Tính toán công suất giải quyết bài toán tắt nghẽn trong hệ thống thông tin di động

Ngày nay với những nhu cầu cả về số lượng và chất lượng của khách hàng sử dụng các dịch vụ viễn thông ngày càng cao, đòi hỏi phải có những phương tiện thông tin hiện đại nhằm đáp ứng các

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

µ ¸

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐỀ TÀI:

TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN

TẮT NGHẼN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

GVHD : TS ĐỖ HỒNG TUẤN HVTH : DUƠNG THANH LIÊM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐỖ HỒNG TUẤN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: DƯƠNG THANH LIÊM Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 04/11/1980 Nơi sinh: Bạc Liêu

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử MSHV: 01408374

I - TÊN ĐỀ TÀI

TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN TẮT NGHẼN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

- Xây dựng qui trình cụ thể, mô hình toán học khoa học cho phương pháp điều chỉnh công suất

- Xác định mức công suất cần điều chỉnh thích hợp cho cell nghẽn và các cell lân cận

- Xây dựng phần mềm MobileCom2009 làm công cụ hỗ trợ cho việc tính toán được nhanh chóng, chính xác

- Ứng dụng phương pháp điều chỉnh công suất để chống nghẽn cho mạng Vinaphone

III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/02/2009

IV - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/07/2009

V - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐỖ HỒNG TUẤN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm 2009

TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Tôi chân thành cảm ơn thầy TS Đỗ Hồng Tuấn đã tận tình hướng dẫn, tạo

mọi điều thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng chân thành cảm ơn quý thầy cô ở Khoa Điện-Điện tử trường Đại học Bách khoa Tp.HCM, những người đã truyền đạt kiến thức, định hướng nghiên cứu khoa học trong suốt khóa học

Cuối cùng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Xin trân trọng ghi nhớ

Dương Thanh Liêm

[ \

MỤC LỤC

Chương 1: Giới thiệu

Tóm tắt 1

1.1 Đặt vấn đề 3

1.2 Phạm vi nghiên cứu 5

1.3 Lý do chọn đề tài 5

1.4 Bố cục luận văn 6

Chương 2: Tính toán mạng thông tin di động Cellular 2.1 Lý thuyết về lưu lượng và định cỡ kênh 8

2.2.1 Lưu lượng và kênh vô tuyến đường trục 8

2.1.2 Cấp độ dịch vụ - GoS (Grade of Service) 9

2.1.3 Hiệu suất sử dụng trung kế (đường trục) 11

2.2 Tính toán truyền sóng trong thông tin di động Cellular 11

2.2.1 Tổn hao đường truyền sóng vô tuyến 11

2.2.1.1 Tính toán lý thuyết 12

2.2.1.2 Các mô hình chính lan truyền sóng trong thông tin di động 16

2.2.2 Vấn đề Fading 19

2.2.3 Ảnh hưởng nhiễu C/I và C/A 21

2.2.3.1 Nhiễu đồng kênh C/I 21

2.2.3.2 Nhiễu kênh lân cận C/A 23

2.2.3.3 Một số biện pháp khắc phục 24

2.3 Tính toán quỹ đường truyền cho hệ thống GSM 26

2.3.1 Tính toán suy hao đường truyền tối đa cho phép 26

2.3.1.2 Tính toán công suất bức xạ đẳng hướng tổng EIRP 28

2.3.1.3 Tính toán độ tăng ích máy thu 32

2.3.1.4 Tính toán độ tăng ích hệ thống 34

2.3.1.5 Tính toán độ dự trữ fading 34

2.3.1.6 Suy hao đường truyền cực đại cho phép 36

2.3.2 Tính toán vùng phủ sóng theo mô hình Okumura-Hata 37

2.4 Qui hoạch tần số 38

2.4.1 Tái sử dụng lại tần số 38

2.4.2 Các mẫu tái sử dụng tần số 41

2.4.2.1 Mẫu tái sử dụng tần số 3/9 42

2.4.2.2 Mẫu tái sử dụng tần số 4/12 44

2.4.2.3 Mẫu tái sử dụng tần số 7/21 45

2.5 Kết luận 48

Chương 3: Một số chế độ hoạt động của thuê bao di động 3.1 Quá trình chọn Cell 49

3.1.1 Thủ tục chọn cell 49

3.1.1.1 No SIM-Stored BA List 49

3.1.1.2 SIM-Stored BA List 50

3.1.2 Tính toán chọn cell 50

3.1.2.1 Các thông số ảnh hưởng đến chọn cell 50

3.1.2.2 Thông số chọn cell C1 51

3.1.2.3 Thông số chọn cell C2 53

3.2 Quá trình chuyển giao 58

3.2.1 Khởi tạo thủ tục Handover 58

3.2.2 Tính toán Handover 61

3.3 Kết luận 66

Chương 4: Một số phương phát giải quyết tắc nghẽn bằng điều chỉnh công suất

4.1 Định vị cell nghẽn (Hotspot) 67

4.2 Phương pháp điều chỉnh công suất cell Hotspot và trạm lân cận 67

4.2.1 Lưu đồ tính toán 68

4.2.2 Tính toán cell Hotspot 70

4.2.2.1 Tính toán lưu lượng và vùng phủ ước lượng cell Hotspot 70

4.2.2.2 Tính toán công suất cell Hotspot .74

4.2.3 Tính toán cell lân cận 76

4.2.3.1 Tính toán lưu lượng cell lân cận 76

4.2.3.2 Tính toán công suất cell lân cận 79

4.2.4 Tính toán nhiễu đồng kênh C/I 81

4.3 Phương pháp cell Hotspot kết hợp trạm lưu động 82

4.4 Phương pháp điều chỉnh công suất cell Hotspot kết hợp 2 trạm lưu động (Spliting cell) 85

4.5 Phương pháp điều chỉnh công suất cell Hotspot và cell lân cận kết hợp 1 trạm lưu động 90

4.6 Phương pháp điều chỉnh công suất cell Hotspot và cell lân cận kết hợp 2 trạm lưu động (Spliting cell) 90

4.7 Kết luận 91

Chương 5 : Minh họa công tác giải quyết tắc nghẽn bằng điều chỉnh công suất mạng Vinaphone 5.1 Thông số mạng thực tế 92

5.2 Thực hiện điều chỉnh công suất 97

5.2.1 Tính toán lưu lượng và vùng phủ ước lượng cell bị nghẽn 97

5.2.2 Tính toán lưu lượng và vùng phủ ước lượng cell lân cận 105

5.2.3 Tính toán nhiễu đồng kênh C/I 115

5.2.5 Tính toán Handover 119

5.2.6 Kết quả nhận được qua mô phỏng và thực tế 120

5.3 Kết luận và hướng phát triển 127

Mục lục i

Danh mục iv

Phụ lục v

Tài liệu tham khảo viii

Sơ yếu lý lịch xi

[ \

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2-1: Lưu lượng: Muốn truyền, được truyền, nghẽn 9

