Tính dung lƣợng hệ thống

3.2 Quá trình quy hoạch mạng

3.2.3.2 Tính dung lƣợng hệ thống

Để tính toán dung lƣợng, ta sử dụng một số định nghĩa sau : - Đơn vị lưu lượng

+ Erlang : Một đơn vị lưu lượng thông tin trên mạng kênh hoạt động trong một giờ (số giờ hoạt động trên trên tổng số giờ).

+ B/s : Số bít đƣợc truyền trong thời gian 1 giây trên mạng gói

- Cấp phục vụ (GoS) : Đại lƣợng biểu thị số % cuộc gọi không thành công đối với hệ thống tiêu hao còn trong hệ thống đợi GoS là số % thuê bao thực hiện sự gọi trở lại.

- Hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu tiêu hao : Giả thiết về hệ thống mà các thuê bao không hề gọi lại khi cuộc gọi không thành công.

- Hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu đợi: Giả thiết về hệ thống mà các thuê bao sẻ kiên trì gọi lại cho đến khi thành công.

Lưu lượng của một thuê bao A được tính theo công thức sau :

3600

A nT (3.38)

Trong đó : A : Lưu lượng của thuê bao.

n : Số trung bình các cuộc gọi trong một giờ.

T : Thời gian trung bình của một cuộc gọi (s).

Giả sử tính lưu lượng của thuê bao A có trung bình 1 cuộc gọi 15 phút trong một giờ, khi đó lưu lượng của thuê bao A sẽ là:

+ n = 1

+ T = 15 x 60s = 900 (s)

=> 1 900

0, 25er 3.600 3.600

A n T    l

Lưu lượng Erlang cần cho một thuê bao được tính như sau :

3600

u CCH

E  mt (3.39)

Trong đó : m : Số lần thuê bao sử dụng kênh điều khiển.

tu : Thời gian sử dụng trung bình của thuê bao

Ứng với số kênh điều khiển là NCCH, tra bảng ta sẽ có tổng dung lƣợng Erlang cần thiết là Etot. Tổng số thuê bao đƣợc phục vụ đƣợc tính nhƣ sau :

CCH tot total

E

S  E (3.40)

Để phục vụ Stotal thuê bao, ta tính được tổng lưu lượng Erlang cần thiết theo công thức :

A

CErl  Stotal (3.41)

Từ giá trị CErl tra bảng ta sẻ tính đƣợc tổng số kênh cần thiết.

 Phương pháp chuyển đổi lưu lượng theo mô hình Erlang

Phương pháp chuyển đổi lưu lượng từ các loại hình dịch vụ khác nhau ra đơn vị Erlang, cụ thể nhƣ sau:

- Lưu lượng dịch vụ thoại:

Giả sử theo thống kê trung bình một tháng thuê bao gọi thoại là 240 phút. Khi đó để tính lưu lượng bình quân lưu lượng thoại trên mỗi thuê bao sẽ thực hiện như sau:

+ Số ngày thực hiện cuộc gọi thường xuyên trong tháng là: 24 ngày + Số phút bình quân trong ngày sẽ là: 10,83

24 min

260 

day

+ Bình quân trong ngày có 8h bận nên số phút bình quân của một thuê bao trong 1h bận là: 1,354

8 83 ,

10 

+ Lưu lượng bình quân của một thuê bao sẽ là:

22,7mErl Erlang

0225 , 60 0

min 354 ,

1  

s - Lưu lượng dịch vụ data:

Giả sử theo thống kê trung bình một tháng thuê bao thực hiện dịch vụ data với dung lƣợng gồm: 20MB Uplink với tốc độ 64 kbps và 50MB Downlink với các tốc độ 64 kbps, 128 kbps & 384 kbps.

+ Đối với Uplink: data bình quân trong giờ bận của một thuê bao sẽ là:

kbyte s kbit s

s h

day

MB 0,031 / 0,258 / 3600

8 22

20  





+ Đối với Downlink: data bình quân trong giờ bận của một thuê bao sẽ là:

kbyte s kbit s

s h

day

MB 0,081 / 0,647 / 3600

8 24

50  





Khi sẽ thực hiện chia theo từng dịch vụ nhƣ sau:

Dịch vụ (kbit/s) MB trên thuê bao trong một tháng

Kbit/s trên thuê bao trong giờ bận

64k 20 MB 0.258 kbit/s

128k 20 MB 0.2586 kbit/s

384k 10 MB 0.1293 kbit/s

- Chuyển đổi dung lƣợng các dịch vụ sang đơn vị Erlang: ta có công thức chuyển đổi qua lại của quan hệ này nhƣ sau:

Kbit/s = Erlang x tốc độ dịch vụ x Activity Factor

Chẳng hạn ta có lưu lượng bình quân của dịch vụ CS 64 của một thuê bao là 0,182 kbit/s, AF=1. Lúc đó lưu lượng Erlang của mạng có 100K thuê bao cho dịch vụ CS 64 sẽ là:

0,182 kbps x 100.000 sub

= 248, 4 Erlang 64 kbps x 1 (AF = 1)

Với những đặc thù của công nghệ CDMA, để xây dựng một bài toán tối ƣu trong quá trình định cỡ là rất khó do phụ thuộc vào nhiều tham số khác nhau, ngay cả thông tin dự báo về nhu cầu dung lượng chỉ mang tính tương đối. Do vậy, chúng ta chỉ xem xét bài toán gần tối ưu và đây là một quá trình lặp. Ở bước lặp, khởi tạo hệ số tải được giả thiết là tối đa 50% (giá trị tối đa trên thực tế), sau đó nó sẻ đƣợc giảm dần để cân bằng với hệ số tải thực tế.

3.3 Tối ƣu mạng

Tối ƣu mạng là một quá trình nhằm cải thiện, nâng cao toàn bộ chất lƣợng mạng khi đã thử nghiệm bởi các thuê bao di động và đảm bảo rằng các nguồn tài nguyên mạng đƣợc sử dụng một cách hiệu quả. Quá trình tối ƣu bao gồm:

- Đo đạc hiệu năng (các chỉ tiêu kỹ thuật).

- Phân tích các kết quả đo đạc.

- Điều chỉnh mạng.

Bước đầu của quá trình tối ưu mạng là định nghĩa các tiêu chí hiệu năng chính bao gồm các các kết quả đo ở hệ thống quản lý mạng và số liệu đo thực tế hay bất kỳ thông tin khác có thể sử dụng để xác định chất lƣợng dịch vụ.

Bước tiếp theo, việc phân tích các kết quả đo đạc nhằm mục đích phân tích chất lƣợng mạng để cung cấp cho nhà khai thác một cách nhìn tổng quan về chất lƣợng và hiệu quả sử dụng. Phân tích chất lƣợng và báo cáo bao gồm việc lập kế hoạch về các

trường hợp đo thực tế và đo bằng hệ thống quản lý mạng. Sau khi đã đặc tả các chỉ tiêu chất lƣợng dịch vụ và đã phân tích số liệu thì có thể lập ra báo cáo điều tra.

Với sự trợ giúp của hệ thống quản lý và vận hành bảo dƣỡng mạng (OSS) có thể phân tích thống kê hiệu suất mạng trong một khoảng thời gian đã sử dụng, hiện tại và dự báo cho tương lai. Ngoài ra, có thể phân tích hiệu suất thông qua các thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến RRM và các thông số của chúng KPI điển hình nhƣ: tổng công suất phát trạm gốc, tổng phí chuyển giao mềm; tốc độ ngắt cuốc gọi; trễ dữ liệu gói... Sau đó tiến hành so sánh KPI với các giá trị mục tiêu sẽ chỉ ra các vấn đề tồn tại của mạng để có thể tiến hành điều chỉnh mạng.

Cuối cùng là điều chỉnh mạng, việc điều chỉnh mạng bao gồm: cập nhật các thông số RRM (các thông số chuyển giao, các công suất kênh chung, số liệu gói), thay đổi hướng anten trạm gốc, có thể điều chỉnh hướng anten trạm gốc bằng bộ điều khiển từ xa trong một số trường hợp (như khi vùng chồng lấn với cell lân cận quá lớn, nhiễu cell cao và dung lƣợng hệ thống thấp).

3.4 Kết luận chương

Trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba việc quy hoạch mạng rất quan trọng vì mạng thế hệ ba cung cấp nhiều dịch vụ đa dạng. Trong chương này ta đã tìm hiểu được quá trình hoạch định mạng, cũng như tính dung lượng vùng phủ, suy hao đường truyền và định cỡ mạng cũng như tối ưu mạng. Trong chương tiếp theo ta sẽ đi vào chương trình tính toán, tối ưu cụ thể của mạng 3G đối với vùng cụ thể.

