Bài giảng Nguyên lý truyền thông không dây - Chương 3: Mạng tế bào

Bài giảng Nguyên lý truyền thông không dây - Chương 3: Mạng tế bào, cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm mạng tế bào; Tái sử dụng tần số; Hạn chế của sectoring; Cải thiện năng lực các hệ thống tế bào. Mời các bạn cùng tham khảo!

Wireless Communications

Principles and Practice

Chương 3: Mạng tế bào

Dịch vụ thoại di động truyền thống vs hệ thống thông tin di động tế bào

Hạn chế dịch vụ thoại di động truyền thống

- Phổ tần sử dụng… không chia sẻ nhiều

- Rất nhiều băng thông dành riêng cho một cuộc gọi.

- Độ phủ không tốt.

- Nhiễu (interference): không thể tái sử dụng

cùng tần số

Hạn chế dịch vụ thoại di động truyền thống

Why cellular systems?

Khái niệm mạng tế bào

• Có thể chọn một vòng tròn đại diện cho vùng phủ sóng của một BS?

Một số sự lựa chọn hợp lý: hình vuông, hình thoi, hình tam giác đều và hình lục giác

Tại sao hình lục giác cho vùng phủ sóng tốt?

• Hình lục giác xấp xỉ với một mô hình

bức xạ tròn trong đó sẽ xảy ra đối với

một ăng-ten BS đa hướng

• Khi sử dụng hình lục giác để mô

hình một vùng phủ sóng, máy phát

BS được mô tả như là ở trung tâm

của tế bào (center-excited cells) hoặc

trên ba trong số sáu đỉnh tế bào

(edge-excited cells)

• anten đa hướng thường được sử dụng

trong center-excited cells và anten

định hướng được sử dụng trong

edge-excited cells

Khái niệm mạng tế bào

- Được phát triển bởi Bell Labs 1960’s-70’s

- Khái niệm tế bào là một bước đột phá lớn trong việc giải quyết vấn đề tắc nghẽn băng tần và công suất sử dụng.

- Cung cấp khả năng rất cao trong việc phân bổ

phổ mà không cần bất kỳ sự thay đổi công nghệ lớn nào.

- Tái sử dụng tần số: một số lượng kênh cố định

để phục vụ một số lượng lớn tùy ý các thuê bao.

• Kiến trúc mạng tế bào

Khái niệm mạng tế bào

• Kiến trúc mạng tế bào

− Các khu vực được chia thành các tế bào.

− Trên khía cạnh hệ thống, không cần có sự thay đổi công nghệ lớn.

− Mỗi tế bào được phục vụ bởi một trạm cơ sở (base

station - BS) có bộ phát công suất thấp hơn.

− Mỗi tế bào nhận một phần của tổng số kênh.

− Các tế bào lân cận được gán các nhóm kênh khác

nhau Nhiễu được tối thiểu hóa.

− Tế bào có dạng hình lục giác.

Khái niệm mạng tế bào

Tái sử dụng tần số

• Các tế bào lân cận được gán các tần số khác

nhau để tránh nhiễu hoặc xuyên âm

(crosstalk)

• Mục đích là để tái sử dụng tần số trong các tế bào gần nhau

– 10-50 tần số được gán cho mỗi tế bào.

– Năng lượng phát được kiểm soát ở mức giới hạn để tần số đó không thoát sang các tế bào lân cận.

– Vấn đề là cần xác định bao nhiêu tế bào phải xen giữa 2 tế bào dùng cùng tần số.

Tái sử dụng tần số

• Mỗi tế bào được phân phối một nhóm gồm k kênh

• Mỗi cụm có N tế bào với các nhóm kênh duy

nhất và tách rời nhau N thường là 4, 7, 12.

• Tổng số kênh song công của mỗi cụm: S = kN

• Cụm được lặp lại M lần trong một hệ thống, Tổng số kênh có thể sử dụng (capacity)

C = MkN = MS

• S: tổng số kênh song công sẵn để sử dụng

k: số kênh được gán cho một tế bào (k <S)

N: số lượng tế bào chia sẻ các kênh song công S

S = kN Cluster: một nhóm N tế bào sử dụng các bộ hoàn chỉnh các tần số có sẵn

C: tổng số các kênh song công tái sử dụng

M: số lượng bản sao của một cụm

C =MkN = MS

• Cluster size: N thường là 4, 7 or 12

• Hệ số tái sử dụng tần số: 1/N

• Đối với kích thước tế bào tương tự ở một khu vực nhất định: N

giảm M tăngC tăng

Ảnh hưởng của kích thước cụm N

Các kênh là duy nhất trong cùng một cụm, nhưng được lặp lại ở các cụm.