Hình 2-2: Xác suất nghẽn GoS 10

Hình 2-3: Truyền sóng trong trường hợp coi mặt đất là bằng phẳng 13

Hình 2-4: Vật chắn trong tầm nhìn thẳng 14

Hình 2-5: Biểu đồ cường độ trường của OKUMURA 15

Hình 2-6: Shaddowing 20

Hình 2-7: Fading Rayleigh 20

Hình 2-8: Tỷ số nhiễu đồng kênh C/I 22

Hình 2-9: Ví dụ lập kế hoạch tần số không nhảy tần 25

Hình 2-10: Ví dụ lập kế hoạch tần số dùng nhảy tần tổng hợp SFH của Vinaphone 25

Hình 2-11: Anten đẳng hướng 26

Hình 2-12: Anten dipole nửa bước sóng 27

Hình 2-13: Búp sóng Anten thực tế (Practical antenna) 27

Hình 2-14: Búp sóng chính 27

Hình 2-15: Suy hao Phiđơ và Connector 29

Hình 2-16: Bộ tách ghép Combiner 30

Hình 2-17 : Phân tập không gian 33

Hình 2-18: Xác xuất các vị trí thu tín hiệu của MS tại vùng phủ của cell 35

Hình 2-19: Mảng mẫu gồm 7 cells 39

Hình 2-20: Khoảng cách tái sử dụng tần số 40

Hình 2-21: Sơ đồ tính C/I 40

Hình 2-22: Mẫu tái sử dụng lại tần số 3/9 43

Hình 2-23: Mẫu tái sử dụng lại tần số 4/12 45

Hình 2-24: Mẫu tái sử dụng tần số 7/21 47

Hình 3-1: Macrocell và Microcell 56

Hình 3-2: Handover 58

Hình 3-3: Khởi tạo thủ tục Handover 58

Hình 3-5: Qui trình xử lý handover 61

Hình 3-6: Các thông số dẫn tới handover 62

Hình 3-7: Handover margin 64

Hình 3-8: Ví dụ tính toán handover 65

Hình 4-1: Mô hình tính toán 68

Hình 4-2: Cluster có 7 cell 70

Hình 4-3: Phân bố tần số thêm cho cell nghẽn 83

Hình 4-4: Mô hình Hostpot kết hợp trạm lưu động 84

Hình 4-5: Cell Hostpot giảm công suất phát đi 1/3 86

Hình 4-6: Cell Hostpot kết hợp 2 trạm lưu động (Spliting cell) 86

Hình 4-7: MS đang lấy sóng cell nghẽn 87

Hình 4-8: MS đang lấy sóng trạm lưu động 1 88

Hình 4-9: MS đang lấy sóng trạm lưu động 2 89

Hình 4-10: Cell Hostpot và cell lân cận kết hợp 1 trạm lưu động 90

Hình 4-11: Cell Hostpot và trạm lân cận kết hợp 2 trạm lưu động 91

Hình 5-1: Công cụ tính toán vùng phủ sóng theo mô hình Okumura-Hata cho cell Xuan-Thanh1_DNI 96

Hình 5-2: Công cụ tính toán vùng phủ sóng theo mô hình Okumura-Hata cho cell Xuan-Thanh1_DNI 97

Hình 5-3: Công cụ tính toán công suất dự báo cho cell Xuan-Thanh1_DNI 104

Hình 5-4: Bản đồ khu vực Bàu Sen Xuân Tân 106

Hình 5-5: Vùng phủ mô phỏng cell Xuan-Thanh1_DNI và cell Xuan-Lap2_DNI 106

Hình 5-6: Công cụ tính toán vùng phủ sóng cell lân cận theo mô hình Okumura-Hata

110

Hình 5-7: Công cụ tính toán công suất dự báo cell Xuan-Lap2_DNI 114

Hình 5-8: MS chọn cell Xuan-Thanh1_DNI 117

Hình 5-9: MS chọn cell Xuan-Lap2_DNI 118

Hình 5-10: MS chọn cell Xuan-Lap2_DNI (Sau khi điều chỉnh công suất) 119

[ \

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2-1: Bảng đánh giá hiệu suất sử dụng trung kế 11

Bảng 2-2: Tính toán độ tăng ích Anten 28

Bảng 2-3: Mức công suất phát của trạm gốc 31

Bảng 2-4: Mức công suất phát của MS 32

Bảng 2-5: Tính toán công suất bức xạ đẳng hướng tổng EIRP 32

Bảng 2-6: Tính toán độ tăng ích máy thu 34

Bảng 2-7: Tính toán độ tăng ích hệ thống 34

Bảng 2-8: Độ dự trữ fading do vật che 35

Bảng 2-9: Tính toán Argument 36

Bảng 2-10: Tính toán độ dự trữ fading 36

Bảng 2-11: Suy hao đường truyền cực đại cho phép 37

Bảng 2-12: Tính toán vùng phủ sóng theo mô hình Okumura-Hata 38

Bảng 2-13: Bảng quan hệ N và C/I 41

Bảng 2-14: Mẫu tái sử dụng tần số 3/9 42

Bảng 2-15: Mẫu tái sử dụng tần số 4/12 44

Bảng 2-16: Mẫu tái sử dụng tần số 7/21 46

Bảng 4-1: Lưu lượng mỗi thuê bao 70

Bảng 4-2: Lưu lượng phục vụ (Amax) 71

Bảng 4-3: Tính toán lưu lượng cell Hotspot 72

Bảng 4-4: Lưu lượng dự báo mỗi km2 73

Bảng 4-5: Bán kính phủ sóng dự báo 74

Bảng 4-6: Suy hao đường truyền cực đại cho phép đường xuống 74

Bảng 4-7: Độ lợi máy thu MS 75

Bảng 4-8: Độ dự trữ tổng cộng 75

Bảng 4-9: Công suất bức xạ đẳng hướng tổng EIRP đường xuống 75

Bảng 4-11: Số thuê bao phục vụ cực đại trạm lân cận 77

Bảng 4-12: Lưu lượng muốn truyền qua hệ thống 78

Bảng 4-13: Diện tích phủ sóng S1 trạm lân cận 78

Bảng 4-14: Bán kính phủ sóng dự báo trạm lân cận 79

Bảng 4-15: Suy hao đường truyền cực đại cho phép đường xuống trạm lân cận 79

Bảng 4-16: Độ lợi máy thu MS 80

Bảng 4-17: Độ dự trữ tổng cộng 80

Bảng 4-18: Công suất bức xạ đẳng hướng tổng EIRP đường xuống 80

Bảng 4-19: Công suất phát dự báo trạm lân cận 81

Bảng 4-20: Tính toán nhiễu đồng kênh C/I 81

Bảng 4-21: Mẫu tái sử dụng tần số 4/12 83

Bảng 5-1: Độ lợi Anten 92

Bảng 5-2: Công suất bức xạ đẳng hướng tổng EIRP 93

Bảng 5-3: Tính toán độ lợi máy thu 93

Bảng 5-4: Tính toán độ lợi hệ thống cell Xuan-Thanh1_DNI 94

Bảng 5-5: Tính toán độ dự trữ fading tổng cộng cell Xuan-Thanh1_DNI 94

Bảng 5-6: Suy hao đường truyền cực đại cho phép cell Xuan-Thanh1_DNI 94

Bảng 5-7: Tính toán vùng phủ sóng cell Xuan-Thanh1_DNI theo mô hình Okumura-Hata 95

