào kí hiệu giống nhau nghĩa là được cấp phát cùng một nhóm kênh Như ta thấy, hai ô tế bào kề nhau bất kì không bao giờ sử dụng cùng một nhóm kênh Tổng số tất cả các kênh được cấp phát ở bảy ô tế bào A, B, C, D, E, F, G bằng

Hình 1 Mô hình truyền thông tế bào với nhóm tế bào tái sử dụng bằng 7

tổng số kênh của toàn bộ hệ thống, và bảy ô này tạo thành một nhóm tế bào (cluster) Bài toán đặt ra bây giờ là cấp phát kênh như thế nào để đạt hiệu quả sử dụng hệ thống là tối

đa trong điều kiện bị ràng buộc về dải tần cho trước Bài báo cáo này sẽ trình bày về việc cấp phát kênh nói chung và các phương pháp cấp phát kênh động nói riêng

2.Cấp phát kênh

2.1.Mục đích của việc cấp phát kênh

Kênh (channel) hiểu theo nghĩa hẹp trong hệ thống mạng viễn thông là một đường kết nối vật lý cho phép 2 thiết bị liên lạc với nhau Ở một số khu vực có lưu lượng cuộc gọi lớn, số kênh truyền có thể không đủ dẫn đến tình trạng từ chối phục vụ, gây suy giảm chất lượng của mạng viễn thông Trong khi đó, ở một số khu vực khác, lưu lượng cuộc gọi nhỏ, nhiều kênh truyền lại trở nên dư thừa, gây lãng phí Vì vậy, vấn

đề quản lý tài nguyên kênh truyền và bài toán cấp phát kênh là rất quan trọng

Trong hệ thống truyền thông tế bào, khi tiến hành cấp phát kênh cho một ô tế bào phải được xem xét ở 2 điểm sau:

- Số lượng kênh được cấp phát cho ô đó tùy thuộc vào lưu lượng cuộc gọi, tức là đảm bảo xác suất từ chối cuộc gọi nhỏ hơn một ngưỡng tiêu chuẩn

- Khả năng xảy ra nhiễu đồng kênh do các ô tế bào lân cận, tức là đảm bảo xác suất làm gián đoạn (rớt) môt cuộc gọi nhỏ hơn ngưỡng tiêu chuẩn

2.2 Các phương thức cấp phát kênh

Để đạt được hiệu quả sử dụng phổ và tăng số lượng thuê bao được phục vụ trong điều kiện giới hạn về tài nguyên tần số, ta buộc phải tái sử dụng tần số Như đã đề cập ở trên, việc cấp phát kênh, tái sử dụng tần số phải đảm bảo sao cho xác suất từ chối cuộc gọi và xác suất rớt cuộc gọi phải ở mức chấp nhận được Cấp phát kênh có thể được phân làm hai phương thức chính: cấp phát kênh tĩnh (fixed channel allocation)

và cấp phát kênh động (dynamic channel allocation) Hình 2 mô tả hai phương thức cấp phát kênh tĩnh và cấp phát kênh động

Trong phương thức cấp phát kênh tĩnh, mỗi ô tế bào được cấp phát một nhóm kênh định trước và thường không thay đổi trong quá trình hệ thống hoạt động Nếu tại một thời điểm mà tất cả các kênh của một ô tế bào đều đang bận, các cuộc gọi đến tiếp theo đều sẽ bị từ chối cung cấp dịch vụ Để giải quyết vấn đề này, người ta đưa ra một phương pháp là cho phép mượn một số kênh rỗi từ các ô tế bào khác Một trung tâm chuyển mạch MSC sẽ tạo một thủ tục cho mượn kênh từ các ô khác tới ô cần mượn

và đảm bảo chắc chắn rằng việc cho mượn kênh không gây ra việc gián đoạn hoặc từ chối phục vụ ở ô tế bào cho mượn

