.1 Các kênh chuyển tải MAC

Tên kênh Kí hiệu Tuyến xuống Tuyến lên Kênh quảng bá BCH x

Kênh chung tuyến xuống DL-SCH x Kênh nhắn tin PCH x Kênh Muticast MCH x

Kênh chung tuyến lên UL-SCH x Kênh truy nhập ngẫu nhiên RACH x

Các kênh logic được biểu thị ở bảng 2.2

Bảng 2.2. Các kênh logic MAC

Tên kênh Kí hiệu Kênh điều khiển Kênh lưu lượng Kênh điều khiển quảng bá BCCH x

Kênh điều khiển nhắn tin PCCH x Kênh điều khiển chung CCCH x Kênh điều khiển dành riêng DCCH x Kênh điều khiển Multicast MCCH x

Kênh lưu lượng dành riêng DTCH x Kênh lưu lượng Multicast MTCH x

2.7. Tóm tắt chương 2

Chương 2 giới thiệu tổng quan mạng thế hệ mới, sau đó giới thiệu mạng LTE, công nghệ hứa hẹn cho các mạng di động tương lai gần của thế giới và Việt Nam.

Với đặc điểm chủ yếu phục vụ truyền số liệu tốc độ tương đối cao, vì vậy, trong quá trình tính toán, lập qui hoạch mạng cũng mang những đặc trưng khác so với các mạng di động trước đây.

Giới thiệu đặc điểm mạng LTE; các phương pháp đa truy nhập OFDMA, SC- FDMA. Tiếp đó là cấu trúc mạng LTE, E-UTRAN, lõi gói EPC; cấu trúc giao thức E- TRAN. Ta sẽ sử dụng một số tham số và tính toán của mạng di động LTE dùng để mô phỏng xác suất vùng phủ của một tế bào tại chương 4. Tiếp theo chương 3 sẽ giới thiệu về cơ sở lập kế hoạch mạng.

Chương 3: CƠ SỞ LẬP KẾ HOẠCH MẠNG

Chương 3 trình bày các kĩ thuật cơ bản trong bài toán lập kế hoạch mạng di động. Mục tiêu của bài toán và quá trình thiết kế tối ưu được đưa ra trong các mục cụ thể dựa trên các tham số cần thiết về quy hoạch mạng, các mô hình truyền sóng vô tuyến trong môi trường di động. Tiếp đó luận văn đưa ra các bước tính toán: Tính vùng phủ sóng của tế bào, mô hình tính lưu lượng, các thuật toán để tính các kênh lưu lượng. Tính can nhiễu giữa hai tế bào. Dựa vào kết quả tính can nhiễu để giải quyết bài toán ấn định kênh.

3.1. Những vấn đề cơ bản trong thiết kế tế bào 3.1.1. Phân loại tế bào 3.1.1. Phân loại tế bào

Ta có thể phân loại tế bào theo kích cỡ của nó:

 Macrocells là loại tế bào cỡ lớn, trong đó các máy di động có thể chuyển động nhanh mà không gián đoạn liên lạc. Bán kính tế bào có thể từ 1 đến 30 km.

 Microcells là loại tế bào có mật độ thuê bao cao như trong các vùng thành phố và ngoại thành. anten trạm gốc có thể để trên các cột đèn. Bán kính tế bào có thể có thể lên đến 2 km.

 Picocells được thiết kế cho vùng có mật độ thuê bao rất cao, hoặc cho các ứng dụng truyền số liệu tốc độ cao đặc biệt trong môi trường trong nhà. Vùng phủ sóng được xác định theo hình dạng và đặc trưng của phòng trong tòa nhà. Chất lượng dịch vụ bị ảnh hưởng bởi đồ đạc và số người trong phòng đó. Bán kính của Picocells khoảng từ 10 đến 200 mét [29].

[Geng(1998), Prasad(1998)] đã tóm tắt một số đặc trưng của tế bào trong bảng 3.1 Bảng 3.1 Một số đặc trưng của tế bào

Loại tế bào Bán kính tế bào Công suất phát Độ cao Anten Sử dụng Macrocell 1 - 30 km 1 - 10 W >30 m, trên tháp Anten hoặc đỉnh tòa nhà Vùng phủ sóng rộng, hỗ trợ di động tốc độ cao Microcell 0.2 - 1 km 0.01 - 1 W <10 m, trên cột điện đèn Vùng có mật độ thuê bao cao Picocell < 200 m < 100 mW Đặt trên trần nhà

hay giá sách

Chủ yếu dùng trong nhà

Trong một số trường hợp, máy phát công suất mạnh, đặt ở tháp rất cao thì bán kính tế bào có thể đến 50 Km. Thông thường thay vì dùng trạm có một máy phát công suất rất lớn, người ta dùng nhiều máy phát có công suất thấp đặt rải rác trong vùng phục vụ.