Bảng 5-8: Bảng thống kê các trạm có mức nghẽn > 10% trong 1 tuần 98

Bảng 5-9: Bảng thống kê lưu lượng cell Xuan-Thanh1_DNI 99

Bảng 5-10: Lưu lượng cho phép Cell Xuan-Thanh1_DNI với QoS=2% 100

Bảng 5-11: Thông số cuộc gọi mạng Vinaphone 101

Bảng 5-12: Bảng thống kê lưu lượng trong 1 tuần cell Xuan-Thanh1_DNI 101

Bảng 5-13: Lưu lượng dự báo cell Xuan-Thanh1_DNI mỗi km2 102

Bảng 5-14: Tính toán vùng phủ sóng mới cell Xuan-Thanh1_DNI 102

Bảng 5-15: Tính suy hao đường truyền cực đại cho phép cell Xuan-Thanh1_DNI 103

Bảng 5-16: Tính toán độ lợi máy thu 103

Bảng 5-17: Tính toán độ dự trữ fading tổng cộng cell Xuan-Thanh1_DNI 103

Bảng 5-18: Tính công suất bức xạ đẳng hướng tổng EIRP đường xuống cell

Xuan-Thanh1_DNI 103

Bảng 5-19: Tính toán công suất phát dự báo cell Xuan-Thanh1_DNI 104

Bảng 5-20: Các cell lận cận Cell Xuan-Thanh1_DNI 105

Bảng 5-21: Số thuê bao phục vụ cực đại cell Xuan-Lap2_DNI 107

Bảng 5-22: Thống kê lưu lượng trên cell Xuan-Lap2_DNI 108

Bảng 5-23: Lưu lượng muốn truyền cell Xuan-Lap2_DNI 108

Bảng 5-24: Diện tích phủ sóng của cell Xuan-Lap2_DNI 110

Bảng 5-25: Diện tích phủ sóng dự báo cell Xuan-Lap2_DNI 112

Bảng 5-26: Suy hao đường truyền cực đại cho phép đường xuống cell Xuan-Lap2_DNI 112

Bảng 5-27: Độ lợi máy thu 113

Bảng 5-28: Độ dự trữ fading tổng cộng cell Xuan-Lap2_DNI 113

Bảng 5-29: Công suất bức xạ đẳng hướng tổng EIRP cell Xuan-Lap2_DNI 113

Bảng 5-30: Công suất phát dự báo cell Xuan-Lap2_DNI 113

Bảng 5-31: Tính toán nhiễu đồng kênh C/I cell Xuan-Lap2_DNI 116

Bảng 5-32: Lưu lượng cell Xuan-Thanh1_DNI ngày 08/06/2009 sau khi thực hiện điều chỉnh giảm công suất xuống 2dBm (phát 39dBm) 121

Bảng 5-33: Lưu lượng nhận được của cell Xuan-Thanh1_DNI ngày 09/06/2009 122

Bảng 5-34: Lưu lượng cell Xuan-Thanh1_DNI ngày 10/06/2009 sau khi thực hiện điều chỉnh giảm công suất xuống 6dBm (phát 35dBm) 123

Bảng 5-35: Lưu lượng cell Xuan-Lap2_DNI trong ngày 08/06/2009 124

Bảng 5-36: Lưu lượng cell Xuan-Lap2_DNI trong ngày 09/06/2009 125

Bảng 5-37: Lưu lượng cell Xuan-Lap2_DNI trong ngày 10/06/2009 126

[ \

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BCCH Broadcast Control Channel

BSC Base Station Controller

BSIC Base Station Identity Code

BTS Base Transceiver Station

C/A Carrier to Adjacent

CCCH Common Control Channel Cell Cellular

C/I Carrier to Interference

FCCH Frequency Correction Channel GoS Grade of Service

GSM Global System for Mobile Communication GPRS General Packet Radio Service

LAI Location Area Identifier

Chương 1

GIỚI THIỆU

TÓM TẮT

Trong cuộc sống hàng ngày thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng

và không thể thiếu được Nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các thông tin có giá trị văn hoá, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú

Ngày nay với những nhu cầu cả về số lượng và chất lượng của khách hàng sử dụng các dịch vụ viễn thông ngày càng cao, đòi hỏi phải có những phương tiện thông tin hiện đại nhằm đáp ứng các nhu cầu đa dạng của khách hàng “mọi lúc, mọi nơi” mà họ cần

Thông tin di động ngày nay đã trở thành một dịch vụ kinh doanh không thể thiếu được của tất cả các nhà khai thác viễn thông trên thế giới Đối với các khách hàng viễn thông, nhất là các nhà doanh nghiệp thì thông tin di động trở thành phương tiện liên lạc quen thuộc và không thể thiếu được Dịch vụ thông tin di động ngày nay không chỉ hạn chế cho các khách hàng giầu có nữa mà nó đang dần trở thành dịch vụ phổ cập cho mọi đối tượng viễn thông

Trong những năm gần đây, lĩnh vực thông tin di động trong nước đã có những bước phát triển vượt bậc cả về cơ sở hạ tầng lẫn chất lượng phục vụ Với sự hình thành nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông mới đã tạo ra sự cạnh tranh để thu hút thị phần thuê bao giữa các nhà cung cấp dịch vụ Các nhà cung cấp dịch vụ liên tục đưa ra các chính sách khuyến mại, giảm giá và đã thu hút được rất nhiều khách hàng sử dụng dịch vụ Cùng với đó, mức sống chung của toàn xã hội ngày càng được nâng cao đã khiến cho số lượng các thuê bao sử dụng dịch vụ di động tăng đột biến trong các năm gần đây

Các nhà cung cấp dịch vụ di động trong nước hiện đang sử dụng hai công nghệ là GSM (Global System for Mobile Communication - Hệ thống thông tin di động toàn cầu) với chuẩn TDMA (Time Division Multiple Access - đa truy cập phân chia theo thời gian) và công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access - đa truy cập phân chia theo mã) Các nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng hệ thống

Gtel và các nhà cung cấp dịch vụ di động sử dụng công nghệ CDMA là S-Fone, EVN

Khi nói đến hệ thống thông tin di động GSM, thường hay nói về vấn đề qui hoạch tần số, qui hoạch vùng phủ sóng, chất lượng mạng chung quy là để đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ của khách hàng Đảm bảo sao cho khách hàng có thể gọi được mọi lúc mọi nơi với chất lượng tốt nhất có thể Và một trong những vấn đề thực sự quan trọng là vấn đề nghẽn mạng trong hệ thống GSM Có nhiều phương pháp chống nghẽn mạng như AMR (Adapter Multi-Rate), CR (Connections Release), trạm lưu động… được sử dụng rộng rãi trên thế giới Trong luận văn này

sẽ trình bày một phương pháp khá mới ở Việt Nam dùng để chống nghẽn tạm thời khá hiệu quả đó là cân chỉnh công suất trạm nghẽn và các trạm lân cận để phân bố lưu lượng lại trên các trạm Phương pháp này đang được áp dụng trong mạng Vinaphone và hoàn toàn có thể áp dụng cho mọi mạng di động GSM