CHƯƠNG 4:

QUY HOẠCH VÙNG PHỦ SÓNG TỈNH THÁI BÌNH

4.1 Giới thiệu chương

Điện thoại di động tế bào đƣợc thiết kế để cung cấp thông tin liên lạc giữa hai thiết bị di chuyển (gọi là trạm điện thoại di động -MSS), hoặc từ một MSS tới đơn vị cố định. Một nhà cung cấp dịch vụ phải có khả năng xác định vị trí MSS và theo dõi người gọi, chỉ định một kênh để gọi, và chuyển kênh từ BS này đến BS khác khi người gọi di chuyển trong phạm vi nào đó. Mỗi khu vực dịch vụ di động là chia thành các vùng đƣợc gọi là tế bào. Mỗi tế bào chứa một ăng-ten và đƣợc cung cấp nguồn bởi một nguồn năng lượng mặt trời hoặc xoay chiều (AC) từ lưới điện thành phố. Mỗi vùng đƣợc điều khiển bởi một trung tâm chuyển mạch di động (MSC). Các MSC tọa độ giao tiếp giữa tất cả các BS trung tâm

Quy hoạch Cell là một thách thức do khá phức tạp, mà nó phát từ yêu cầu mô hình liên quan đến truyền sóng và tối ƣu hóa. Rất nhiều tác giả đã tìm kiếm các thuật toán khác nhau nhƣ: Tuba tìm kiếm thuật toán di truyền GA và đã đƣợc triển khai thành công trong các thiết kế mạng di động. Phân tích Clustering là một tiểu lĩnh vực trong việc khai phá dữ liệu (data mining), kỹ thuật chuyên tìm kiếm các nhóm tương tự nhau trong tập cơ sở dữ liệu rất lớn. Mục tiêu của nó là để chỉ định các dữ liệu cùng một cụm rằng chúng có nhiều “điều tương tự” với nhau hơn là để dữ liệu của các cụm khác nhau. Việc áp dụng clustering trong phân nhỏ không gian dữ liệu theo các đặc tính quan trọng. Không gian dữ liệu được phân nhỏ thường có số lƣợng lớn các điểm. Nhƣ vậy, thuật toán cho clustering trong không gian cơ sở dữ liệu đƣợc chia nhỏ không sử dụng toàn bộ cơ sở dữ liệu có thể đƣợc giữ trong bộ nhớ chính. Do đó, kĩ thuật Clustering kỹ thuật đã đƣợc triển khai thành công trong quy hoạch mạng có dây và trong quy hoạch mạng Wireless Local Loop.

Giải thuật M-PAM và CWN-PAM dựa trên ý tưởng của giải thuật PAM [13] để áp dụng cho bài toán tìm vị trí đặt trạm BS tối ưu Chương này của luận văn mong muốn tìm hiểu các giải thuật PAM, M-PAM và CWN-PAM trong việc quy hoạch mạng thong tin di động, áp dụng giải thuật PAM nhằm tính toán thiết kế quy hoạch vùng phủ sóng tỉnh Thái Bình.

4.2 Giải thuật PAM (Partition Around Mediods) 4.2.1 Giới thiệu thuật toán PAM

Các giải thuật PAM cũng đƣợc gọi là thuật toán K-medoids, đại diện cho một cluster của một [14] medoid. Đầu tiên, một số lƣợng cụm mong muốn đƣợc đƣa vào với một tập hợp ngẫu nhiên k đại lượng để thiết lập các medoids. Sau đó, tại mỗi bước, tất cả các tập dữ liệu đầu vào mà chúng không đƣợc coi là các medoids hiện hành phải đƣợc kiểm tra lần lƣợt để xem liệu chúng có thể đƣợc coi là medoids không. Đó là, thuật toán xác định xem có một đại lƣợng liệu nên thay thế một trong những medoids hiện tại hay không.

Bằng cách xem xét tất cả các cặp đối tƣợng medoids-nonmedoids, thuật toán lựa chọn các cặp đó cải thiện chất lƣợng tổng thể của cụm tốt nhất và trao đổi chúng. Chất lƣợng ở đây đƣợc đo bằng tổng hợp của tất cả các trọng số từ một đối tƣợng không medoid đến medoid mà chúng ở trong cluster. Đại lƣợng A đƣợc gán cho nhóm đại diện bởi các medoid mà nó là gần gũi nhất (Tối thiểu từ xa hoặc trực tiếp khoảng cách Euclide giữa khách hàng và trung tâm của cụm họ thuộc về).

Các thuật toán PAM [14] là thể hiện dưới đây. Người ta giả định rằng Ki là nhóm đại diện medoid ti. Giả sử ti là một medoid hiện tại và chúng tôi muốn để xác định xem nó phải được trao đổi với một không medoid thứ. Người ta muốn làm điều này trao đổi chỉ khi tổng thể tác động đến chi phí (tổng các trọng số đến medoids cluster) đại diện cho một sự cải tiến. Các tác động đến chất lƣợng tổng của một thay đổi medoid là đƣợc đƣa ra bởi TC:

 

 k

h n C i j

h f

n n disp TC

1

) , (

Các giải thuật PAM xác định số lượng cụm (k) trước khi bắt đầu tìm kiếm các địa điểm tốt nhất cho BS. Các thuật toán M-PAM sử dụng các giải thuật quy hoạch mạng vô tuyến để xác định ban đầu k. M-PAM cũng sử dụng phương trình trên đây để tính toán TC.