Giữa tế bào cùng kích thước

– N lớn: nhiễu ít hơn, nhưng capacity thấp hơn

– N nhỏ: capacity cao hơn, nhiễu nhiều hơn, cần

duy trì mức S/I nào đó (tín hiệu/nhiễu)

Nhân tố tái sử dụng tần số: 1/N

– Mỗi tế bào trong một cụm được gán 1/N trong tổng

số kênh khả dụng.

theo bất kỳ hình lục giác nào.

– rồi quay 60 độ ngược

chiều kim đồng hồ và di

chuyển j tế bào.

19-cell reuse example (N=19)

Figure 3.2 Method of locating co-channel cells in a cellular system In this example, N = 19 (i.e., I = 3,

j = 2) (Adapted from [Oet83] © IEEE.)

• Tái sử dụng tần số: trong một vùng phủ sóng nhất định có một số tế bào sử dụng cùng một tần số.

• Những tế bào này được gọi là các tế bào đồng kênh và nhiễu giữa các tín hiệu từ các tế bào được gọi là nhiễu đồng kênh

• Để giảm nhiễu đồng kênh, tế bào đồng kênh phải được tách biệt bởi một khoảng cách tối thiểu

để cô lập.

Distance between Co-Channel Cell Centers

Để tính khoảng cách D, cần tính X và Y, hoặc đơn giản là X1, X2, và Y Sử dụng định lý Pythagoras

Distance between Co-Channel Cell Centers

• Bán kính tế bào là R

• Độ dài cạnh của tế bào là R

• Đường từ trung tâm đến điểm giữa

của bất kỳ cạnh là = 𝟑

𝟐 𝑹

•

Distance between Co-Channel Cell Centers

• Rõ ràng:

• Do đó:

• Và:

Distance between Co-Channel Cell Centers

• Do đó,

• Hay:

được gọi là tỷ lệ tái sử dụng kênh

Cluster size (N) Co-channel reuse ratio

• Ví dụ 1

Nếu băng thông tổng là 33 MHz được

phân phối cho một hệ thống điện thoại FDD sử

dụng hai kênh đơn công 25 kHz để cung cấp các kênh song công thoại (voice) và điều khiển

• Ví dụ 2

Nếu 1 MHz của phổ tần được phân phối

riêng cho các kênh điều khiển Hãy xác định một phân phối công bằng các kênh điều khiển và các kênh thoại trong mỗi tế bào cho mỗi trường hợp ở ví dụ trước.

Lời giải

•Số kênh điều khiển là 1000/50 = 20 trong 660 kênh khả dụng Ở đây, 660 kênh phải được phân phối bằng nhau trong mỗi cụm Trong thực tế, chỉ phân phối 640 kênh thoại, vì các kênh điều khiển được phân phối riêng 1 kênh/tế bào.

a)Với N=4,

chúng ta có thể có 5 kênh điều khiển và 160 kênh thoại cho mỗi tế bào Tuy nhiên, trong thực tế mỗi tế bào chỉ cần 1 kênh điều khiển (các kênh điều khiển có khoảng cách tái sử dụng lớn hơn các kênh thoại) Do đó, mỗi tế bào được phân phối 1 kênh điều khiển và 160 kênh thoại.

b) Với N=7

4 tế bào có 3 kênh điều khiển và 91 kênh thoại

2 tế bào có 3 kênh điều khiển và 92 kênh thoại

1 tế bào có 2 kênh điều khiển và 92 kênh thoại

Trong thực tế, mỗi tế bào có 1 kênh điều khiển, 4 tế bào

có 91 kênh thoại, 3 tê bào có 92 kênh thoại.

c) Với N=12

chúng ta có thể có 8 tế bào có 2 kênh điều khiển và 53

kênh thoại, 4 tế bào có 1 kênh điều khiển và 54 kênh thoại

Trong thực tế, mỗi tế bào có 1 kênh điều khiển, 8 tế bào

có 53 kênh thoại, 4 tế bào có 54 kênh thoại.

Các chiến lược gán kênh

• Gán kênh cố định

• Gán kênh động

• Việc gán này là tĩnh và không thể thay đổi.