1.1 Đặt Vấn Đề

Theo các chuyên gia viễn thông, bài toán chống nghẽn mạng cho các trạm BTS tại khu vực dự kiến tập trung đông người có lưu lượng tăng đột biến (đặt biệt trong những ngày lễ, Tết…) không phải là không giải được, mà quan trọng là cách giải như thế nào Trong những khu vực như vậy, lưu lượng và dung lượng tăng đột biến gấp nhiều lần thời điểm bình thường Nếu cứ nâng cao năng lực hệ thống mạng thu phát sóng để chống nghẽn vài giờ thì sẽ trở nên thừa thãi và lãng phí trong toàn

bộ thời gian còn lại trong năm Đương nhiên số tiền đầu tư vào năng lực hoang phí

đó sẽ bị tính thêm vào hóa đơn thu cước viễn thông của người dùng Vì thế, các mạng di động vẫn phải sống chung với nghẽn trong thời gian trước mắt Đây cũng

là tình trạng chung của tất cả các mạng viễn thông trên thế giới

Vấn đề quan trọng là kinh nghiệm xử lý tình huống cụ thể Chính điều đó sẽ thể hiện sự khác biệt giữa các nhà cung cấp Nếu lắp thêm vài chục, vài trăm trạm BTS nữa bổ sung cho những nơi lưu lượng cao, nâng năng lực đáp ứng của toàn mạng lưới lên gấp 8-10 lần thì chỉ cần có tiền và mạng nào cũng làm được Tuy nhiên, giải pháp đó chẳng mạng nào làm vì quá hoang phí Chỉ còn cách vận dụng, điều phối linh hoạt trong các tình huống Giảm thiểu hiện tượng mất kết nối trong khi vẫn đảm bảo được chất lượng cuộc gọi của người đã kết nối là điều khó nhất và thể hiện sự khác biệt của mỗi nhà cung cấp dịch vụ Để đảm bảo mạng hoạt động tốt thì phải có thiết bị phần cứng tốt, phần mềm điều khiển hiện đại Nhưng quan trọng nhất là kinh nghiệm của các chuyên viên vận hành mạng

Để chống nghẽn mạng thì công tác chuẩn bị phải lên kế hoạch từ trước vài tháng Đầu tiên là nâng cấp phần cứng tất cả các trạm BTS tại khu vực dự kiến sẽ tập trung đông người Tiếp sau đó là các giải pháp về phần mềm Để đảm bảo chất lượng cuộc gọi, công nghệ AMR (Adapter Multi-Rate) cho phép khai thác tối đa năng lực của trạm phát sóng Theo đó, khi chất lượng sóng tốt thì người dùng chỉ dùng bán song công (half duplex) để chia sẻ cuộc gọi với người khác với chất lượng

âm thanh chuẩn Nhưng khi sóng yếu, chất lượng không ổn định thì hệ thống tự

động chuyển sang chế độ song công toàn phần (full duplex), để đảm bảo cuộc gọi không bị chập chờn hay đứt giữa chừng

Một ứng dụng khác đặc biệt quan trọng là CR (Connections Release) Khi một trạm BTS đạt tới ngưỡng công suất phục vụ mà vẫn có thêm cuộc gọi chờ kết nối, phần mềm này sẽ vẫn tiếp nhận nhưng điều hướng sang một trạm khác cũng có vùng phủ sóng gần đó thay vì chỉ từ chối (reject) kết nối cuộc gọi như trước đây

Tuy nhiên, những giải pháp kỹ thuật đó cũng không thay thế được con người Tại trung tâm điều hành mạng lưới, các chuyên viên vận hành mạng vẫn trực tổng đài để phục vụ cho thời điểm lưu lượng tăng đột biến, nhìn biểu đồ lưu lượng để trực tiếp san chia lưu lượng tại các trạm BTS bị quá tải Với kinh nghiệm làm lâu năm thì có thể biết được vào thời điểm nào, những cột BTS nào sẽ quá tải để điều chỉnh công suất phát sóng, tăng công suất những trạm xung quanh, điều phối các trạm di động tới vị trí nào để phủ kín vùng sóng đã giảm Những thao tác đó hoàn toàn do người điều hành kinh nghiệm thực hiện chứ không máy móc nào làm thay được Khi mật độ thuê bao tại một khu vực quá đông, các trạm phát sóng khu vực

đó sẽ giảm diện tích vùng phủ của mình để đảm bảo số lượng người sẵn sàng được phục vụ Trong khi đó, các trạm lân cận đồng loạt được tăng công suất phát để mở rộng thêm vùng phủ, "câu sóng" vào hỗ trợ trạm BTS đang quá tải để "gánh đỡ" những thuê bao trong đám đông đó Những chiếc xe phát sóng lưu động cũng lập tức có mặt ở điểm đông người để chia sẻ lưu lượng cuộc gọi tăng đột biến

Phương pháp điều chỉnh vùng phủ sóng bằng điều chỉnh công suất này tỏ ra rất hiệu quả và đang được áp dụng tại mạng di động Vinaphone hiện nay Với việc

áp dụng phương pháp này mạng Vinaphone được đánh giá là mạng ít nghẽn nhất trong các mạng di động tại Việt Nam vào Tết 2007 Đây cũng chính là phương pháp chống nghẽn cục bộ cho mạng thông tin di động được nghiên cứu trong luận văn Tác giả luận văn cũng sẽ xây dựng phần mềm MobileCom2009 làm công cụ hỗ trợ cho việc tính toán nhanh chóng, hợp lý, chính xác công tác điều chỉnh công suất nêu trên

1.2 Phạm Vi Nghiên Cứu

Do thời gian nghiên cứu có hạn, nên luận văn sẽ nghiên cứu trong phạm vi sau:

- Nghiên cứu tính toán điều chỉnh công suất cho hệ thống GSM

- Lý thuyết lưu lượng áp dụng mô hình Erlang B

- Nghiên cứu một số mô hình chính lan truyền sóng trong thông tin di động, trong đó tập trung chủ yếu vào 3 mô hình:

+ Mô hình truyền sóng Okumura-Hata

+ Mô hình Hata COST231

+ Mô hình SAKAGAMIKUBOL

- Nghiên cứu tính toán quỹ đường truyền cho hệ thống GSM

- Xây dựng được mô hình toán học tính toán công suất để giải quyết bài toán chống nghẽn cho các mạng di động và phần mềm áp dụng mô hình này để cho ra kết quả tối ưu về lưu lượng và nhiễu Qua đó có thể áp dụng kết quả tính toán vào thực tế chông nghẽn cho mạng Vinaphone nói riêng và các mạng di động khác nói chung

- Sử dụng ngôn ngữ lập trình C#, viết phần mềm MobileCom2009 tính toán và mô phỏng nhằm chứng tỏ khả năng chống nghẽn đáng kể hiệu quả khi sử dụng phương pháp này

