Trong phần 1.2.5.1 đã đề cập đến thứ tự khoảng cách tần số k và khoảng cách giữa hai tần số liên tiếp nhau trong băng tần GSM 900MHz là 200 KHz hay fk = f1 + (k- 1)x200KHz. Trong đó: fk là tần số thứ k trong giải băng tần GSM 900 MHz và k = (0
124
÷ ) sẽ cho các khỏng cách tần số tương ứng là 200 KHz, 400 KHz, 600 KHz (xem bảng 1.3).
Khoảng cách tần số giữa 2 kênh tần số sẽ ảnh hưởng đến nhiễu qua lại giữa các cell sử dụng các tần số đó và (1.54), (1.55) đã chỉ ra mối quan hệ này. Để xây dựng kế hoạch phân bổ tần số cho các cell, cần thiết phải phân tích nhiễu giữa các cell ci, cj và xác định khoảng cách tần số phù hợp giữa 2 cell ci, cj để đảm bảo các tiêu chuẩn về nhiễu đặt ra. Giả sử rằng khoảng cách tần số giữa 2 cell ci, cj theo từng cặp sẽ tạo thành một ma trận SNxN trong đó mỗi hàng, mỗi cột là tương ứng với một cell. Mỗi phần tử sij của ma trận là biểu thị thứ tự khoảng cách tần số k giữa 2 cell ci, cj. Khoảng cách tần số giữa 2 cell ci, cj
là xác định khoảng cách tần số tối thiểu được sử dụng lại. Nếu giá trị sij = 0 hay khoảng cách tần số k bằng 0 có nghĩa là cho phép 2 cell ci, cj sử dụng cùng một tần số, nếu sij = 1 thì 2 cell ci, cj là không được phép sử dụng cùng tần số nhưng cho phép tần số lân cận gần nhất. Giá trị của sij có thể là 0, 1, 2, 3 hoặc 4 phụ thuộc vào việc phân tích nhiễu qua lại giữa các cell trên thực tế.
Khi xây dựng ma trận SNxN, ta cần xác định hai giá trị quan trọng trong phân bố tần số là khoảng cách tối thiểu đối với các tần số sử dụng trong cùng một cell MINcc và khoảng cách tần số tối thiểu đối với các tần số sử dụng trong 2 cell tại cùng vị trí trạm MINsc. Theo khuyến nghị của ETSI [GSM 05.05] và ETSI [GSM 03.03] và phân tích về ảnh hưởng của nhiễu gần-xa lê đã đưa ra giá trị MINcc thông thường lớn hơn hoặc bằng 5 và MINcs là lớn hơn hoặc bằng 1.3. Các phần tử sij(0) của ma trận SNxN được xác định theo nguyên tắc: = 0 sc cc ij MIN MIN s Nếu cell ci = cj Nếu ci và cj là cùng vị trí trạm (1.57) Nếu khác
Để xác định các phần tử sij(1) của ma trận SNxN, sử dụng giá trị xác xuất nhiễu đồng kênh và xác xuất nhiễu lân cận, ta có:
+ = ) 1 ( 1 0 ) 1 ( k sij Nếu pco(ci,cj)<θint Nếu p1(ci,cj)<θint < pk(ci,cj) (1.58) Nếu pk+1(ci,cj)<θint < pk(ci,cj),k =[ ]1,2
Trong đó θint là ngưỡng xác xuất nhiễu cho phép. Với (1)
ij
s có nghĩa là cell ci là cell phục vụ, cj là cell nhiễu ngược lại với sji(1) thì cell cj là cell phục vụ và ci là cell nhiễu. Như vậy ý nghĩa của sij(1) và sji(1) là khác nhau. Giá trị lớn nhất của một trong 2 giá trị
) 1 (
ij
s và sji(1) sẽ được chọn là giá trị cuối cùng để xác định khoảng cách giữa các tần số sử dụng.
Vậy ta có thể có các phần tử sij(1) của ma trận SNxN được xác định:
sij = Max(sij(0),sij(1),sji(1)) với i,j∈[1,N] (1.59) vậy ma trận SNxN biểu diễn giá trị khoảng cách tần số giữa cell ci, cj có dạng
Hình 1-6 Cấu trúc ma trận khoảng cách tần số SNxN J i 1 2 3 4 …. 1 5 3 1 1 2 3 5 0 0 3 1 0 5 2 4 1 0 2 5 …. 1.6 PHÂN BỔ TẦN SỐ
Trong mạng thông tin di động GSM, nhu cầu phát triển thuê bao của một số khu vực phát triển rất nhanh trong khi băng tần số GSM là một tài nguyên giới hạn. Để giải quyết vấn đề này trong quy hoạch và thiết kế mạng thông tin di động GSM người ta đưa ra khái niệm sử dụng lại tần số. Khái niệm sử dụng lại tần số là cùng một tần số có thể sử dụng lại ở những vị trí khác nhau trên mạng GSM với một khoảng cách an toàn để đảm bảo không nhiễu xẩy ra. Khoảng cách an toàn này được gọi là khoảng cách tối thiểu để sử dụng lại tần số D và tỷ lệ D/R là tỷ lệ an toàn để tái sử dụng lại tần số. Trong đó R là bán
kính của cell. Vấn đề sử dụng lại tần số đã được trình bày chi tiết trong phần 1.1.1.1 và một ví dụ theo Hình 1.7.