• Để hoạt động hiệu quả, hệ thống FCA thường gán kênh bằng cách tối đa hóa việc tái sử dụng tần số (trong hệ thống FCA, khoảng cách giữa các tế bào sử dụng cùng một kênh là khoảng cách tái sử dụng tối thiểu cho hệ thống đó)

Gán kênh cố định

Nhược điểm

Ví dụ: hai ô kề nhau được phân bổ N kênh/ mỗi ô.

- Tình huống: một tế bào có nhu cầu N + k kênh trong khi các tế bào liền kề chỉ yêu cầu các kênh N-m (k và m nguyên dương).

- Trong trường hợp này, k người sử dụng trong ô đầu tiên

sẽ bị chặn từ thực hiện cuộc gọi trong khi các m kênh trong tế bào thứ hai sẽ không sử dụng  các kênh có sẵn không được sử dụng một cách hiệu quả.

Gán kênh cố định

Giải pháp

• Một biến thể của gán kênh cố định là chiến lược

mượn: một tế bào được phép mượn các kênh từ

một tế bào bên cạnh nếu tất cả các kênh của nó bị chiếm dụng.

– Điều này được giám sát bởi Mobile Switch Center:

Kết nối các tế bào với mạng WAN; Quản lý thiết lập cuộc gọi; Xử lý sự di động.

Gán kênh động

• Dynamic Channel Allocation (DCA) – cố gắng để làm giảm bớt nhược điểm cho các hệ thống FCA khi lưu lượng được cung cấp là không đồng đều.

• Các kênh thoại không được phân phối vĩnh viễn cho các

tế bào khác nhau.

• Mỗi khi có một yêu cầu cuộc gọi, trạm cơ sở phục vụ nó

yêu cầu một kênh từ MSC (Mobile Switch Center).

• MSC sẽ phân phối 1 kênh cho cuộc gọi dựa trên một

thuật toán quyết định có xét đến các yếu tố khác nhau:

sự tái sử dụng tần số của kênh và các yếu tố chi phí.

• Cấp phát kênh động phức tạp hơn (thời gian thực),

nhưng làm giảm khả năng xảy ra việc chặn cuộc gọi.

Gán kênh động

Vấn đề thường xảy ra với các hệ thống DCA?

• Phương pháp DCA thường có một mức độ của sự ngẫu nhiên việc tái sử dụng tần số thường không được tối

đa hóa không giống như các trường hợp cho hệ thống

FCA (trong đó các tế bào bằng cách sử dụng cùng một

kênh được ngăn cách bởi khoảng cách tái sử dụng tối thiểu).

• Phương pháp DCA thường liên quan đến các thuật toán phức tạp cho việc phân phối kênh là hiệu quả nhất Các thuật toán này có thể rất phức tạp và đòi hỏi tài nguyên máy tính lớn.

Handoffs

Lý do cần handoffs (bàn giao)

– Di chuyển ra khỏi phạm vi: khi một điện thoại di động

di chuyển vào một tế bào khác trong khi cuộc đàm thoại vẫn đang diễn ra, MSC tự động chuyển cuộc gọi

sang một kênh mới thuộc trạm cơ sở mới.

Handoffs – cơ sở

− Là tác vụ quan trọng trong bất kỳ hệ

thống radio tế bào nào

− Phải được thực hiện thành công,

không thường xuyên, và không thể

nhận thấy bởi người dùng.

− Xác định một trạm cơ sở mới

− Phân phối kênh trong trạm cơ sở

mới

− Có độ ưu tiên cao hơn yêu cầu khởi

đầu (chặn các cuộc gọi mới thay vì

dừng các cuộc gọi hiện tại)

– Không đủ thời gian để

hoàn thành handoff trước khi

Các kiểu Handoff

Hard handoff - (break

before make)

– FDMA, TDMA

– Mobile có liên kết vô tuyến

với chỉ 1 BS tại bất kỳ thời

điểm nào

– Kết nối với BS cũ bị ngắt

trước khi kết nối với BS mới

được tạo

Soft handoff (make before break)

– CDMA systems

– Mobile có liên kết vô tuyến đồng

thời với hơn 1 BS tại bất kỳ thời

điểm nào

– Kết nối với BS mới được tạo

trước khi kết nối với BS cũ bị

ngắt

– Mobile vẫn duy trì trạng thái này

cho đến khi một BS chiếm ưu thế

rõ ràng

Ưu tiên Handoffs

Rớt cuộc gọi gây khó chịu hơn so với đường dây bận

Khái niệm kênh gác

– Dành một số kênh cho các handoffs

– Lãng phí băng thông

– Nhưng có thể được dự đoán động

Xếp hàng các yêu cầu handoff

– Có một khoảng trống giữa thời điểm handoff và thời điểm dừng.