- Ứng dụng phương pháp điều chỉnh công suất để chống nghẽn cho mạng Vinaphone

1.3 Lí Do Chọn Đề Tài

Với nội dung đặt vấn đề nêu trên, tác giả thấy được tính cấp thiết của bài toán chống nghẽn cho các mạng di động trong những ngày lễ, Tết Hiện nay phương pháp điều chỉnh công suất chống nghẽn cục bộ cho mạng thông tin di động mang lại hiệu quả cao và ít tốn kém so với các giải pháp nâng cấp trạm hay xe lưu động (Trong các tình huống mà áp dụng điều chỉnh công suất mà vẫn chưa mang lại hiệu quả về phân bố lưu lượng, thì giải pháp xe lưu động cũng áp dụng đồng thời) Tuy

dựa vào kinh nghiệm, chưa có một qui trình cụ thể, cũng như các mô hình toán học khoa học để xác định mức công suất cần điều chỉnh thích hợp Cell bị nghẽn cần giảm công suất bao nhiêu thì đủ? Các cell lân cận cần tăng công suất bao nhiêu để vừa đảm bảo được phân bố lưu lượng ra các cell lân cận hợp lý, vừa đảm bảo được chất lượng cuộc gọi của thuê bao (tỷ số nhiễu đồng kênh C/I tốt)? Bài toán cũng xét yếu tố tối ưu dựa vào các thông số trên Như vậy luận văn sẽ kết hợp các mảng lý thuyết về lưu lượng, công suất và các yếu tố liên quan như suy hao môi trường truyền sóng, nhiễu…để giải quyết bài toán nghẽn cho mạng di động

1.4 Bố Cục Luận Văn

Luận văn gồm năm chương và nội dung các chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về đề tài, phạm tiêu nghiên cứu và lí do chọ đề tài Chương 2: Chương này luận văn sẽ nghiên cứu sơ lược về lý thuyết lưu lượng áp

dụng trong mạng thông tin di động Nghiên cứu các công thức tính toán về lưu lượng làm tiền đề cho các biểu thức toán học phân bố lưu lượng trên cell nghẽn và các cell lân cận Chương này luận văn sẽ nghiên cứu sơ lược về lý thuyết lưu lượng

áp dụng trong mạng thông tin di động Nghiên cứu các công thức tính toán về lưu lượng làm tiền đề cho các biểu thức toán học phân bố lưu lượng trên cell nghẽn và các cell lân cận Như đã biết vấn đề truyền sóng trong thông tin di động rất quan trọng Trong các biểu thức tính toán công suất phát của trạm BTS và công suất thu của thuê bao di động có tính đến yếu tố suy hao Chương này luận văn sẽ nghiên cứu các yếu tố truyền sóng trong thông tin di động, vấn đề fading, nhiễu C/I, C/A… các yếu tố có liên quan đến công suất tính toán

Chương 3: Chương 3 nghiên cứu hai chế độ hoạt động của thuê bao di động ảnh

hưởng đến việc phân bố mật độ thuê bao và lưu lượng cell là chế độ chọn cell (cell selection, cell re-selection) và chuyển giao (handover) Qua đó có thể hiểu được những những thuê bao nào bị ảnh hưởng bởi phương pháp điều chỉnh công suất của luận văn

Chương 4: Chương 4 trình bày về hai phương pháp chống nghẽn hiện nay là : trạm

lưu động và điều chỉnh công suất Ở chương này sẽ đưa ra lưu đồ, mô hình toán học cho phương pháp điều chỉnh công suất trọng tâm của luận văn

Chương 5: Chương này trình bày áp dụng phương pháp điều chỉnh công suất để

chống nghẽn cho mạng Vinaphone Các dữ liệu thông số thực tế được trình bày để thấy rõ ứng dụng của luận văn Chương này của đưa ra các kết quả mô phỏng thể hiện sự thay đổi vùng phủ sóng khi thực hiện điều chỉnh công suất

TÍNH TOÁN MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

CELLULAR

Như đã biết vấn đề truyền sóng trong thông tin di động rất quan trọng Trong các biểu thức tính toán công suất phát của trạm BTS và công suất thu của thuê bao

di động có tính đến yếu tố suy hao Chương này luận văn sẽ nghiên cứu các yếu tố truyền sóng trong thông tin di động, vấn đề fading, nhiễu C/I, C/A, qui hoạch tần số, quỹ đường truyền, các yếu tố có liên quan đến vấn đề công suất

2.1 Lý thuyết về lưu lượng và định cỡ kênh

Trong quá trình phát triển mạng, tăng cường dung lượng của mạng là một nhu cầu cấp thiết Tuy nhiên, cùng cần xác định dung lượng cần tăng là bao nhiêu để phù hợp với từng giai đoạn phát triển của mạng và phù hợp với yêu cầu về mặt kỹ thuật và kinh tế hiện tại

2.2.1 Lưu lượng và kênh vô tuyến đường trục

Trong lĩnh vực giao thông vận tải, đường trục để cho nhiều xe cộ đi đến mọi nơi Hiệu quả sử dụng của đường trục lớn hơn nhiều so với đường cụt (chỉ nối với một xã vùng sâu chẳng hạn) Nếu liên lạc vô tuyến bằng kênh vô tuyến dành riêng PRM (Private Mobile Radio), thì phần lớn thời gian kênh vô tuyến đó không được

sử dụng Tài nguyên kênh vô tuyến là rất hạn chế, nên phải quản lý nó trên phạm vi quốc gia và quốc tế Từ đó, xu hướng là kênh vô tuyến đường trục dùng chung

Hệ thống thông tin di động cellular áp dụng kênh vô tuyến đường trục: Mỗi BTS có một số kênh vô tuyến dùng chung cho nhiều người Tỷ lệ người dùng trên

số kênh dùng chung càng cao thì hiệu quả sử dụng đường trục càng cao Hiệu suất

sử dụng phổ tần số lại càng cao khi cùng một tần số mà được dùng lại nhiều lần ở các cell cách xa nhau

Lưu lượng: Trong hệ thống viễn thông, lưu lượng là tin tức được truyền dẫn

qua các kênh thông tin [3]

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

A = 3600

C t×

Trong đó:

C : số cuộc gọi trung bình trong một giờ của một thuê bao

t : thời gian trung bình cho một cuộc gọi

A : lưu lượng thông tin trên một thuê bao (tính bằng Erlang)

Theo số liệu thống kê điển hình thì:

C = 1 : trung bình một người có một cuộc gọi trong một giờ

t = 120s : thời gian trung bình cho một cuộc gọi là 2 phút

⇒ A = 1 120

3600

× ≈ 33 mErlang/người sử dụng

Như vậy, để phục vụ cho 1000 thuê bao ta cần một lưu lượng là 33 Erlang

2.1.2 Cấp độ dịch vụ - GoS (Grade of Service)

Nếu một kênh bị chiếm toàn bộ thời gian, thì kênh đó đạt được dung lượng cực đại 1 Erl [3] Vì người sử dụng truy cập kênh vô tuyến theo kiểu ngẫu nhiên, nên không thể tránh khỏi những khoảng thời gian để trống kênh vô tuyến đó, do vậy kênh vô tuyến không đạt được dung lượng lý tưởng (1 Erl) Khi số người dùng tăng lên, số cuộc gọi đi qua kênh càng tăng, nên thông lượng tăng lên.Có thể xảy ra tình huống nhiều người dùng đồng thời truy cập một kênh vô tuyến, khi đó chỉ có một người được dùng kênh, những người khác bị tắc nghẽn