Hình 2 Minh họa cách thức cấp phát kênh tĩnh và cấp phát kênh động

Trong phương thức cấp phát kênh động, các kênh không được gán cho các ô tế bào một cách vĩnh viễn, mà sẽ được cất ở trong “kho chứa” Khi phát sinh yêu cầu cần được phục vụ từ phía thuê bao, trạm gốc sẽ làm thủ tục tìm kiếm các kênh sẵn sàng phục vụ, sau đó, cấp phát một trong số các kênh đó để phục vụ kết nối liên lạc Thủ tục tìm kiếm có thể là gửi yêu cầu xin một kênh từ trạm điều khiển trung tâm MSC hoặc tự động tìm các kênh có thể phục vụ cuộc gọi Khi cuộc gọi kết thúc, kênh truyền phục vụ cuộc gọi đó sẽ được giải phóng Theo nguyên tắc tái sử dụng tần số, một kênh sẽ chỉ cấp phát cho một ô tế bào khi mà nó vẫn chưa được cấp phát ở trong

ô tế bào đó hoặc các ô tế bào khác không thỏa mãn khoảng cách tái sử dụng tần số

Để thực hiện được điều này, ta buộc phải biết các kênh nào đang được sử dụng, phân phối lưu lượng hoặc chỉ số cường độ sóng điện từ Chính điều này làm tăng dung lượng lưu trữ và yêu cầu năng lực tính toán mạnh của các trạm (trạm gốc hoặc trạm MSC) điều khiển việc cấp phát kênh

3.Cấp phát kênh động

3.1.Các phương pháp cấp phát kênh động

Để triển khai phương thức cấp phát kênh động trong các hệ thống truyền thông, cần

có thuật toán để điều khiển việc cấp phát Có hai loại thuật toán điều khiển chính là điều khiển theo cơ chế tập trung và điều khển theo cơ chế phân tán

Với cơ chế điều khiển tập trung, trạm điều khiển trung tâm MSC sẽ tập hợp trạng thái các kênh từ các trạm gốc, từ đó đưa ra quyết định cấp phát kênh theo một thuật toán nào đó để giảm thiểu xác suất từ chối cuộc gọi ở các ô tế bào trong tương lai Khi số trạm gốc lớn, lượng thông tin cần phải được xử lý sẽ rất lớn, do đó phương pháp này

chỉ thích hợp với những hệ thống truyền thông có số lượng các trạm gốc không quá nhiều

Với phương pháp điều khiển phân tán, việc quyết định cấp phát kênh sẽ không phải thông qua trạm điều khiển trung tâm mà sẽ do chính trạm gốc của ô tế bào đó quyết định Quyết định này dựa vào khoảng cách đồng kênh, kết quả đo cường độ tín hiệu

và kết quả đo giá trị tỉ số CIR của trạm gốc (C là công suất tín hiệu sóng mang mong muốn nhận được trên một kênh và I là tổng công suất của các tín hiệu nhận được trên kênh truyền đó, gọi là công suất nhiễu đồng kênh) Nếu tỉ số này vượt ngưỡng tối thiểu cho việc đảm bảo chất lượng đường truyền thì trạm gốc sẽ quyết định kênh đó sẵn sàng phục vụ cuộc gọi

Bảng 1 dưới đây phân loại một số phương pháp cấp phát kênh động theo cơ chế điều khiển tập trung và cơ chế điều khiển phân tán

Cơ chế điều khiển tập trung

First Available (FA) Mean Square (MSQ) Nearest Neighbor (NN) Nearest Neighbor + 1 (NN + 1)

Ring

1 – Clique Channel borrowing Hybrid Scheduled channel assignment Fixed – Dynamic adaptive Locally optimized dynamic assignment (LODA)

Moving Direction (MD) Speed an Move Direction (SMD)

Cơ chế điều khiển phân tán

Channel segregation Autonomous Reuse Partition (ARP) Flexible Reuse (FRU) All – Channel Concentric Allocation (ACCA)