– Cân bằng tốt hơn giữa xác suất rớt cuộc gọi và lưu lượng mạng.

– Các trạm cơ sở hoạt động trên cùng băng tần – Hệ thống không phải dạng tế bào rò rỉ năng lượng vào băng tần tế bào

Ảnh hưởng của nhiễu:

- Kênh thoại: xuyên âm

- Kênh điều khiển: các cuộc gọi bị lỡ hoặc bị chặn Hai loại chính:

- Nhiễu đồng kênh (co-channel interference)

- Nhiễu kênh lân cận (adjacent channel interference)

Nhiễu đồng kênh

• Là các nhiễu có cùng hoặc xấp xỉ tần số công tác của hệ thống đang xét bị nhiễu Một phần lớn băng tần của nhiễu sẽ lọt vào băng thông của hệ thống đang xét.

– Ví dụ như do tái dụng tần số

– Hoặc một loại nhiễu đồng kênh khác rất hay gặp trong các hệ thống vi ba số có tái dụng tần số là nhiễu phân cực chéo

Nhiễu đồng kênh

Nhiễu đồng kênh và Năng lực hệ thống

Các tế bào dùng cùng tập tần số được gọi là các tế bào đồng kênh

Nhiễu giữa các tế bào đó được gọi là nhiễu đồng kênh

Smaller N is greater capacity

Co-channel cells for 7-cell reuse

Nhiễu kênh lân cận

• Nhiễu gây ra từ các tín hiệu có tần số lân cận với tín hiệu mong muốn.

• Vì các bộ lọc máy thu không hoàn hảo  các tần số lân cận rò rỉ vào băng truyền.

• Giải pháp: có thể được giảm thiểu bằng cách

gán kênh và lọc cẩn thận, và bằng cách giữ sự phân tách tần số giữa các kênh trong một tế

bào càng lớn càng tốt, nhiễu kênh lân cận có thể được giảm đáng kể.

Trunking and Grade of Service

• Trunking: kênh được phân phối theo yêu cầu và tái

sử dụng sau khi dùng, cân bằng giữa số lượng kênh và

xác suất chặn cuộc gọi

– Với trunking, một số lượng nhỏ các kênh có thể chứa số lượng lớn người dùng ngẫu nhiên.

Một số thuật ngữ

• Set-up Time: thời gian cần để phân phối một kênh.

• Blocked Call: Cuộc gọi mà không thể được hoàn thành

tại thời điểm yêu cầu vì có tắc nghẽn Còn được gọi làlost call

• Holding Time: khoảng thời gian trung bình của một

cuộc gọi bình thường Được ký hiệu là H (giây).

• Traffic Intensity: Đo sự sử dụng thời gian kênh, là sự

chiếm dụng kênh trung bình được tính bằng Erlangs.Đây là một đại lượng vô hướng và có thể được dùng để

đo sự sử dụng thời gian của một hay nhiều kênh Được

ký hiệu là A.

1 Erlang: giao thông trong một kênh hoàn toàn bị chiếm đóng.

0.5 Erlang: kênh chiếm 30 phút trong một giờ.

Một số thuật ngữ

• Load: Traffic intensity qua toàn bộ hệ thống, được đo

bằng Erlangs

• Grade of Service (GOS): Một mức đo sự tắc nghẽn,

được tính bằng xác suất của một cuộc gọi bị chặn (vớiErlang B), hoặc xác suất một cuộc gọi bị chậm trễ vượtquá một khoảng thời gian nhất định (với Erlang C)

• Request Rate: Số lượng trung bình các yêu cầu cuộc

gọi trên một đơn vị thời gian Được ký hiệu là  (giây -1)

Erlang B Trunking GOS

– Blocked calls cleared: không xếp hàng

đợi cho các yêu cầu cuộc gọi, không

setup time.

Erlang B Trunking GOS

Erlang B

Erlang C Trunking GOS

• Blocked Calls Delayed: Các cuộc gọi bị chặn bị trễ đếnkhi các kênh khả dụng, có hàng đợi

Erlang C

Ví dụ 1

Hệ thống blocked calls cleared: giả sử mỗi user

tạo ra lưu lượng 0.1 Erlangs Hỏi có bao nhiêu

user có thể được hỗ trợ khi xác suất chặn cuộc gọi

là 0.5% và số kênh là (a) 1, (b) 5, (c) 10, (d) 20, (e) 100?