Trong Hình 1.7, giữa cell 17 và cell lân cận {9, 10, 16, 18, 19, 20} được gạch chéo phải luôn duy trì một khoảng cách tần số nhất định để tránh nhiễu. Trong một số trường hợp thậm chí đối với các cell xa hơn như các cell {2, 3, 4, 8, 11, 21} cũng vẫn nằm trong khoảng cách có thể bị nhiễu. Như vậy khoảng cách vật lý an toàn cho việc sử dụng lại các kênh tần số giống nhau là tham số rất quan trọng đối với thiết kế mạng vô tuyến di động. Khoảng cách tần số giữa các cặp cell được xác định dựa trên các yêu cầu về nhiễu và được xây dựng thành ma trận khoảng cách tần số tương ứng SNxN.
Hình 1-7 Ảnh hưởng của nhiễu khi sử dụng lại tần số
Một băng tần số bao giờ cũng có tần số fmin và tần số fmax được chia thành một tập hợp các tần số có cùng độ rộng băng tần giống nhau là fB và có khoảng cách với nhau một khoảng cách bằng nhau ∆f . Như vậy số lượng kênh tần số sẽ được xác định từ một cho đến số
lượng tần số lớn nhất Mmax: f f f M ∆ − = max min max (1.60)
Đối với hệ thống thông tin di động GSM băng tần số gồm 2 băng tần số: băng tần lên (sử dụng cho việc kết nối từ máy di động đến trạm BTS) và băng tần xuống (sử dụng cho việc kết nối từ trạm BTS xuống máy di động) như vậy ta sẽ có 2 băng tần: [f1(min),f1(max)]
và [f 2(min),f2(max)]. Băng tần lên có dải tần từ 890 MHz - 915 MHz và khoảng cách giữa 2 tần số là ∆f = 200 KHz.
Hình 1-8 Băng tần số GSM 900 MHz
Như vậy số lượng kênh tần số của mỗi băng tần là:
125 1000 . 200 ) 890 915 ( min max max = − = ∆ − = KHz KHz f f f M (tần số)
Phương pháp phân bổ tần số cho băng tần lê hay băng tần xuống là tương tự nhau. Như vậy trong phần này ta sẽ xem xét việc phân bổ tần số cho băng tần số xuống (down link) và sau đó áp dụng tương tự cho cả băng tần lên (up link).
Ngoài ra việc bảo đảm không để nhiễu xẩy xa, phân bố tần số còn bị ràng buộc bởi điều kiện về số lượng tần số cần thiết của cell để phục vụ lưu lượng theo thiết kế. Do phân bố lưu lượng không đều do đó nhu cầu tần số các cell là khác nhau. Theo có 3 phương pháp phân bố tần số: phân bố tần số cố định, phân bố tần số động và phân bố tần số linh hoạt. Trong nội dung phần này chúng ta sẽ phân tích trường hợp phân bố tần số cố định. Trong điều kiện mạng thông tin di động có băng tần giới hạn, do đó từ vấn đề hiệu quả sử dụng băng tần đặt ra cho bài toán phân bố tần số là phải tìm được phương án phân bố tần số có số lượng tần số là tối thiểu trong khi đó vẫn thỏa mãn các điều kiện về nhiễu và số lượng tần số cho từng cell. Hiện nay để giải quyết vấn đề phân bố tần số đa số các nhà khai thác sử dụng phương pháp phân bổ tần số theo một mẫu sử dụng lại tần số 3/9, 4/12, 7/21 cố định. Tuy nhiên phương pháp này có hai hạn chế sau:
25 MHz 25 MHz
890 900 910 915 920 930 935 940 950 960
Kênh lên Kênh xuống
- Việc phân bố tần số chưa căn cứ vào mức độ đánh giá về nhiễu của các cell trên mạng lưới (thông qua phương pháp đo hoặc tính toán mô phỏng) do đó khả năng vẫn có thể xẩy ra nhiễu.
