Đề tài Phân bố tần số cho mạng thông tin di động

động vẫn có thể làm việc tốt là 9 dB. Trong thực tế, ngƣời ta nhận thấy rằng giá trị này cần thiết phải lên đến 12 dB 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 đƣợc và mã hoá kênh cũng không thể sửa lỗi một cách chính xác đƣợc. Tỉ số C/I đƣợc dùng cho các máy di động phụ thuộc rất lớn vào việc quy hoạch tần số và mẫu tái sử dụng tần số. Nói chung việc sử dụng lại tần số làm CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 22 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG dung lƣợng 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.  Nhiễu kênh lân cận C/A: Nhiễu kênh lân cận xảy ra khi sóng vô tuyến đƣợc 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 đƣợc chỉnh để thu kênh lân cận đó, nhƣng 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 đƣợc định nghĩa là cƣờng độ của sóng mang mong muốn trên cƣờng độ của sóng mang kênh lân cận. C/A = 10.log(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, nhƣng 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 đƣợc 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 đƣợc ấn định các sóng mang của các kênh cạnh nhau nếu C/A đƣợc đã đƣợc đề nghị trong một giới hạn nhất định. Cả hai tỉ số C/I và C/A đều có thể đƣợc tăng lên bằng việc sử dụng quy hoạch cấu trúc tần số. 2.3.3 Interference: - Tín hiệu ở anten thu có thể bị yếu đi bởi ảnh hƣ_ng của interference từ những tín hiệu khác. Những tín hiệu này có thể từ cùng một mạng hay là do những đối tƣợng nhân tạo. Tuy nhiên, nguyên nhân chính gây ra interference CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 23 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG trong mạng tế bào là những nguồn vô tuyến trong mạng. Có nhiều kênh vô tuyến đƣợc sử dụng trong mạng mà sử dụng chung băng tầnchia sẻ. - Lời giải cho vấn đề này là sự quy hoạch tần số một cách chính xác, MS có thể chịu sự biến thiên nhanh hoặc chậm trong mức tín hiệu trong mạng vô tuyến. Điều này là do một hay nhiều yếu tố đƣợc nói ở trên, và đƣợc thể hiện trong hình 2.8. Những yếu tố này hình thành những chỉ tiêu cơ bản về độ bao phủ cell. 2.4 Tiến trình quy hoạch mạng: - Mục tiêu chính của quy hoạch viên vô tuyến là tăng vùng bao phủ của một cell và giảm số lƣợng thiết bị cần thiết cho mạng, để đạt đƣợc độ bao phủ cực đại với chi phí cực tiểu. - Các tiến trình quy hoạch:  Định tính hệ thống: xác định vùng phục vụ, lƣu lƣợng, công suất, băng tần đƣợc sử dụng.  Tiền quy hoạch: quy hoạch cụ thể liên quan tới độ bao phủ, dung lƣợng và chất lƣợng đƣợc tạo ra.  Điều tra và lựa chọn trạm.  Quy hoạch chi tiết mạng vô tuyến:  Tính toán công suất đƣờng truyền.  Quy hoạch độ bao phủ, dung lƣợng và hiệu suất phổ.  Quy hoạch thông số. 2.4.1 Định hệ thống : - Đây là quá trình xác định thiết bị và loại mạng đƣợc lựa chọn để đáp ứng những yêu cầu về dung lƣợng, độ bao phủ và chất lƣợng có thể thỏa mãn cho hệ thống trong vài năm kế tiếp (thƣờng là 3-5 năm). - Đầu vào của quá trình bao gồm việc xác định:  Khu vực địa lý đƣợc bao phủ.  