Hình 2-1: Lưu lượng: Muốn truyền, được truyền, nghẽn Lưu lượng muốn truyền = Lưu lượng được truyền + Lưu lượng nghẽn

Offered Traffic = Carried Traffic + Blocked Traffic

Cấp phục vụ (GoS = Grade of Service):

Để một kênh đường trục có chất lượng phục vụ cao thì xác suất nghẽn phải thấp Vậy nên số người dùng có thể phải bị giới hạn, tức là lưu lượng muốn truyền

phải giữ trong dung lượng kênh Nếu chấp nhận một cấp phục vụ thấp hơn, tức là xác suất nghẽn lớn hơn, thì tương ứng tăng được dung lượng muốn truyền (tăng số người dùng) GoS cùng một nghĩa với xác suất nghẽn:

Lưu lượng muốn truyền: A (lưu lượng muốn truyền)

Lưu lượng bị nghẽn : A×GoS (lưu lượng mất đi)

Lưu lượng được truyền : A×(1 - GoS) (lưu lượng phát ra)

Theo thống kê cho thấy thì các thuê bao cá nhân sẽ không nhận ra được sự tắc nghẽn hệ thống ở mức dưới 10% Tuy nhiên để mạng hoạt động với hiệu suất cao thì mạng cellular thường có GoS = 2 % nghĩa là tối đa 2% lưu lượng bị nghẽn, tối thiểu 98% lưu lượng được truyền

Mô hình ERLANG B:

Đây là mô hình hệ thống thông tin hoạt động theo kiểu tiêu hao Thuê bao không hề gọi lại khi cuộc gọi không thành Đồng thời giả thiết rằng: Xác suất cuộc gọi phân bố theo luật ngẫu nhiên Poisson, số người dùng rất lớn so với số kênh dùng chung, không có kênh dự trữ dùng riêng, cuộc gọi bị nghẽn không được gọi lại ngay

2.1.3 Hiệu suất sử dụng trung kế (đường trục)

Hiệu suất sử dụng trung kế là tỷ số giữa lưu lượng được truyền với số kênh của đường trục[3]

Ở ví dụ trên, ta đang xét trung kế có số kênh dùng chung n = 10, GoS = 2 %, nên lưu lượng được truyền sẽ là 4.9823 Erl Ta có:

Hiệu suất sử dụng trung kế = 4.9823 100%

10 × = 49.823 % Hiệu suất có vẻ thấp này tương ứng với GoS tốt (Xác suất nghẽn thấp) Chẳng hạn, nếu GoS = 10 % (tồi hơn) thì lưu lượng muốn truyền là 7,511 Erl, tương ứng lưu lượng được truyền là: 7.511×(1 – 0.1) = 6.7599 Erl Khi đó, hiệu suất sử dụng trung kế lên đến 6.7599 100 %

10 × = 67.599 %

GoS càng tốt thì hiệu suất sử dụng trung kế càng thấp, cần phải có nhiều kênh vô tuyến cho lưu lượng muốn truyền đã cho GoS càng kém thì với một lưu lượng đã cho thì chỉ cần số kênh vô tuyến là ít hơn

Với cùng một cấp phục vụ, trung kế càng lớn (số kênh dùng chung lớn) thì hiệu quả sử dụng trung kế cũng cao

Số kênh TCH Lưu lượng được truyền (GoS = 2%) Hiệu suất sử dụng trung kế

Bảng 2-1: Bảng đánh giá hiệu suất sử dụng trung kế

2.2 Tính toán truyền sóng trong thông tin di động Cellular

2.2.1 Tổn hao đường truyền sóng vô tuyến

Hệ thống GSM được thiết kế với mục đích là một mạng tổ ong dày đặc và bao trùm một vùng phủ sóng rộng lớn Các nhà khai thác và thiết kế mạng của mình

để cuối cùng đạt được một vùng phủ liên tục bao tất cả các vùng dân cư của đất nước Vùng phủ sóng được chia thành các vùng nhỏ hơn là các cell Mỗi cell được

phủ sóng bởi một cell phát vô tuyến gốc BTS Kích thước cực đại của một cell thông thường có thể đạt tới bán kính R = 35 km Vì vậy, suy hao đường truyền là không thể tránh khỏi

Với một anten cho trước và một công suất phát đã biết, suy hao đường truyền

tỉ lệ với bình phương (d.f), trong đó d là khoảng cách từ cell thu đến cell phát gốc BTS Trong môi trường thành phố, với nhiều nhà cao tầng, suy hao có thể tỉ lệ với luỹ thừa 4 hoặc cao hơn nữa

Dự đoán tổn hao đường truyền trong thông tin di động GSM bao gồm một loạt các vấn đề khó khăn, mà lý do chính bởi vì cell di động luôn luôn di động và anten thu thấp Những lý do thực tế này dẫn đến sự thay đổi liên tục của địa hình truyền sóng, vì vậy cell di động sẽ phải ở vào những vị trí tốt nhất để thu được các tia phản xạ

Lf = 32.5 + 20log10d + 20log10f (dB) Trong đó:

d : Khoảng cách từ anten phát đến anten thu (km)

f : Tần số làm việc (MHz)

Những công thức lý thuyết đơn giản và trọn vẹn trên không còn phù hợp trong môi trường di động nữa, nơi mà truyền sóng do nhiều đường là chủ yếu Những sóng này cũng bị tán xạ, nhiễu xạ, suy giảm do nhiều trạng thái khác nhau của cả vật thể cố định và vật thể chuyển động Hơn nữa, sự khúc xạ tầng đối lưu làm đường truyền sóng bị uốn cong

1 Mô hình mặt đất bằng phẳng:

Mô hình mặt đất được trình bày trong hình 2-3 cho thấy tổng tín hiệu đến trong máy thu bao gồm thành phần đến trực tiếp cộng với thành phần phản xạ từ mặt đất (thành phần này có thể được coi như là tín hiệu gốc từ một anten ảo trong lòng đất) Hai sóng này cùng nhau tạo thành sóng không gian (Space Wave)

Hình 2-3: Truyền sóng trong trường hợp coi mặt đất là bằng phẳng

Ta có công thức sau để tính suy hao đường truyền:

L = 20×log10(d2 /h1.h2 ) Nhưng trong thực tế, khoảng không gian giữa máy thu và máy phát thường

có các vật chắn (hình 2-4) Theo lý thuyết về truyền sóng vô tuyến, một chướng ngại vật sẽ làm suy giảm cường độ của tín hiệu truyền thẳng Sự suy giảm này phụ thuộc vào vật chắn trong tầm nhìn thẳng của vật chắn

Hình 2-4: Vật chắn trong tầm nhìn thẳng Công thức sau dùng để tính toán sự suy giảm do vật chắn gây ra:

V = h

d d

d d

λ

2 1

2 Phương pháp đo cường độ trường:

Năm 1968, Y Okumura là một kỹ sư người Nhật Bản đã đưa ra rất nhiều số liệu về việc đo cường độ trường để tham khảo Ông chia địa hình thành 5 loại chính:

Ông đưa ra những thử nghiệm trên tất cả các loại địa hình trên tại những tần

số khác nhau, với những độ cao anten khác nhau và sử dụng các công suất phát khác nhau Đối với mỗi loại địa hình có một biểu đồ tương ứng chỉ ra tổn hao ứng với loại địa hình đó (hình 2-5)

Hình 2-5: Biểu đồ cường độ trường của OKUMURA

Ta thấy rằng sự đo lường của Okumura chỉ cho thấy sự suy giảm của cường

độ tín hiệu theo khoảng cách, nhưng nó giảm nhanh hơn nhiều so với những gì ta đã biết trong không gian tự do Mô hình Okumura là mô hình thực nghiệm dựa trên sự

đo đạc rộng rãi được thực hiện ở Nhật Bản với một vài tần số trong khoảng từ

150-1920 MHz (cũng có khi lên tới 3000 MHz) Mô hình Okumura thì cơ bản phát triển

cho macrocell với bán kính cell từ 1 đến 100 km Độ cao của anten phát vào khoảng 30-1000 m Mô hình Okumura còn tính đến các thông số truyền sóng như kiểu môi trường và địa hình không đồng đều nhau

2.2.1.2 Các mô hình chính lan truyền sóng trong thông tin di động

1 Mô hình truyền sóng Hata [2]:

Vào khoảng năm 1980, M.Hata đã giới thiệu mô hình toán học trong việc tính suy giảm đường truyền dựa trên những phân tích dữ liệu của Okumura

hb: Chiều cao của anten cell gốc (30÷200) m

hm : Chiều cao anten máy di động (1÷20) m

d : Khoảng cách từ cell gốc đến máy di động (1÷20) km

Hệ số hiệu chỉnh anten a(hm) :

a(hm) = (1.1 log10f – 0.7).hm – (1.56 log10f – 0.8)

Và công thức tính suy hao cho vùng ngoài đô thị:

Lp(ngoại ô) = Lp(đô thị) – 2× (log10(f/28))2 – 5.4

Lp(nông thôn) = Lp(đô thị) – 4.78× (log10f)2 + 18.33×log10f – 40.94

Mô hình Hata được sử dụng rộng rãi nhưng trong các trường hợp đặc biệt như nhà cao tầng phải sử dụng Microcell với anten lắp đặt dưới mái nhà cần phải sử dụng mô hình khác được giới thiệu tiếp theo Mô hình Hata thì có cách thức dựa

trên mô hình Okumura (dựa trên đồ hoạ) có thể được sử dụng hiệu quả hơn Tần số nằm trong khoảng từ 150-1500 MHz Nó cũng đã mở rộng để bao phủ dải tần số từ 1500-2000 MHz trong dự án COST 231

2 Mô hình Hata COST231 [2]:

COST (Collaborative studies in Science and Technology - Cộng tác nghiên cứu khoa học và công nghệ) được sự bảo trợ của EU COST231 bao gồm một số vấn đề liên quan tới vô tuyến của ô và những mô hình truyền sóng Một Microcell được COST231 định nghĩa là một cell nhỏ với phạm vi từ 0.5 đến 1 km, trong phạm

vi này anten gốc nói chung được đặt thấp hơn độ cao của toà nhà cao nhất

Anten cell gốc của cell lớn hoặc cell nhỏ nói chung đều được đặt phía trên của toà nhà cao nhất Cell nhỏ của GSM được giới hạn trong phạm vi bán kính khoảng 1÷3 km, trái lại cell lớn có thể mở rộng phạm vi bán kính lên tới 35 km Dựa trên cơ sở này, COST đưa ra mô hình Hata COST231

Mô hình Hata COST231:

Mô hình này được thiết kế để hoạt động trong dải tần từ 1500÷2000 MHz ở

đô thị hoặc ngoại ô, ta có công thức:

Lp = 46.3 + 33.9×log10f –13.82×log10hb – a(hm) + (44.9 – 6.55×log10hb) ×log10d +

Cm

Trong đó:

Lp : suy hao đường truyền ( dB )

f : tần số hoạt động ( MHz )

hb : độ cao anten cell gốc ( m )

hm : độ cao anten máy di động ( m )

a(hm) : hệ số hiệu chỉnh anten

d : khoảng cách từ cell gốc đến máy di động (Km)

Cm = 0 dB đối với thành phố cỡ trung bình hoặc trung tâm ngoại ô

= 3 dB đối với trung tâm đô thị

Công thức của mô hình này là:

Lp = 100 – 7.1×log10W + 0.023×φ + 1.4×log10hs + 6.1×log10<H> – (24.37 –3.7× (H/hb)2) ×log10hb + (43.42 – 3.1×log10hb) ×log10d + 20×log10f + exp(13(log10f – 3.23))

Trong đó:

Lp: suy hao (dB)

W: bề rộng của đường tại điểm thu ( 5÷50 m )

φ : góc giữa trục của đường với đường thẳng nối từ anten cell gốc đến

máy di động

hs: độ cao của tòa nhà có đặt anten cell gốc phía điểm thu (5÷80 m)

<H>: độ cao trung bình của các toà nhà xung quanh điểm thu (5÷50 m)

hb: độ cao của anten cell gốc tại điểm thu (20÷100 m)

H : độ cao trung bình của các tòa nhà xung quanh cell gốc (H > hb)

d : khoảng cách giữa cell gốc và điểm thu (0,5÷10 km)

f : tần số hoạt động (450÷2200 MHz)

2.2.2 Vấn đề Fading

Chất lượng của các hệ thống phát thông tin phụ thuộc vào kênh truyền, nơi

mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu phát đi qua kênh truyền vô tuyến bị cản bởi các tòa nhà, núi cao, cây cối…bị phản xạ (Reflection), tán xạ (Scattering), nhiễu xạ (Diffraction)…, các hiện tượng này gọi chung là Fading Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do

có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất

và nước trên đường truyền sóng vô tuyến đi qua Và kết quả là ở máy thu ta thu được nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát đi Điều này ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến

1 Fading chuẩn Loga: trạm di động thường hoạt động ở các môi trường

có nhiều chướng ngại vật (các quả đồi, toà nhà ) Điều này dẫn đến hiệu ứng che khuất (Shaddowing) làm giảm cường độ tín hiệu thu, khi thuê bao di chuyển cường

độ thu sẽ thay đổi

Hình 2-6: Shaddowing

2 Fading Rayleigh: Khi môi trường có nhiều chướng ngại vật, tín hiệu thu được từ nhiều phương khác nhau Điều này nghĩa là tín hiệu thu là tổng của nhiều tín hiệu giống nhau nhưng khác pha và biên độ

Hình 2-7: Fading Rayleigh

Để giảm phần nào tác hại do Fading gây ra, người ta thường tăng công suất phát đủ lớn để tạo ra một lượng dự trữ Fading, sử dụng một số biện pháp như: phân tập anten, nhảy tần