- Do việc phân bố này chưa tính đến số lượng tần số thực tế cần thiết cho từng cell do vậy băng tần số sử dụng không thay đổi theo số lượng tần số sử dụng thực tế do đó hiệu quả sử dụng tần số còn thấp.
Mô hình phương pháp phân bố tần số chúng tôi đưa ra sau đây là dựa trên phương pháp tiếp cận mới:
Thứ nhất: Việc phân bố tần số dựa trên việc xác định và đánh giá khả năng nhiễu xẩy ra trên mạng lưới bằng phương pháp đo hoặc phương pháp mô phỏng từ đó xây dựng ma trận khoảng cách tần số giwuax các cell. Ma trận khoảng cách tần số giữa các cell bảo đảm việc phân bố tần số loại trừ được khả năng nhiễu xẩy ra giữa các cell.
Thứ hai: Trên cơ sở số lượng tần số cần thiết thực tế cho từng cell, mục tiêu của thuật toán sẽ tìm phương pháp phân bố tần số với số lượng tần số sử dụng là it nhất và do đó nâng cao được hiệu quả sử dụng tần số.
1.6.1 Bài toán phân bổ tần số
Giả sử trong một mạng vô tuyến GSM có M tần số, được kí hiệu là f1, f2, f3, …, fM. Khoảng cách giữa hai tần số mạng GSM là ∆f = 200 KHz. Như vậy ta có mối quan hệ về
khoảng cách tần số giữa hai tần số fi và f(i+m) là:
F(i+m) = fi + m.∆f (1.62)
Trong đó: i, m là số nguyên dương. Như vậy độ rộng cả băng tần số là M.∆f và M tấn
số tên được phân bố cho một khu vực phủ sóng bởi một tập hợp N cell C= {c1,c2, c3,…, cN}. Mỗi một cell ci, i∈N, 1≤ i ≤ N có số lượng kênh tần số cần sử dụng là wi, như vậy N cell tạo thành tập hợp vector tần số cần sử dụng cho các cell tương ứng là w = {w1, w2,…, wN}. Qua các phương pháp dự đoán hoặc do đo đạc trên thực tế ta xác định được ma trận SNxN như đã trình bày ở phần 1.5.2. Các phần tử sij của ma trận là khoảng cách tần số giữa các cell ci và cj. Tùy theo việc bố trí cell trên mạng ta sẽ xác định được các giá trị sij sao cho khoảng cách tần số giữa các cell không xẩy ra nhiễu. Kết quả của phân bố tần số là xác định được ma trận sử dụng tần số tương ứng giữa các cell, giả sử FMxN.Phần tử của ma trận FMxN được ký hiệu là fmi với 1≤ m≤M, 1≤i≤N. Theo ma trận SNxN các tần số fmi, fLj
được sử dụng phải thỏa mãn điều kiện sau để đảm bảo không có nhiễu xẩy ra:
ij L
m f s
Với tất cả các giá trị m, L, i, j (trừ trường hợp m = L và i = j là trường hợp sử dụng hai tần số cùng trên một cell). Do số lượng tần số bị giới hạn trong số M tần số do đó tổng số lượng tần số được sử dụng cho N cell phải nhỏ hơn hoặc bằng M, hay ta có:
∑ ÷ = = M m i mi W f 1 (1.64)
1.6.2 Phát triển bài toán phân bố tần số
Cho M tần số f1, f2, …., fM phân bổ cho N cell C = {c1, c2, …, cN}, mỗi một cell ci, i∈N, i≤i≤N có số lượng kênh tần số cần sử dụng là wi tạo thành tập hợp vector tần số cần sử dụng W = {w1, w2,…., wN}. Cho khoảng cách tần số giữa các cell được biểu diễn bằng ma trận SNxN. Xác định ma trận sử dụng tần số FM'xN, trong đóM' là số lượng tần số cần thiết tối thiểu (M' ≤M) thỏa mãn các điều kiện (1.63) và (1.64).
Thuật toán:
Bước 1: khởi tạo
Xác định tập hợp cell C = {c1, c2, …, cN}; Xác định số lượng tần số F = {f1, f2, …., fM}; Xác định ma trận nhiễu SNxN;
Xác định nhu cầu tần số của từng cell: W = {w1, w2,…., wN};
Khởi tạo ma trận sử dụng tần số FMxN với các phần tử ban đầu fmi=0; Đặt phần tử fmi = [0,1-1] theo nguyên tắc như sau:
fmi = 1: Nếu cell thứ i đã sử dụng tần số fm. fmi = -1: Nếu cell thứ i không sử dụng tần số fm.
fmi = 0: Khi cell thứ i (theo cột) là không sử dụng tần số thứ m (theo hàng).