Lƣu lƣợng xấp xỉ cho mỗi vùng. CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 24 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG  Yêu cầu tối thiểu về công suất cho mỗi vùng và chỉ tiêu blocking.  Suy hao đƣờng truyền.  Băng tần đƣợc sử dụng và hệ số sử dụng lại tần số. 2.4.2 Tiền quy hoạch: - Giai đoạn này đƣa ra một số kế hoạch ban đầu liên quan đến độ bao phủ, dung lƣợng và chất lƣợng đƣợc tạo ra. Yếu tố quan trọng cho quy hoạch độ bao phủ là tín hiệu trên nhiễu giữa BTS và MS, độ suy hao lan truyền do môi trƣờng, và hệ số sử dụng lại tần số (đối với quy hoạch dung lƣợng). - Chất lƣợng của mạng vô tuyến hầu nhƣ hoàn toàn phụ thuộc vào quá trình thiết lập các thông số. Với mạng GSM đầu tiên đƣợc đi vào hoạt động cho một vùng/quốc gia, qui hoạch viên vô tuyến cần phải quy hoạch những giá trị này sẵn, trƣớc khi cho mạng ban đầu này đi vào hoạt động và trƣớc khi chúng có những kết quả đo đạc đầu tiên. Những điều này có thể bao gồm sự quản lý nguồn vô tuyến (RRM), quản lý di động, báo hiệu (signalling), chuyển giao (handover), và các thông số điều khiển công suất. Một khi có những giá trị đo đạc từ mạng đƣợc hoạt động lần đầu tiên, quy hoạch viên bắt đầu tiến hành tinh chỉnh. Tiến trình này trở thành một phần của quát trình tối ƣu hóa mạng vô tuyến. 2.4.3 Điều tra và lựa chọn trạm: - Phụ thuộc vào độ bao phủ quy hoạch, quy hoạch viên vô tuyến xác định vùng cụ thể cho các site trong tƣơng lai. Các quy hoạch viên vô tuyến nên ƣu tiên cho nơi không có các vật cản cao xung quanh nó, có tầm nhìn rõ ràng cho tia chính (main beam) và nên tránh lựa chọn site ở vị trí cao vì có thể gây ra các vấn đề với interference không điều khiển đƣợc. - Có hai loại báo cáo trong quá trình điều tra site: một là khi bắt đầu tìm kiếm và loại thứ hai là khi kết thúc. Cả hai đều rất quan trọng và nên đƣa ra thông tin mong muốn một cách rõ ràng. Đối với báo cáo ở giai đoạn tìm kiếm, nội dung có thể bao gồm thông tin các vị trí site ƣu tiên tìm kiếm lnđầu, sau đó đến các site ứng cử thứ hai, trong đó nên chứa địa chỉ, bản đồ, CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 25 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG và thông tin bằng tiếng địa phƣơng nếu có thể. Đối với báo cáo ở giai đoạn sau cùng, nội dung nên có nhiều thông tin chi tiết hơn, bao gồm chiều cao của building, hệ tọa độ, kết cấu anten (vị trí, độ nghiêng, phƣơng vị...), bản đồ, và một cái nhìn từ đỉnh của site với vị trí chính xác của trạm gốc. 2.4.4 Quy hoạch chi tiết mạng vô tuyến: Quy hoạch chi tiết mạng vô tuyến có thể đƣợc chia thành 3 công đoạn: - Quy hoạch quĩ công suất đƣờng truyền, - Quy hoạch độ bao phủ – dung lƣợng và hiệu suất phổ và quy hoạch thông số. - Vấn đề tái sử dụng tần số.  