2.2.3 Ảnh hưởng nhiễu C/I và C/A

Một đặc điểm của cell là các kênh đang sử dụng đã có thể được sử dụng ở các cell khác Nhưng giữa các cell này phải có một khoảng cách nhất định Điều này

có nghĩa là cell sẽ bị nhiễu đồng kênh do việc các cell khác sử dụng cùng tần số Cuối cùng vùng phủ sóng của cell gốc sẽ bị giới hạn bởi lý do này hơn là do tạp âm thông thường Vì vậy, ta có thể nói rằng một hệ thống tổ ong hoàn thiện là giới hạn được nhiễu mà đã được qui chuẩn, loại trừ được nhiễu hệ thống Một vấn đề trong thiết kế hệ tổ ong là điều khiển các loại nhiễu này ở mức chấp nhận được Điều này được thực hiện một phần bởi việc việc điều khiển khoảng cách sử dụng lại tần số Khoảng cách này càng lớn thì nhiễu càng bé

Để chất lượng thoại luôn được đảm bảo thì mức thu của sóng mang mong muốn C (Carrier) phải lớn hơn tổng mức nhiễu đồng kênh I (Interference) và mức nhiễu kênh lân cận A (Adjacent)

2.2.3.1 Nhiễu đồng kênh C/I

Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát

Tỉ số sóng mang trên nhiễu được định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu

C/I = 10×log10(Pc/Pi) Trong đó:

Pc = công suất tín hiệu thu mong muốn

Pi = công suất nhiễu thu được

Hình 2-8: Tỷ số nhiễu đồng kênh C/I Hình 2-8 ở trên chỉ ra trường hợp mà máy di động (cellphone) đặt trong xe đang thu một sóng mang mong muốn từ một cell gốc phục vụ (Serving BS) và đồng thời cũng đang chịu một nhiễu đồng kênh do nhiễu phát sinh của một cell gốc khác (Interference BS)

Giả sử rằng cả hai cell đều phát với một công suất như nhau các đường truyền sóng cũng tương đương (hầu như cũng không khác nhau trong thực tế) và ở điểm giữa, máy di động có C/I bằng 0 dB, có nghĩa là cả hai tín hiệu có cường độ bằng nhau Nếu máy di động đi gần về phía cell gốc đang phục vụ nó thì C/I > 0 dB Nếu máy di động chuyển động về phía cell gây ra nhiễu thì C/I < 0 dB

Theo khuyến nghị của GSM giá trị C/I bé nhất mà máy di động vẫn có thể làm việc tốt là 9 dB [3] Trong thực tế, người ta nhận thấy rằng giá trị này cần thiết phải lên đến 12 dB [3] ngoại trừ nếu sử dụng nhảy tần thì mới có thể làm việc ở mức C/I là 9dB Ở mức C/I thấp hơn thì tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) sẽ cao không chấp nhận được và mã hoá kênh cũng không thể sửa lỗi một cách chính xác được

Tỉ số C/I được dùng cho các máy di động phụ thuộc rất lớn vào việc quy hoạch tần số và mẫu tái sử dụng tần số [3] Nói chung việc sử dụng lại tần số làm dung lượng tăng đáng kể tuy nhiên đồng thời cũng làm cho tỉ số C/I giảm đi Do đó việc quy hoạch tần số cần quan tâm đến nhiễu đồng kênh C/I

2.2.3.2 Nhiễu kênh lân cận C/A

Nhiễu kênh lân cận xảy ra khi sóng vô tuyến được điều chỉnh và thu riêng kênh C song lại chịu nhiễu từ kênh lân cận C-1 hoặc C+1 Mặc dù thực tế sóng vô tuyến không được chỉnh để thu kênh lân cận đó, nhưng nó vẫn đề nghị một sự đáp ứng nhỏ là cho phép kênh lân cận gây nhiễu tới kênh mà máy thu đang điều chỉnh

Tỉ số sóng mang trên kênh lân cận được định nghĩa là cường độ của sóng mang mong muốn trên cường độ của sóng mang kênh lân cận

C/A = 10×log10(Pc/Pa) Trong đó :

Pc = công suất thu tín hiệu mong muốn

Pa = công suất thu tín hiệu của kênh lân cận Giá trị C/A thấp làm cho mức BER cao Mặc dù mã hoá kênh GSM bao gồm việc phát hiện lỗi và sửa lỗi, nhưng để việc đó thành công thì cũng có giới hạn đối với nhiễu Theo khuyến nghị của GSM, để cho việc quy hoạch tần số được tốt thì giá trị C/A nhỏ nhất nên lớn hơn - 9 dB

Khoảng cách giữa nguồn tạo ra tín hiệu mong muốn với nguồn của kênh lân cận lớn sẽ tốt hơn cho C/A Điều này có nghĩa là các cell lân cận không nên được ấn

định các sóng mang của các kênh cạnh nhau nếu C/A được đã được đề nghị trong một giới hạn nhất định

Cả hai tỉ số C/I và C/A đều có thể được tăng lên bằng việc sử dụng quy hoạch cấu trúc tần số

2.2.3.3 Một số biện pháp khắc phục

Vấn đề can nhiễu kênh chung là một thách thức lớn với hệ thống thông tin di động tế bào Có các phương pháp để giảm can nhiễu kênh chung như:

3 Tăng cự ly sử dụng lại tần số (D) : Với phương pháp này: việc tăng cự

ly sử dụng lại tần số D sẽ làm giảm can nhiễu kênh chung, tuy nhiên khi đó số cell trong mỗi mảng mẫu sẽ tăng, tương ứng với số kênh tần số dành cho mỗi cell sẽ giảm và như vậy thì dung lượng phục vụ sẽ giảm xuống

4 Hạ thấp độ cao anten cell gốc : Phương pháp việc hạ thấp anten cell gốc làm cho ảnh hưởng giữa các cell dùng chung tần số sẽ được giảm bớt và như vậy can nhiễu kênh chung cũng được giảm bớt Tuy nhiên, việc hạ thấp anten sẽ làm ảnh hưởng của các vật cản (nhà cao tầng…) tới chất lượng của hệ thống trở nên nghiêm trọng hơn

5 Sử dụng Anten định hướng ở BTS (Sector hóa): Phương pháp này có hai ích tăng ích: Một là biện pháp làm giảm can nhiễu kênh chung trong khi cự ly sử dụng lại tần số không đổi, hai là tăng dung lượng hệ thống Phương pháp này sẽ được trình bày trong phần sau

Ngoài ra, các kỹ thuật khác như:

1 Điều khiển công suất phát sóng kiểu động: Việc điều khiển tăng giảm công suất thu phát của MS và BTS cũng làm cải thiện đáng kể tỷ số C/ I

2 Truyền phát gián đoạn đoạn _ Discontinuous Transmission (DTX): Thực chất của phương pháp DTX là BTS hay MS chỉ phát khi nhận được tín hiệu đầu vào như có tín hiệu thoại và khi kết thúc tín hiệu nó sẽ ngừng phát Việc phát hay không được thực hiện trên cơ sở từng khe thời gian Mục đích của phương pháp