Bước 2: Xác định cell đầu tiên ci để gán tàn số bằng phương pháp lựu chọn ngẫu nhiên.
Bước 3: Bắt đầu gán tần số cho cell ci có nhu cầu tần số wi;
Gán tần số fi cho cell ci khi đó chuyển giá trị fli = 0 sang fli = 1;
Bước 4: Theo giá trị của ma trận SNxN, kiểm ta các điều kiện (1.61) và thay đổi giá trị của fmi = {0;-1;1} theo nguyên tắc gán giá trị fmi ở bước 1.
Bước 5: Theo giá trị wi của cell ci kiểm tra điều kiện (1.62);
Nếu thỏa mãn thì kết thúc gán tần số cho cell ci và chuyển sang thực hiện.
Bước 6: Xác định cell gán tần số tiếp theo trong số những cell còn lại trừ cell ci : Gán tần số cho cell ck, thực hiện tương tự như cell ci ở Bước 3.
Bước 7: Khi tất cả các cell đã được gán tần số và xác định được ma trận sử dụng
tần số FMxN. Kết thúc thuật toán
1.7 KẾT LUẬN
Trong chương này trình bày những khái niệm cở bản và các vấn đề kỷ thuật chủ yếu cũng như các yếu tố chính liên quan đến quá trình thiết kế và tối ưu hóa thiết kế hệ thống vô tuyến GSM, đó là tần số, khái niệm sử dụng lại tần số, tính toán lưu lượng, chuyển cell và kỷ thuật chia cell. Phần 1.1.2 cũng đưa ra các mục tiêu chủ yếu đặt ra cho quá trình thiết kế mạng và quy hoạch mạng vô tuyến thông tin di động. Một vấn đề quan trọng cũng đặt ra nghiên cứu là lý thuyết truyền lan truyền sóng vô tuyến. Các mô hình truyền sóng được chia thành 3 loại chủ yếu là mô hình thực nghiệm, mô hình bán thực nghiệm và mô hình lý thuyết. Mô hình thực nghiệm COST 231 - Walfish-Ikegami được đưa ra như một sử lựa chọn cho mô hình dự đoán lan truyền sóng và dự đoán suy hao cho cấu trúc Macro cell và Micro cell.
Quá trình thiết kế mạng vô tuyến GSM được trình bày theo từng bước từ dự đoán vùng phủ sóng, dự đoán dung lượng, phân tích nhiễu đến phân bố tần số một cách chi tiết. Để dự đoán vùng phủ sóng chúng ta phải sử dụng phương pháp xác xuất dựa trên tính toán xác xuất phủ sóng và xác xuất lựa chọn cell để đưa ra hình dạng vùng phủ sóng của một cell gần nhất với hình dạng thực tế. Để dự đoán lưu lượng ta sử dụng phương pháp tuyến tính để ước lượng phân bố lưu lượng theo từng khu vực.
Số lượng kênh lưu lượng TCH yêu cầu của một cell được tính toán dựa trên thuật toán sử dụng công thức Erlang B và từ đó xác định được vector nhu cầu về tần số w. Việc phân tích nhiễu chủ yếu tập trung vào tính toán xác xuất nhiễu đồng kênh CCI và xác xuất nhiễu lân cận ACI cho từng cặp cell. Dựa vào kết quả tính toán xác xuất nhiễu ta đưa ra ma trận nhiễu tương ứng SNxN. Bài toán phân bố tần số là bài toán đã được chứng minh là NP-đầy đủ. Cả hai kết quả vector nhu cầu về tần số w và ma trận nhiễu SNxN được sủ dụng như số liệu đầu vào để giải quyết bài toán phân bố tần số. Để giải bài toán phân bố tần số trong phần 1.6 cũng đưa ra thuật toán dựa trên việc phân tích nhiễu giữa các cell và nhu cầu tần số của từng cell để tìm giải pháp phân bố tần số tối ưu cho tập hợp cell cho trước.
CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN GSM VÀ THUẬT TOÁN BIẾN ĐỔI GEN
2.1 BÀI TOÁN QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN GSM
Như đã trình bày ở chương 1, một giải pháp thiết kế mạng vô tuyến GSM tối ưu có liên quan đến một loạt các biến số lượng cell N, vị trí cell (xi, yi), các tham số của từng cell như (pi, hi, ai), nhiễu và dung lượng. Bài toán thiết kế vầ quy hoạch mạng bao gồm nhiều bước, mỗi bước có liên quan đến một vài biến có thể được xác định trước hoặc giới hạn