Quĩ công suất đƣờng truyền (The link budget) - Tính toán link budget giúp xác định rõ cell xếp theo ngƣỡng bao phủ (coverage thresholds). Việc tính toán link budget căn bản bao gồm công suất truyền giữa BTS và MS. - Tính toán link budget đƣợc thực hiện cho cả hai uplink và downlink. Bởi vì công suất truyền bởi MS nhỏ hơn công suất truyền bởi BTS, nên quĩ công suất đƣờng truyền lên (uplink power budget) nghiêm trọng hơn so với quĩ công suất đƣờng truyền xuống (downlink power budget). Vì vậy độ nhạy ở BTS ở hƣớng uplink trở thành một trong những yếu tố sống còn cho việc nhận công suất truyền bởi MS. Ở hƣớng downlink, công suất truyền và độ lợi của anten là các thông số quan trọng. Trong điều kiện suy hao của thiết bị, bộ kết hợp suy hao và suy hao cáp sẽ đƣợc xem xét. Bộ kết hợp suy hao đến chỉ trong tính toán downlink trong khi độ suy hao cáp phải đƣợc đƣa vào cả hai hƣớng.  Độ bao phủ, dung lƣợng và hiệu suất phổ:  Quy hoạch độ bao phủ: - Các mô hình lan truyền thƣờng không đƣợc áp dụng trực tiếp. Lý do là những mô hình này đƣợc phát triển tính toán trên cơ sở từng thành phố cụ thể và mỗi thành phố thì lại có đặc tính riêng của nó. Sự thay đổi đƣợc tạo ra CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 26 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG trên các mô hình lan truyền đƣợc gọi là các thông số hiệu chỉnh và chúng phụ thuộc vào kết quả của drive tests. Nếu nhƣ chƣa có mạng tế bào sẵn, thì các kĩ sƣ quy hoạch vô tuyến thiết lập một anten vô hƣớng ở vị trí mà có thể bao phủ tất cả hay hầu hết loại vùng nhƣ đô thị đông đúc, đô thị, nông thôn... Một drive test đƣợc thực hiện và các yếu tố hiệu chỉnh cho mô hình lan truyền nhờ đó đƣợc xác định. - Phụ thuộc vào các mô hình lan truyền, các drive tests và các thông số hiệu chỉnh, việc dự đoán vùng bao phủ đƣợc thực hiện. Các sites đƣợc định vị theo yêu cầu của mạng, và việc dự đoán độ bao phủ đƣợc thực hiện nhƣ thể hiện. Thƣờng thì một vài tools cho việc quy hoạch mạng di động đƣợc sử dụng.  Quy hoạch dung lƣợng: - Quy hoạch dung lƣợng là một quá trình rất quan trọng trong network rollout nhƣ nó xác định số lƣợng trạm gốc cần thiết và dung lƣợng tƣơng tứng của chúng. Quy hoạch dung lƣợng đƣợc tạo ra trong giao đoạn preplanning cho việc tính toán ban đầu, cũng nhƣ tính toán chi tiết sau này. - Số lƣợng trạm gốc cần thiết cho một vùng đƣợc xác định từ quá trình quy hoạch độ bao phủ, và số máy thu phát cần thiết đƣợc tính ra từ quy hoạch dung lƣợng bởi vì nó liên hệ trực tiếp với hệ số sử dụng lại tần số. Hệ số sử dụng lại tần số đƣợc xác định nhƣ là số trạm gốc mà có thể đƣợc lắp đặt trƣớc khi tần số đƣợc sử dụng lại. Một ví dụ của việc sử dụng lại tần số chỉ ra ở hình 2.10. Số tần số cực đại trong một hệ thống GSM 900 là 125 ở cả hai hƣớng downlink và uplink. Mỗi tần số này gọi là một kênh. Có nghĩa là có 125 kênh khả dụng ở cả hai hƣớng. Việc tính toán hệ số sử dụng lại tần số cực tiểu phụ thuộc vào tỉ số C/I. Ngay khi tỉ số C/I giảm, cƣờng độ tín hiệu bắt đầu xấu đi, vì vậy giảm hệ số sử dụng lại tần số.  