Lời giải (tiếp)

Ví dụ 2

Một đô thị có 2 triệu dân Có mạng trunked mobile cungcấp dịch vụ tế bào cho đô thị này

A Hệ thống có 394 tế bào, mỗi tế bào có 19 kênh

B Hệ thống có 98 tế bào, mỗi tế bào có 57 kênh

C Hệ thống có 49 tế bào, mỗi tế bào có 100 kênh

- Hãy tìm số user có thể được hỗ trợ tại 2% bị chặn nếutrung bình mỗi user gọi 2 cuộc mỗi giờ, 3 phút mỗi cuộc

- hãy tính phần trăm thâm nhập thị trường của mỗi nhàcung cấp

• C= 19, GOS = 0.02 -> A=12,33

• C= 57, GOS=0.02 -> A= 45,82

• C= 100, GOS = 0.02 ->A=87,97

Lời giải

Hệ thống A

Đã cho:

Xác suất chặn cuộc gọi = 2% = 0.02

Số kênh trên mỗi tế bào: C = 19

Traffic intensity do mỗi user: Au = H = 2 x (3/60) = 0.1 Erlangs

Với GOS = 0.02 và C = 19, tra bảng/hình Erlang B được A = 12,33 Erlangs

Số user có thể được hỗ trợ trên mỗi tế bào là

Lời giải (tiếp)

• Hệ thống B

Với GOS = 0.02 và C = 57, tra bảng/hình Erlang B được A = 45

Số user có thể được hỗ trợ trên mỗi tế bào là

U = A / Au = 45/0.1 = 450

Vì có 98 tế bào, tổng số thuê bao có thể được hỗ trợ bởi Hệ thống B

là 450 x 98 = 44100.

• Hệ thống C

Với GOS = 0.02 và C = 100, tra bảng/hình Erlang B được A = 88

Số user có thể được hỗ trợ trên mỗi tế bào là

Lời giải (tiếp)

• Vì dân số là 2 triệu, phần trăm thâm nhập thị trường của Hệ thống A là:

Cải thiện năng lực các hệ thống tế bào

Vấn đề

• Yêu cầu dịch vụ không dây tăng lên

• Số lượng kênh được phân phối cho một tế bào khôngcòn đủ để hỗ trợ số người sử dụng yêu cầu

Cải thiện năng lực các hệ thống tế bào

• Mượn tần số

– Các tế bào bị tắc nghẽn mượn được tần số từ các tếbào lân cận

• Chia tế bào

– Các tế bào trong khu vực sử dụng quá nhiều có thể

được chia thành các tế bào nhỏ hơn

Các tế bào được chia để thêm kênh mà

không sử dụng phổ tần mới

Chia tế bào từ

bán kính R

thành R/2

Cell splitting

Cell splitting – Vấn đề Công suất

• Giả sử bán kính của tế bào mới được giảm một nửa Hỏicông suất truyền cần thiết cho các tế bào mới này?

Pr[tại biên tế bào cũ] = Pt1R-n

Pr[tại biên tế bào mới] = Pt2(R/2)-n

• Trong đó Pt1 và Pt2 là công suất truyền tương ứng củacác trạm cơ sở tế bào lớn và nhỏ, và n là hệ số mũ tổnthất đường truyền Vì vậy,

Pt2 = Pt1/2n

Cell splitting

• Trong thực tế, không phải tất cả các tế bào cùng được chia nhỏ Có nghĩa là các tế bào có kích thước khác nhau sẽ cùng tồn tại.

•  cần sự quan tâm đặc biệt để giữ khoảng cách tối thiểu giữa các

tế bào đồng kênh  việc gán kênh trở nên phức tạp hơn.

Ví dụ

• Xem hình 3.9 Giả sử mỗi trạm cơ sở sử dụng 60 kênh, không phụ thuộc kích thước tế bào Nếu mỗi cell có bánkính 1 km và mỗi microcell có bán kính 0,5 km, hãy tìm

số kênh có trong hình vuông tâm A kích thước 3 km x 3

km trong các trường hợp: (a) không sử dụng microcell, (b) khi các microcell có ký hiệu chữ như thấy trong hình3.9, và (c) nếu tất cả các trạm cơ sở ban đầu được thaythế bởi các microcell Giả sử các cell trên cạnh hình

vuông là được chứa trong hình vuông