Bảng 1 Các phương pháp cấp phát kênh động

3.1.1.Cơ chế điều khiển tập trung

Khi một cuộc gọi phát sinh, một kênh rỗi từ “kho chứa” sẽ được chọn sao cho tối đa hóa số số người dùng trên các kênh giống nhau, đồng thời, tối thiểu hóa khoảng cách giữa các ô sử dụng cùng một kênh Một số thuật toán cấp phát kênh theo cơ chế tập trung được nêu ở bảng 1

Phương pháp First Available (FA) là phương pháp cấp phát động đơn giản

nhất theo cơ chế tập trung Với phương pháp này, trạm điều khiển trung tâm

sẽ kiểm tra tất cả các kênh trong kho xem liệu có thể dùng để phục vụ cuộc gọi được hay không, sau đó, sẽ chọn ra kênh đầu tiên có trong danh sách các

kênh sẵn sàng phục vụ cuộc gọi Phương pháp này tối thiểu hóa khối lượng công việc tính toán và do vậy, phương pháp này có hiệu quả tái sử dụng tần số khá tốt

Cả ba phương pháp cấp phát MSQ (Mean SQuare), NN (Nearest Neighbor)

và NN + 1 (Nearest Neighbor + 1) đều dựa trên một nguyên tắc cơ bản là gán

lại kênh cho ô tế bào cần được cấp phát Hình 3 mô tả việc cấp phát kênh cho

ba phương pháp này Giả sử vào một thời điểm, một cuộc gọi phát sinh ở ô tế bào số 6 Trước đó, ô tế bào số 1 đang sử dụng các kênh b và c, ô tế bào số 2 đang sử dụng kênh a, ô tế bào số 4 đang sử dụng kênh d, ô tế bào số 9 đang sử dụng kênh b, ô tế bào số 10 đang sử dụng kênh a và c Đồng thời chúng ta cũng giả thiết rằng hệ thống có 4 kênh a, b, c, d và khoảng cách tái sử dụng tần số D = 3 Vì kênh d đang được sử dụng ở ô số tế bào số 4, nên không thể cấp phát kênh d cho ô tế bào số 6 được, như vậy chỉ còn các kênh a, b, c là thỏa mãn Đối với phương pháp NN, kênh sẽ được cấp phát cho ô số 6 giống với cả kênh ở ô tế bào gần nhất với nó (thỏa mãn khoảng cách tái sử dụng), do vậy, kênh b sẽ được cấp phát cho ô số 6 Đối với phương pháp NN + 1, các

kênh đang được dùng ở các ô tế bào mà có khoảng cách tới ô cần được cấp phát lớn hơn khoảng cách tái sử dụng sẽ sẵn sàng cho việc cấp phát lại, như vậy, kênh a hoặc c đều có thể được cấp phát cho ô số 6 Còn với phương pháp MSQ, kênh sẽ được cấp phát lại sao cho bình phương khoảng cách từ ô cần được cấp phát tới các ô tế bào sử dụng kênh đó là nhỏ nhất Trong trường hợp này, kênh a sử dụng ở ô số 2 và 10, tổng bình phương khoảng cách tới ô số 6

là 32, kênh b sử dụng ở ô số 1 và 9, tổng bình phương khoảng cách tới ô số 6

là 34, kênh c sử dụng ở ô số 1 và số 10, tổng bình phương khoảng cách tới ô

số 6 là 41 Vậy, kênh a sẽ được chọn nếu dùng phương pháp cấp phát MSQ

Phương pháp channel borrowing (mượn kênh) gần tương tự như cấp phát

kênh tĩnh Các kênh (nhóm kênh) được cấp phát cho từng ô và không thay đổi theo thời gian Khi phát sinh một cuộc gọi trong một ô tế bào, trạm gốc của ô

tế bào đó sẽ cấp phát kênh phục vụ cuộc gọi đó nếu còn kênh rỗi Tuy nhiên, nếu tất cả các kênh của ô tế bào đó đang bị sử dụng, trạm gốc sẽ gửi yêu cầu