Tái sử dụng tần số: - Tái sử dụng tần số là quá trình sử dụng lại các tần số đã đƣợc sử dụng trong mạng nhẳm tăng dung lƣợng của hệ thống. CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 27 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG - Cự li dùng lại tần số: Ta biết rằng sử dụng lại tần số ở các cell khác nhau thì bị giới hạn bởi nhiễu đồng kênh C/I giữa các cell đó nên C/I sẽ là một vấn đề chính cần đƣợc quan tâm. Dễ dàng thấy rằng, với một kích thƣớc cell nhất định, khoảng cách sử dụng lại tần số phụ thuộc vào số nhóm tần số N. Nếu N càng lớn, khoảng cách sử dụng lại tần số càng lớn và ngƣợc lại. Gọi Q là hệ số tái sử dụng tần số, ta có: Q = D/ R = √ Trong đó:  D : khoảng cách 2 cluster kế (cũng là khoảng cách giữa 2 cell đồng kênh)  R: bán kính cell  N: kích thƣớc 1 cluster - Các mẫu tái sử dụng tần số: Ký hiệu tổng quát của mẫu sử dụng lại tần số: Mẫu M /N Trong đó: M = tổng số sites trong mảng mẫu N = tổng số cells trong mảng mẫu Ba kiểu mẫu sử dụng lại tần số thƣờng dùng là: 3/9, 4/12 và 7/21  Mẫu tái sử dụng tần số 3/9: Mẫu tái sử dụng lại tần số 3/9 có nghĩa các tần số sử dụng đƣợc chia thành 9 nhóm tần số ấn định trong 3 vị trí trạm gốc (Site). Mẫu này có khoảng cách giữa các trạm đồng kênh là D = 5,2R. CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 28 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Bảng 2.3: Các tần số ở mẫu 3/9 (giả thiết có 41 tần số từ các kênh 84 đến 124 - là số tần số sử dụng trong mạng GSM900 của VMS): ấn định tần số A1 B1 C1 A2 B2 C2 A3 B3 C3 BCCH 84 85 86 87 88 89 90 91 92 TCH1 93 94 95 96 97 98 99 100 101 TCH2 102 103 104 105 106 107 108 109 110 TCH3 111 112 113 114 115 116 117 118 119 TCH4 120 121 122 123 124 Ta thấy mỗi cell có thể phân bố cực đại đến 5 sóng mang. Nhƣ vậy, với công nghệ đa truy cập TDMA của GSM, mổi kênh chứa 8 khe thời gian tƣơng ứng với 8 kênh vật lý, trong đó có 1 kênh dành cho quảng bá, 1 kênh dành cho điều khiển để truy cập vị trí và thiết lập cuộc gọi. Vậy số khe thời gian dành cho kênh lƣu lƣợng của mỗi cell còn (5 x 8 – 2) = 38 Tra bảng Erlang-B (Phụ lục), tại GoS 2 % thì một cell có thể cung cấp dung lƣợng 29,166 Erlang. Giả thiết trung bình mỗi thuê bao trong một giờ thực hiện 1 cuộc gọi kéo dài 120s tức là trung bình mỗi thuê bao chiếm 0,033 Erlang, thì mỗi cell có thể phục vụ đƣợc 29,166/0,033 = 833 (thuê bao). CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 29 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Hình 2.6: Mẫu tái sử dụng tần số 3/9 Theo lý thuyết, cấu trúc mảng 9 cells có tỉ số C/I > 9 dB đảm bảo GSM làm việc bình thƣờng. Tỉ số C/A cũng là một tỉ số quan trọng và ngƣời ta cũng dựa vào tỉ số này để đảm bảo rằng việc ấn định tần số sao cho các sóng mang liền nhau không nên đƣợc sử dụng ở các cell cạnh nhau về mặt địa lý. Tuy nhiên, trong hệ thống 3/9 các cell cạnh nhau về mặt địa lý nhƣ A1 & C3, C1 & A2, C2 & A3 lại sử dụng các sóng mang liền nhau. Điều này chứng tỏ rằng tỉ số C/A đối với các máy di động hoạt động ở biên giới giữa hai cell A1 và C3 là 0dB, đây là mức nhiễu cao mặc dù tỉ số này là lớn hơn tỉ số chuẩn của GSM là (- 9 dB). Việc sử dụng các biện pháp nhƣ nhảy tần, điều khiển công suất động, truyền dẫn gián đoạn là nhằm mục đích giảm tối thiểu các hiệu ứng này.  