Trong mạng thông tin di động tế bào có một số đặc điểm:

 Các tần số sử dụng trong một tế bào có thể được sử dụng lại ở một tế bào khác cách tế bào đã cho một khoảng cách nào đó để tránh can nhiễu.

 Khi máy di động đi từ tế bào này sang tế bào khác phải thực hiện thủ tục chuyển giao để duy trì liên lạc.

 Có thể thay đổi mức công suất phát theo mật độ thuê bao và yêu cầu dịch vụ trong miền xác định.

 Nếu nhu cầu dịch vụ di động tăng thì ta có thể chia tế bào thành các tế bào nhỏ hơn Sau đây, luận văn sẽ trình bày chi tiết các khái niệm cơ bản đã nêu ở trên. 3.1.1.1. Sử dụng lại tần số

Sử dụng lại tần số là một khái niệm rất cơ bản trong hệ thống di động tế bào, trong đó các thuê bao ở các vị trí địa lý khác nhau (tế bào khác nhau) có thể đồng thời sử dụng cùng một kênh tần số (FCH). Việc sử dụng lại tần số làm tăng hiệu quả phổ, nhưng lưu ý phải tính toán, thiết kế hợp lý, nếu không sẽ gây ra can nhiễu nghiêm trọng. Người ta gọi can nhiễu này là can nhiễu cùng kênh (CCI). Hình 3.1 hiển thị hình mẫu sử dụng lại tần số.

Trong hoàn cảnh ở hình 3.1, các tế bào có cùng một tập kênh. Người ta ấn định một tập tần số khả dụng trong hệ thống thành một nhóm các tế bào tạo nên một cụm như hình trên. Giả sử số tế bào này có dạng lục giác và số tế bào trong một cụm xác định mẫu sử dụng lại tần số. Số tế bào trong một cụm gọi là cỡ của cụm K, được xác định như sau:

K= i2 + ij +j2

(3.1)

Ở đây i và j là các số nguyên. Như vậy, các cụm có thể chỉ phù hợp với số tế bào nào đó, ví dụ như 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21...

Trong một hệ thống tế bào, khi kích cỡ của mỗi tế bào xấp xỉ như nhau, CCI không phụ thuộc vào công suất phát và là một hàm của bán kính R và khoảng cách giữa các tế bào kề cận gần nhau nhất D. Tỉ số D/R được gọi là tỉ số sử dụng cùng kênh, liên quan đến kích cỡ của cụm và được xác định là:

K R

D/  3

(3.2)

Cỡ của cụm được chọn dựa trên tỉ số C/I. Giả sử N là số tế bào gây can nhiễu cùng kênh, tỉ số C/I tại máy di động được biểu thị:

   n i i I C I C 1 (3.3)

Ở đây C là công suất của một sóng mạng, I là công suất nhiễu do tế bào cùng kênh thứ i gây ra. [Rappaport(1996)] đã chứng minh rằng tỉ số C/I tỉ lệ thuận với cỡ của cụm K:     n K n R D I C /  3    (3.4)

Ở đây γ là hệ số tổn thất đường truyền, thường là γ trong khoảng từ 2.7 đến 4.0 với thông tin di động trên mặt đất.

Trong một hệ thống tế bào lục giác có 6 tế bào can nhiễu cùng kênh trong lớp đầu tiên hình 3.1. Can nhiễu do các tế bào cùng kênh gây ra ở các lớp thứ hai và các lớp

    dB K n K I C 21 6 3 3 2     (3.5)

Vậy ta có K>=12. Như vậy, có thể sử dụng mẫu sử dụng lại tần số 12 tế bào sẽ cho sử dụng phổ cực đại. Quá trình tính toán ở trên cho phép chúng ta trên cơ sở chất lượng đường truyền, quyết định được phương án sử dụng lại tần số một cách hiệu quả nhất.