Hình 3 Minh họa cách cấp phát kênh bằng thuật toán NN, NN + 1, MSQ

Hình 3 Minh họa phương pháp cấp kênh MSQ, NN và NN + 1

tới trạm điều khiển trung tâm MSC để làm thủ tục xin mượn một kênh từ các

ô tế bào lân cận nó Sau khi phục vụ xong cuộc gọi, kênh mượn sẽ được giải phóng và trả lại cho ô tế bào cho mượn

Phương pháp hybrid là sự kết hợp giữa phương thức cấp phát động (hoàn

toàn) và cấp phát tĩnh Với phương pháp này, một phần trong toàn bộ các kênh của hệ thống truyền thông sẽ được gán tĩnh cho các ô tế bào, phần còn lại sẽ được dự trữ Nếu tại một ô tế bào, số lượng các kênh tĩnh không đủ để phục vụ các cuộc gọi đến, trạm điều khiển trung tâm sẽ cấp phát một kênh cho

ô đó theo cách thức cấp phát động So với các phương pháp cấp phát động hoàn toàn khác, phương pháp này giúp giảm bớt số lượng các thiết bị điều khiển cũng như yêu cầu về năng lực xử lý của chúng

Phương pháp MD (Moving Direction) được sử dụng để giảm xác suất bị rớt

cuộc gọi khi các thuê bao di chuyển qua lại giữa các ô tế bào Với phương pháp MD (hình 4), thông tin về hướng di chuyển của người dùng sẽ được báo

về trạm điều khiển trung tâm Những người dùng di chuyển cùng một hướng

sẽ được cấp phát cùng một kênh Khi đi qua phân biên giữa các tế bào, kênh đang sử dụng ở ô trước đó sẽ được thiết lập cho ô mà người dùng di chuyển đến, do vậy, xác suất rớt cuộc gọi được giảm bớt Tất nhiên, trong mô hình hai chiều, rất nhiều vấn đề nảy sinh và làm giảm chất lượng của hệ thống truyền thông

Hình 4 Minh họa cấp phát kênh động sử dụng phương pháp MD Phương pháp SMD (Speed and Moving Direction) là một phương pháp cải

tiến của phương pháp MD, được áp dụng cho hệ thống truyền thông trong đó

có cả các thuê bao di chuyển tốc độ cao và các thuê bao di chuyển tốc độ thấp Các kênh của hệ thống được phân thành 2 nhóm, một nhóm dành cho các thuê bao di chuyển tốc độ cao, một nhóm dành cho các thuê bao di chuyển tốc độ thấp Mỗi nhóm kênh này được cấp phát theo phương pháp MD cho mỗi nhóm đối tượng

3.1.2.Cơ chế điều khiển phân tán

Khác với cơ chế điều khiển tập trung được thực hiện bởi trạm điều khiển trung tâm, cơ chế điều khiển phân tán được thực hiện bởi trạm gốc của mỗi ô tế bào Trạm gốc sẽ tiến hành xác định một trong

ba tham số: khoảng cách đồng kênh (co – channel distance), cường độ tín hiệu

và tỉ số CIR của từng kênh

Sau đó, dựa vào ngưỡng cho trước, trạm gốc sẽ quyết định các kênh sẵn sàng phục vụ cuộc gọi

Để xác định CIR, ta xét ví dụ như trong hình 5 Giả sử ta mong muốn thực hiện truyền thông giữa hai thiết bị T và R Tuy nhiên, ngoài

2 thiết bị sử dụng kênh truyền này để giao tiếp với nhau thì còn các thiết bị 1,

2, …, 5 cũng sử dụng kênh truyền đó để giao tiếp với các thiết bị khác, điều này gây ra nhiễu đồng kênh cho cuộc gọi của T – R Chỉ số CIR sẽ được tính tại R như sau:

5 1

t t

Pd CIR

Trong đó, Pt là công suất phát trung bình của trạm T, dt là khoảng cách từ trạm

T đến R, α là bậc suy hao do khoảng cách truyền sóng, phụ thuộc vào môi trường truyền sóng Tích Pd t t chính là công suất tín hiệu của trạm T mà trạm R nhận được No là nhiễu môi trường Pi và di lần lượt là công suất phát của trạm i và khoảng cách từ trạm i tới trạm R