Mẫu tái sử dụng tần số 4/12: CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 30 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Mẫu sử dụng lại tần số 4/12 có nghĩa là các tần số sử dụng đƣợc chia thành 12 nhóm tần số ấn định trong 4 vị trí trạm gốc. Khoảng cách giữa các trạm đồng kênh khi đó là D = 6R. Lập bảng ấn định tần số nhƣ trên,ta thấy mỗi cell có thể phân bố cực đại là 4 sóng mang. Nhƣ vậy, với khái niệm về kênh nhƣ đã nói ở phần trƣớc, một khe thời gian dành cho kênh BCH, một khe thời gian dành cho kênh SDCCH/8. Vậy số khe thời gian dành cho kênh lƣu lƣợng của mỗi cell còn (4 x 8 – 2) = 30 TCH. Tra bảng Erlang-B ( Phụ lục ), tại GoS = 2 % thì mỗi cell có thể cung cấp dung lƣợng 21,932 Erlang. Giả sử mỗi thuê bao chiếm 0,033 Erlang thì mỗi cell có thể phục vụ đƣợc 21,932/0,033 = 664 thuê bao. Trong mẫu 4/12 số lƣợng các cell D sắp xếp theo các cách khác nhau để nhằm phục vụ cho các cell A,B,C. Hiệu quả của việc điều chỉnh này là để đảm bảo hai cell cạnh nhau không sử dụng hai sóng mang liền nhau (khác với mẫu 3/9). Với mẫu này, khoảng cách tái sử dụng tần số là lớn hơn Hình 2.7: mẫu tái sử dụng tần số 4/12 CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 31 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Về lý thuyết, cụm 12 cells có tỉ số C/I > 12 dB. Đây là tỉ số thích hợp cho phép hệ thống GSM hoạt động tốt. Tuy nhiên, mẫu 4/12 có dung lƣợng thấp hơn so với mẫu 3/9 vì:  Số lƣợng sóng mang trên mỗi cell ít hơn (mỗi cell có 1/12 tổng số song mang thay vì 1/9).  Hệ số sử dụng lại tần số thấp hơn (đồng nghĩa với khoảng cách sử dụng lại là lớn hơn).  Mẫu tái sử dụng tần số 7/21: Mẫu 7/21 có nghĩa là các tần số sử dụng đƣợc chia thành 21 nhóm ấn định trong 7 trạm gốc. Khoảng cách giữa các trạm đồng kênh là D = 7,9R. Ta thấy mỗi cell chỉ đƣợc phân bố tối đa 2 sóng mang. Nhƣ vậy với khái niệm về kênh nhƣ đã nói ở phần trƣớc. Phải có một khe thời gian dành cho BCH và có ít nhất một khe thời gian dành cho SDCCH, số khe thời gian dành cho kênh lƣu lƣợng của mỗi cell còn (2 x 8 – 2) = 14 TCH . Tra bảng Erlang- B (Phụ lục), tại GoS = 2 % thì mỗi cell có thể cung cấp một dung lƣợng phục vụ đƣợc 8,2003/0,033 = 248 thuê bao. CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 32 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Hình 2.8: Mẫu tái sử dụng tần số 7/21 Nhận xét: Khi số nhóm tần số N giảm (21, 12, 9), nghĩa là số kênh tần số có thể dùng cho mỗi trạm tăng thì khoảng cách giữa các trạm đồng kênh D sẽ giảm 7,9R; 6R; 5,2R. Điều này nghĩa là số thuê bao đƣợc phục vụ sẽ tăng lên là: 248; 664 và 883, nhƣng đồng thời nhiễu trong hệ thống cũng tăng lên. Nhƣ vậy, việc lựa chọn mẫu sử dụng lại tần số phải dựa trên các đặc điểm địa lý vùng phủ sóng, mật độ thuê bao của vùng phủ và tổng số kênh của mạng. - Mẫu 3/9: số kênh trong một cell là lớn, tuy nhiên khả năng nhiễu cao. Mô hình này thƣờng đƣợc áp dụng cho những vùng có mật độ máy di