PAM là giải thuật kinh điển dùng trong việc phân tích các cơ sở dữ liệu. Mục đích của giải thuật nhằm sắp xếp các thành phần dữ liệu vào nhóm các dữ liệu (cluster) sao cho thoả mãn các điều kiện sau:

 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

Giải thuật PAM

Dữ liệu vào : D = t1,t2...tn // 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 Giải thuật PAM

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

di, =xi1xj1q  xi2 xj2 q ... xip xjp qq1

Với xi1,xi2...,xip và xj1,xj2...,xjp là các tính chất của 2 điểm dữ liệu xi và xj, q là một số nguyên dương

Nếu q = 1 ta có khoảng cách Manhattan:

j

di, = xi1xj1  xi2 xj2 ... xip xjp

Nếu q = 2 ta có khoảng cách Euclidean

j

di, =xi1xj12  xi2 xj2 2... xip xjp 212

Với các tính chất : di,j 0 di,i= 0 di,j=dj,i di,j  di,k+dk,j

4.2.2 Giải thuật M-PAM (Modified – PAM)

Giải thuật M – PAM dựa trên ý tưởng của giải thuật PAM với điểm mới là giải thuật M –PAM đã sử dụng giải thuật của quy hoach mạng viễn thông để xác định tham số k (Trong PAM phải xác định tham số k trước khi chạy giải thuật)

 Giải thuật con dùng để xác định tham số k

Sử dụng giải thuật trong quy hoạch GSM để tính toán số lƣợng cell cần thiết theo quy hoạch vùng phủ và số lƣợng cell cần thiết theo quy hoạch dung lƣợng

 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)

 Giải thuật M – PAM

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

medoidn i

j i

current

j

medoid non

medoid dis

TC ( , )

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:

 medoid  non – medoid

 non – medoid  medoid

 Tiến hành lại các bước 3, 4. Tính lại các giá trị TCi,jcho các trường hợp

 Tìm cặp i,j sao cho giá trị TCi,j là nhỏ nhất.

 Tiến hành so sánh: Nếu TCi,j< TCcurrent thì ta sẽ chấp nhận sự thay đổi này.

Lặp lại quá trình lặp trên, điều kiện để kết thúc vòng lặp là:

j

TCi, TCcurrent

Sau khi đã xác định được trường hợp tối ưu, ta phân phối các non – medoid theo các medoid, và hiển thị kết quả. Vị trí các medoid chính là vị trí tham khảo dành cho các BS.

4.2.3 Giải thuật CWN-PAM (Clustering with Weighted Node – PAM)

Giải thuật CWN – PAM dựa trên giải thuật M – PAM với sự điều chỉnh trong công thức TC cho phù hợp với sự ràng buộc về mặt dung lƣợng trong hệ thống viễn thông

WTC = , ( , j)

k

medoidn i

i j

i dis medoid non medoid L

j



  



Tham số Li.j là tải lưu lượng theo hướng (i,j)

Giải thuật CWN – PAM còn đưa ra hai phương pháp để tối ưu kết quả tính toán trong trường hợp kết quả không phù hợp với sự 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

 Giải thuật CWN – PAM

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

medoidn i

i j

i dis medoid non medoid L

j



  



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:

 medoid  non – medoid

 non – medoid  medoid

 Tiến hành lại các bước 3, 4. Tính lại các giá trị WTCi,j cho các trường hợp

 Tìm cặp i,j sao cho giá trị WTCi,j là nhỏ nhất.

 Tiến hành so sánh: Nếu WTCi,j< WTCcurrent thì ta sẽ chấp nhận sự thay đổi này.

 Lặp lại quá trình lặp trên, điều kiện để kết thúc vòng lặp là:

j

WTCi, WTCcurrent Bước tối ưu:

Giả sử ta có:

- Bán kính của cell theo bài toán quy hoạch vùng phủ: R0 - Dung lƣợng phục vụ của cell bài toán quy hoạch tần số: C0 - Ri và Ci theo kết quả của giải thuật lần lƣợt cho các cell

k i1

- Nếu (Ri>R0) hoặc Ci> R0 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:

M – PAM:

 



 k

medoidn i

j i

j

medoid non

medoid dis

TC ( , )

CWN-PAM:

WTC = , ( , j)

k

medoidn i

i j

i dis medoid non medoid L

j



  



Trong giải thuật CWN-PAM ta thấy vị trí medoids sẽ hướng đến các điểm có tải trọng lớn (tải lưu lượng lớn), như vậy trong thực tế, vị trí của trạm gốc sẽ hướng đến các điểm có mật độ thuê bao cao. Trong quá trình quy hoạch mạng, đầu tiên người