3.1.1.2. Tính toán lưu lượng

Một trong những yếu tố quyết định đến số lượng máy di động có thể dùng chung mạng di động nào đó là độ lớn lưu lượng mà mỗi thuê bao có thể sinh ra. Lưu lượng cho một thuê bao được xác định bằng tốc độ cuộc gọi và khoảng thời gian gọi được tính bằng giây/cuộc gọi; lưu lượng là một đại lượng không thứ nguyên2 và được cho bằng Erlang. Vì lưu lượng biến đổi theo thời gian trong ngày, trong tuần. Người ta thường định cỡ hệ thống tế bào trong giờ bận nhất, giờ gọi. Gọi thời gian đàm thoại trung bình là T giây và số cuộc gọi trên một thuê bao tại giờ bận là λ thì lưu lượng của một thuê bao trung bình là:

Erlang T a 3600 .   (3.6)

Có thể coi đây là phần thời gian mà mỗi người dùng chiếm kênh.

Tải lưu lượng cực đại mà mỗi tế bào N kênh có thể truyền đi phụ thuộc vào hệ thống điều hành cuộc gọi như thế nào khi N kênh hoàn toàn bị chiếm. Có 3 dạng bị chặn chủ yếu:

 Poisson: Các cuộc gọi bị chặn sẽ chờ trong khoảng thời gian không dài hơn thời gian lưu giữ trung bình của chúng. Nếu kênh trở nên rỗi trước thời gian lưu giữ, cuộc gọi sẽ chiếm lấy và sử dụng trong khoảng thời gian duy trì cuộc gọi.

 Erlang B: Các cuộc gọi bị chặn không sốt ruột và từ bỏ ngay ý đồ gọi và không thực hiện cuộc gọi khác.

 Erlang C: Các cuộc gọi bị chặn chờ thời gian không xác định để thu được kênh. Trong tính toán hệ thống di động, người ta coi đó là hệ thống tổn thất (Tất cả các cuộc gọi bị chặn đều bị xóa), cho nên việc tính lưu lượng lấy xác suất chặn nhỏ hơn hoặc bằng 2%. Do vậy người ta thường dùng công thức Erlang B là:

2

   n i i n block i A n A P 0 ! ! (3.7)

Nó mô tả mối quan hệ ba biến: xác suất chặn Pblock, tải lưu lượng A (tính bằng Erlang) và số kênh N. Rõ ràng là xác suất chặn tăng theo tải lưu lượng và giảm theo số kênh, như hình 3.2 ở dưới. Mối quan hệ này đã được tính theo bảng Erlang B [Lee 1989]. Chỉ cần biết một trong hai biến là có thể suy ra biến thứ ba.

Nếu biết số kênh và xác suất chặn cực đại cho phép thì có thể xác định được dung lượng của tế bào Ai Erlang. Giả sử có N tế bào trong hệ thống tế bào, thì dung lượng hệ thống sẽ là:    N i iErlang A A 1 (3.8) Như vậy số thuê bao được trợ giúp trong giờ bận là:

a A M 

(3.9)

3.1.1.3. Chuyển giao

Chuyển giao là một quá trình chuyển giao một cuộc gọi từ một tế bào này sang một tế bào kề cận khi máy di động tiếp cận đến biên giới tế bào. Việc chuyển giao rõ ràng là không thường xuyên và để thực hiện thành công một cách êm thấm cho các thuê bao cần phải xem xét các yếu tố sau:

 Hệ thống tế bào cần phải được thiết kế sao cho có thể bao phủ hợp lý giữa các tế bào.

 Sử dụng các Microcell ở các vùng mật độ lưu lượng cao, đảm bảo chuyển giao cho các thuê bao chuyển động tốc độ cao. Trong hoàn cảnh này nên dùng các tế bào hình lọng (umbrella cells [Rappaport(1996)]) và tạo nên hệ thống tế bào phân bậc.

 Chuyển giao bắt đầu khi cường độ tín hiệu thu được đặt đến ngưỡng chuyển giao Pho cao hơn cường độ tín hiệu bé nhất có thể dùng được Pmin với chất lượng thoại chấp nhận được. Độ dự phòng chuyển giao ho = Pho - Pmin phải được tính một cách thận trọng. Nếu ho lớn, việc chuyển giao đơn giản và dễ dàng. Nếu ho, thời gian để thực hiện chuyển giao có thể không đủ trước lúc bị mất liên lạc do điều kiện tín hiệu yếu. Lúc này độ dự phòng chuyển giao ảnh hưởng đến vùng phủ sóng và dung lượng tế bào.