động cao. - Mẫu 4/12: sử dụng cho những vùng có mật độ lƣu lƣợng trung bình. - Mẫu 7/21: sử dụng cho những khu vực mật độ thấp. 2.5 Chia sector: Thay vì sử dụng một anten đẳng hƣớng, trong cell đƣợc phân sector sẽ sử dụng các anten có hƣớng phát ra góc 60 độ hoặc 120 độ. Ƣu điểm của phân sector là sẽ giảm đƣợc nhiễu đồng kênh, tăng dung CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT VỀ QUY HOẠCH MẠNG 33 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG lƣợng thuê bao phục vụ, sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tần số; nhƣng handover tăng làm cho hệ thống bận rộn hơn. Hình 2.9: Chia sector CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PHÂN BỔ TẦN SỐ 34 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Chƣơng 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PHÂN BỔ TẦN SỐ:[3] 3.1 Đặt vấn đề: Trong mạng thông tin di động GSM ngày nay, nhu cầu phát triển số thuê bao nhanh chóng trong khi băng tần GSM là một tài nguyên có giới hạn. Để giải quyết vấn đề này trong quy hoạch và thiết kế mạng thông tin di động GSM ngƣời ta đƣa ra giải pháp là sử dụng lại tần số ở những vị trí khác nhau trong mạng GSM với khoảng cách an toàn để đảm bảo không xảy ra nhiễu. Khoảng cách an toàn này đƣợc gọi là khoản cách tối thiểu để sử dụng lại tần số D và tỉ lệ D/R là hệ số an toàn để sử dụng lại tần số nhƣ đã trình bày trong phần lý thuyết . Trong Hình 9, giữa cell 17 vỡ các cell lận cận {9, 10, 16, 18, 20, 21} tô đậm phải luôn duy trì một khoảng cách tần số nhất định để tránh nhiễu. Trong một số trƣờng hợp thậm trí đối với các cell ở xa hơn nhƣ các cell {2, 3, 4, 8, 11, 19 } cũng vẫn nằm trong khoảng cách có thể bị nhiễu. Nhƣ vậy khoảng cách vật lý an toàn cho việc sử dụng lại các kênh tần số giống nhau là thông số rất quan trọng đối với thiết kế mạng vô tuyến di động. Khoảng cách tần số giữa các cặp cell đƣợc xác định dựa vào các yêu cầu về nhiễu và đƣợc xây dựng thành ma trận khoảng cách tần số tƣơng ứng trong đó N là số lƣợng cell nhƣ đã trình bày trên. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PHÂN BỔ TẦN SỐ 35 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Hình 3.1: Ví dụ mạng GSM với N=21cell Ngoài việc bảo đảm không để nhiễu xảy ra, phân bố tần số còn bị ràng buộc bởi điều kiện về số lƣợng tần số cần thiết của cell để phục vụ lƣu lƣợng theo thiết kế. Do phân bố lƣu lƣợng không đều do đó nhu cầu tần số của các cell là khác nhau. Có 3 phƣơng pháp phân bố tần số nhƣ sau: Phân bố tần số cố định, Phân bố tần số động và phân bố tần số linh hoạt. Tuy nhiên trong nội dung luận văn này em sẽ chỉ phân tích trƣờng hợp phân bố tần số cố định. Trong điều kiện mạng vô tuyến 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 đƣợc phƣơng án phân bố tần số có số lƣợng tần số là tối thiểu trong khi đó vẫn thoả mãn các điều kiện về nhiễu và số lƣợng tần số cho từng cell. Hiện nay để giải quyết vấn đề phân bố tần số đa số các nhà khai thác sử dụng phƣơng pháp phân bố tần số theo một mẫu sử dụng lại tần số cố định ví dụ 3/9, 4/12,7/21. Tuy nhiên phƣơng pháp này có hai hạn chế sau: - Việc phân bố tần số chƣa căn cứ vào mức độ đánh giá về nhiễu của các cell trên mạng lƣới (thông qua phƣơng pháp đo hoặc tính toán mô phỏng) do đó nhiễu vẫn có thể xảy ra. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PHÂN BỔ TẦN SỐ 36 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG - Do việc phân bổ này là chƣa tính đến số lƣợng tần số thực tế cần thiết cho từng cell do vậy băng tần số sử dụng không thay đổi theo số lƣợng tần số sử dụng thực tế do đó hiệu quả sử dụng tần số còn thấp. Mô hình phƣơng pháp phân bố tần số em đƣa ra sau đây là dựa trên hai phƣơng 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 lƣới bằng phƣơng pháp đo hoặc phƣơng pháp mô phỏng từ đó xây dựng ma trận khoảng cách tần số giữa các cell. Ma trận khoảng cách tần số giữa các cell bảo đảm việc phân bố tần số loại trừ đƣợc khả năng nhiễu xẩy ra giữa các cell.  Thứ hai : Trên cơ sở số lƣợng tần số cần thiết thực tế cho từng cell, thuật toán sẽ tìm phƣơng pháp phân bố tần số với số lƣợng tần số sử dụng là ít nhất và do đó nâng cao đƣợc hiệu quả sử dụng băng tần số . 3.2 Bài toán phân bổ tần số: Giả sử ta có: - Tài nguyên tần số hiện có M tần số, đƣợc kí hiệu bằng , ,…, . Khoảng cách giữa hai tần số là Δf (với mạng GSM , Δf = 200KHz). Nhƣ vậy ta có quan hệ : fi+m= fi + m* Δf Trong đó , i, m là số nguyên dƣơng. Vậy độ rộng cả băng tần là : M* Δf - Một tập hợp C có N cell {C = C1a , C1b,...,CNb/2} - Vector nhu cầu tần số W= {W1a, W1b, ..., WNb/2}. Trong đó Wix: là số lƣợng kênh tần số cần thiết cho cell thứ ix vỡ 1≤ i ≤ N/2; x = a; b - Ma trận nhƣ đã trình bày ở trên là ma trận khoản cách tần số tƣơng ứng. Phần tử của ma trận là khoảng cách tần số giữa cell i vỡ CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PHÂN BỔ TẦN SỐ 37 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG cell j. Tuỳ theo việc bố trớ cell trong mạng ta sẽ xác định các giá trị Sij sao cho khoảng cách tần số giữa cell i vỡ cell j bảo đảm để không có nhiễu xảy ra. Các giá trị của đƣợc xác định trên cơ sở các số liệu đo đạc tình hình nhiễu thực tế trong mạng hoặc sử dụng phƣơng pháp mô phỏng để xác định giá trị . Dựa vào các tiêu chuẩn về khoảng cách tần số và phổ tần số GSM theo khuyến nghị ETSI GSM 05.05 và ETSI GSM 05.08 để tránh nhiễu xẩy ra, các giá trị đƣợc xác định theo nguyên tắc nhƣ sau:  Sij = 1 : Nếu giữa cell i và j là không đƣợc sử dụng cùng tần số.  Sij = 2 : Trong trƣờng hợp các kênh tần số lân cận nhƣ fi vỡ fi+1 là không đƣợc phân bố cho các cell i , j một cách đồng thời.  Sij = 0 : Trƣờng hợp không có nhiễu xảy ra ngay cả khi cell i vỡ j sử dụng cùng một tần số.  