Để đạt được tỉ số CIR ở trạm R trên ngưỡng tối thiểu, có thể có 2 giải pháp Giải pháp thứ nhất là tăng các khoảng cách di, nghĩa là tăng khoảng cách tái

sử dụng tần số Giải pháp thứ 2 là điều chỉnh công suất phát Pt và giảm công suất nhiễu do giao thoa đồng kênh để đạt được tỉ số CIR cho phép

Trong phương pháp channel segregation, từng trạm gốc sẽ giám sát trạng

thái sử dụng (bận hay rỗi) của các kênh và gán chỉ số ưu tiên cho từng kênh

Hình 5 Tính tỉ số CIR

Khi phát sinh một cuộc gọi, trạm gốc sẽ xem xét xem liệu kênh với chỉ số ưu tiên cao nhất có rỗi không bằng cách quét năng lượng trên kênh đó Nếu như công suất tín hiệu trên kênh đó nhỏ hơn ngưỡng cho trước, kênh được xác định là rỗi Nếu như kênh đó rỗi, thì nó sẽ được cấp phát và chỉ số ưu tiên của

nó sẽ tăng lên Còn trong trường hợp kênh đó bận, chỉ số ưu tiên của nó sẽ bị giảm đi và kênh có chỉ số ưu tiên cao thứ 2 sẽ được quét tiếp Nếu toàn bộ kênh của hệ thống đều bận thì sẽ xảy ra việc từ chối cuộc gọi Chỉ số ưu tiên được xác định như sau:

Phương pháp ARP (Autonomous Reuse Partition) dựa trên khái niệm phân

vùng tái sử dụng (reuse partition) kết hơp với đo tỉ số CIR thời gian thực Tất

cả các kênh đều có thể sử dụng ở tất cả các trạm gốc miễn là thỏa mãn ngưỡng CIR tối thiểu Ở mỗi ô, các kênh có chỉ số CIR vượt ngưỡng tối thiểu sẽ được sắp xếp theo thứ tự tuần tự Khi có yêu cầu kết nối từ thiết bị đầu cuối, kênh đầu tiên mà thỏa mãn ngưỡng điều kiện CIR sẽ đươc cấp phát Vì vậy, mỗi kênh sẽ được tái sử dụng ở các khoảng cách đồng kênh tối thiểu với cường độ của tín hiệu mong muốn đủ tốt Phương pháp FRU (Flexible ReUse) là một cải tiến của phương pháp ARP Trong phương pháp này, việc chọn kênh để cấp phát dựa trên ngưỡng CIR nhỏ nhất

Trong phương pháp ACCA, mỗi ô (cell) sẽ được chia thành các vùng đồng

tâm Tất cả các kênh mà hệ thống có đều được cấp phát cùng một cơ chế cho mỗi cell một cách bình đẳng ở mỗi miền sẽ được cấp phát một số kênh sao cho mức tín hiệu thỏa mãn chỉ số CIR Đây là phương pháp hiệu quả nhằm tăng dung lượng hệ thống Phương pháp này thực hiện điều khiển theo cơ chế phân tán tự trị

3.2.So sánh phương thức cấp phát kênh động với phương thức cấp phát kênh tĩnh

Trong phương thức cấp phát kênh tĩnh, vì các kênh được gán sẵn cho từng ô nên thiết

bị điều khiển đơn giản hơn so với trong cấp phát kênh động và phương thức này đã được ứng dụng trong thực tế Tuy nhiên, khi điều kiện thay đổi về mật độ lưu lượng, phương thức cấp phát tĩnh tỏ ra kém linh động, do đó xác suất từ chối cuộc gọi cao hơn so với phương thức cấp phát động Ngoài ra, xác suất bị rớt (gián đoạn) cuộc gọi khi đi qua các vùng chuyển tiếp giữa hai ô tế bào cao hơn so với phương thức cấp phát động, hình 5 mô tả nhược điểm này