3.1.1.4. Chia tế bào

Có hai loại chia tế bào: Chia định hướng vùng phủ và chia định hướng dung lượng. Hình 3.3a miêu tả trường hợp thứ nhất trong đó 4 tế bào mới được bố trí được đặt lân cận tế bào gốc. Bán kính của tế bào mới giống bán kính của tế bào gốc và vùng phủ tăng theo hệ số 27 . 3 2 4 2 2 2   R R R   (3.10)

Hình 3.3 Chia tế bào

Ta nên sử dụng kĩ thuật chia này nếu cần phải tăng diện tích vùng phủ sóng. Phương pháp thứ hai là chia tế bào định hướng dung lượng như hình 3.3 b. Trong đó một tế bào được chia thành các tế bào nhỏ hơn, mỗi cái có cùng số kênh như tế bào gốc. Giả sử việc chia được thực hiện sao cho bán kính của tế bào mới bằng một nửa của tế bào gốc. Để bao phủ toàn bộ tế bào gốc thì cần ít nhất bốn tế bào mới. Như vậy dung lượng tăng 4 lần. Với tế bào mới có cỡ bé hơn, nên cần giảm công suất phát Pt xuống khoảng 12 dB [Lee]

dB P

Pt' t12

(3.11)

Một phương pháp khác để tăng dung lượng là giữ nguyên bán kính tế bào và giảm cỡ của cụm cũng như tỉ số sử dụng lại cùng kênh D/R.

Từ đó ta nhận thấy rằng CCI quyết định cỡ cụm và kế hoạch sử dụng lại tần số của các hệ thống tế bào.

Có thể giảm CCI bằng cách thay một anten vô hướng ở trạm gốc bằng một vài anten định hướng. Phương pháp này được gọi là sectoring. Thông thường một tế bào được phân thành 3 sector 1200 hoặc 6 sector 600. Với việc phân sector, để nâng cao được tỉ số C/I cho mỗi sector lên khoảng 3.16 dB.

3.1.2. Quá trình tính toán hệ thống tế bào

Hình 3.4 Lưu đồ tính toán hệ thống tế bào Từ lưu đồ ta thấy: Từ lưu đồ ta thấy:

Bước 1. Tính toán lưu lượng

Ước lượng được có bao nhiêu thuê bao sẽ liên kết được với hệ thống di động; bao nhiêu lưu lượng chúng sẽ sinh ra. Số liệu sử dụng để tính nhu cầu lưu lượng là số liệu phân bố dân cư, sử dụng đất, mức thu nhập và một số yếu tố khác.

Bước 2. Kế hoạch khởi điểm

Xem xét các vị trí khả dụng đặt trạm do nhà vận hành mạng cung cấp; lấy số liệu đã ước tính ở bước 1 để xác định cấu hình trạm gốc.

Bước 3. Tính toán vùng phủ sóng và cường độ trường

Tính toán vùng phủ sóng: dung lượng tế bào, phân tích can nhiễu, ấn định kênh. Tính cường độ trường: số liệu là bản đồ địa hình, kế hoạch sử dụng đất, cấu trúc nhà, các loại giao thông... trong phạm vi phủ sóng dự kiến được sử dụng để tính cường độ trường.

Bước 4. Kiểm tra lại thực địa và tính toán để giải quyết phương án Bước 5. Tối ưu hệ thống

Phân tích số liệu của các mạng đang vận hành để điều chỉnh các tham số hệ thống sao cho nâng cao được chất lượng dịch vụ toàn mạng.

3.2. Các mô hình tính toán

Mô hình kênh vô tuyến là một trong những phần quan trọng và khó khăn nhất trong tính toán thiết kế hệ thống di động tế bào. Theo bản chất của truyền sóng, ta có thể phân các mô hình truyền sóng thành mô hình kinh nghiệm, bán kinh nghiệm và mô hình tiền định.

 Mô hình kinh nghiệm

Mô hình này được mô tả bằng các phương trình hay đường cong dựa vào các phân tích thống kê của nhiều số liệu đo lường. Mô hình này đơn giản và không cần các thông tin chi tiết về môi trường. Có thể sử dụng chúng một cách dễ dàng và nhanh chóng. Nhược điểm là chúng không cho một ước lượng chính xác về tổn hao đường truyền.

 Mô hình tiền định

Là phương pháp tính toán mô phỏng truyền sóng vô tuyến. Trong mô hình này đã tính toán ảnh hưởng của môi trường đến tham số truyền sóng, vì vậy chính xác hơn so với mô hình kinh nghiệm ở trên và có thể tính được cho các kênh vô tuyến băng rộng. Khuyết điểm chủ yếu của mô hình này là độ phức tạp tính toán cao hơn so với mô hình