Sii = 5 : Trƣờng hợp tần số sử dụng trong cùng một cell i phải có khoảng cách tần số là Sii = 5 Trong phạm vi luận văn, em không đƣa ra phƣơng pháp xây dựng ma trận bằng phƣơng pháp mô phỏng thực tế. Việc tính toán ma trận khoảng cách tần số đối với các trƣờng hợp đƣợc dƣa ra trong chƣơng trình mô phỏng. Tuy nhiên, đề minh hoạ, em đƣa ra một ví dụ theo hình 3.2 bên dƣới và phƣơng pháp xây dựng ma trận cho trƣờng hợp cell sector 120o . Trƣờng hợp sector 120o đối với mô hình 9 cell: CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PHÂN BỔ TẦN SỐ 38 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Hình 3.2: mô hình cluster 9 cells Theo nguyên tắc xác định nhƣ trên, ta có các phần tử của ma trận có các giá trị lần lƣợt nhƣ sau(ứng với trƣờng hợp 2 kênh tần số và không đƣợc phân bổ một cách đồng thời cho 2 cell kế cận i và i ): C1a C1b C2a C2b C3a C3b C4a C4b C5a C1a 5 1 1 2 0 1 2 0 0 C1b 1 5 1 2 2 2 2 1 0 C2a 1 1 5 1 0 2 2 1 2 C2b 2 2 1 5 1 1 2 1 0 C3a 0 2 0 1 5 1 1 2 0 C3b 1 2 2 1 1 5 2 2 2 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PHÂN BỔ TẦN SỐ 39 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG C4a 2 2 2 2 1 2 5 1 1 C4b 0 2 1 1 2 2 1 5 1 C5a 0 1 2 0 0 2 1 1 5 Bảng 3.1: Ma trận khoản cách tần số cho mô hình cluster 9 cells Nhƣ vậy kết quả bài toán là xác định đƣợc ma trận sử dụng tần số cho từng cell của mạng, giả sử đƣợc gọi là ma trận , ở đây, M là số tần số hiện có, còn N là số cell của tập hợp C trong trƣờng hợp sector 120 o hoặc 2xN trong trƣờng hợp sector 60o .Phần tử của ma trận FNN kí hiệu là . Để tìm ma trận trƣớc hết ta định nghĩa các phần tử của ma trận .Ban đầu đặt = 0, sau đó thực hiện thuật toán giá trị sẽ đƣợc gán theo nguyên tắc sau:  0: Có nghĩa là cell thứ i (theo cột) là không sử dụng tần số thứ m (theo hàng).Và nếu tần số này phân bổ cho cell i thì cũng không gây ra xung đột với các tần số khác hiện đã đƣợc phân bổ cho các cell khác.  = 1: Điều này có nghĩa là cell thứ i đã sử dụng tần số  fmi = -1: Điều này có nghĩa là cell thứ i không đƣợc sử dụng tần số vì nếu sử dụng sẽ gây ra nhiễu với các tần số đã đƣợc phân bố. Trong đó : 1 ≤ m ≤ M, 1 ≤ i ≤ N. Mục tiêu đặt ra là tìm đƣợc số lƣợng tần số sử dụng M′ tối thiểu (M′ ≤ M ) đồng thời vẫn thoả mãn 2 điều kiện rỡng buộc sau:  Điều kiện ràng buộc 1: Điều kiện rỡng buộc về khoảng cách tần số: Khi = = 1 thì | | ≥ (1) CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PHÂN BỔ TẦN SỐ 40 GVDH: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN SVTH: PHẠM MINH VƢƠNG Trong đó = 1 là tần số đƣợc gán theo cell thứ j Với tất cả các giá trị m, L, j , i trừ trƣờng hợp m = L và i = j. Với trƣờng hợp i = j là trƣờng hợp sử dụng tần số cùng trên một cell .  Điều kiện rang buộc 2: Là ràng buộc về thoả mãn nhu cầu số lƣợng tần số sử dụng cho từng cell, đáp ứng đƣợc dung lƣợng của từng cell theo thiết kế. Nhƣ đã trình bày ở trên số lƣợng tần số cần thiết cho từng cell đƣợc biểu diễn bằng vector W= {W1a, W1b,... WNb/2}, do vậy ta có : ∑ = 3.3 Thuật toàn giải bài toán phân bổ tần số và ví dụ: 3.3.1 Thuât toán phân bổ tần số:  Bƣớc 1: khởi tạo - Xác định tập hợp cell C = {C1a , C1b,...,CNb/2}. - Xác định số lƣợng tần số F= { , ,…, . } - Xác định ma trận khoảng cách tần số ; - Xác định nhu cầ tần số của từng cell : W= {W1a, W1b, ..., WNb/2}; - Khởi tạo ma trậ sử dụng tần số