Tải bản đầy đủ

TỐI ƯU HÓA VÙNG PHỦ SÓNG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN BIẾN ĐỔI GEN

Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
MỤC LỤC
MỤC LỤC I
CHƯƠNG 1 DANH MỤC HÌNH VẼ III
CHƯƠNG 2 DANH MỤC BẢNG BIỂU IV
CHƯƠNG 3 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT V
LỜI NÓI ĐẦU VI
CHƯƠNG 4 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN
GSM 9
1.1 TỔNG QUAN VỀ QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN GSM 9
1.1.1 Các yếu tố cơ bản của quy hoạch mạng 9
1.1.1.1 Sử dụng lại tần số ( frequency reuse ) 11
1.1.1.2 Lưu lượng 13
1.1.1.3 Chuyển cell (Hand over) 15
1.1.1.4 Sestor cell và phân chia cell 16
1.1.2. Các mục tiêu của quá trình quy hoạch mạng 18
1.1.3 Quá trình thiết kế mạng 19
1.2 LÝ THUYẾT TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN 20
1.2.1 Mô hình truyền sóng cho Macrocell 21
1.2.3 Mô hình truyền sóng trong nhà (indoor): 25
1.3 DỰ BÁO VÙNG PHỦ SÓNG 26

1.3.1 Xác xuất phủ sóng 26
1.3.2 Xác xuất lựa chọn cell 28
1.4 DUNG LƯỢNG THOẠI 29
1.4.1 Lưu lượng 29
1.4.2 Xác định số lượng kênh tần số 31
1.4.3 Xác định số lượng kênh tần số cần thiết 32
1.5 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU 33
1.5.1 Nhiễu qua lại giữa các cell 34
1.5.2 Xây dựng ma trận khoảng cách tần số SNxN giữa các cell 36
1.6 PHÂN BỔ TẦN SỐ 37
1.6.1 Bài toán phân bổ tần số 40
1.6.2 Phát triển bài toán phân bố tần số 41
1.7 KẾT LUẬN 42
CHƯƠNG 5 XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN
GSM VÀ THUẬT TOÁN BIẾN ĐỔI GEN 35
2.1 BÀI TOÁN QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN GSM 35
2.1.1 Bài toán lựu chọn vị trí cell 35
2.1.2 Bài toán phân bố tần số 36
2.1.3 Bài toán xác định kích thước cell 36
2.1.4 Bài toán xác định vị trí trạm và kích thước cell tự động 37
Vũ Hoàng Linh - D04VT2
I
Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
2.1.5 Bài toán phát triển mạng 38
2.2 CÁC ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU CHO TỪNG CELL 39
2.2.1 Lưu lượng 39
2.2.2 Điều kiện về nhiễu 40
2.3 CÁC ĐIỀU KIỆN TỐI ƯU TỔNG THỂ 41
2.3.1 Tỷ lệ phủ sóng 42
2.3.1.1 Xác suất phủ sóng của một tập cell 42
2.3.1.2 Tỷ lệ phủ sóng theo diện tích 43
2.3.1.3 Tỷ lệ phủ sóng theo lưu lượng 43
2.3.2 Hàm chi phí tần số 44
2.3.3 Hàm chi phí hệ thống 46
2.4 BÀI TOÁN TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU (MOP) 47
2.4.1 Các khái niệm cơ bản về bài toán tối ưu đa mục tiêu 48
2.4.2 Phương pháp cổ điển giải bài toán tối ưu đa mục tiêu 51
2.4.2.1 Phương pháp trọng số 51
2.4.2.2 Phương pháp ràng buộc 53
2.4.2.3 Phương pháp mới giải bài toán tối ưu đa mục tiêu 54


2.5 THUẬT TOÁN BIẾN ĐỔI GEN(GA) 55
2.5.1 Thiết kế thuật toán biến đổi Gen-GA: 58
2.5.2 Biểu diễn thuật toán 58
2.5.2.1 Đánh giá và xác định các giá trị phù hợp 58
2.5.2.2 Các phương pháp lựa chọn 62
2.5.2.3 Các toán tử của GA 63
2.5.2.4 Quá trình thay thế 64
2.5.3 Thuật toán biến đổi Gen với bài toán tối ưu đa mục tiêu 65
2.5.3.1 Các kỹ thuật tìm kiếm đa mục tiêu 65
2.5.3.2 Lựa chọn các cá thể không bị nổi trội 68
2.5.4 Sự kết hợp giữa tìm kiếm và ra quyết định 74
2.6 KẾT LUẬN 75
CHƯƠNG 6 PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI, CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN
TÍNH HỘI TỤ CỦA THUẬT TOÁN BIẾN ĐỔI GEN VÀ KẾT QUẢ CHƯƠNG TRÌNH
MÔ PHỎNG 78
3.1 PHÉP ÁNH XẠ CỦA THUẬT TOÁN GA 78
3.2 GIẢN ĐỒ GEN 81
3.2.1 Khái niệm 81
3.2.2 Giản đồ Gen với quá trình biến đổi GA 82
3.2.2.1 Tác động của quá trình sinh sản 83
3.2.2.2 Tác động của toán tử giao hoán 84
3.2.2.3 Tác động của toán tử đột biến 86
3.3 PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH HỘI TỤ CỦA THẬT TOÁN GA BẰNG CHUỖI
MARKOV 86
3.3.1. Quá trình biến đổi của thuật toán GA 86
3.3.2 Chuỗi Markov giới hạn 87
Vũ Hoàng Linh - D04VT2
II
Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục
3.3.3 Phân tích quá trình biến đổi GA 88
3.3.4 Các bước biến đổi của GA 89
3.3.4.1 Toán tử lựa chọn 90
3.3.4.2 Toán tử giao hoán 90
3.3.4.3 Toán tử đột biến 91
3.3.5 Mức độ đa dạng dân số trong GA 92
3.3.5.1 Không có tác động của đột biến 93
3.3.5.2 Tác động của toán tử đột biến 94
3.4 THỜI GIAN HỘI TỤ CỦA THUẬT TOÁN 95
3.5. BÀI TOÁN LỰA CHỌN VỊ TRÍ ĐẶT TRẠM VÀ KẾT QUẢ CHƯƠNG TRÌNH
MÔ PHỎNG GA 97
3.5.1 Xây dựng bài toán lựa chọn vị trí trạm tối ưu 97
3.5.1.1 Hàm phủ sóng 97
3.5.2.1 Hàm chi phí 98
3.5.1.3 Phát triển bài toán lựa chọn vị trí đặt tram tối ưu 99
3.5.2 Đề xuất giải thuật 99
3.5.3 Ví dụ 101
3.5.3.1 Kết quả chương trình mô phỏng GA 101
3.5.3.2 Nhận xét 106
3.6 KẾT LUẬN 106
CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN 108
TÀI LIỆU THAM KHẢO 109
Vũ Hoàng Linh - D04VT2
III
Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ
CHƯƠNG 1 DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-1 Mẫu sử dụng lại tần số với K = 7 12
Hình 1-2 Lưu lượng tính theo đơn vị Erlang 15
Hình 1-3 Phân chia theo hướng tăng vùng phủ sóng và phân chia cell theo hướng tăng
dung lượng 17
Hình 1-4 Sơ đồ các bước thiết kế mạng vô tuyến GSM 20
Hình 1-5 Nhiễu qua lại giữa 2 cells 33
Hình 1-6 Cấu trúc ma trận khoảng cách tần số SNxN 37
Hình 1-7 Ảnh hưởng của nhiễu khi sử dụng lại tần số 38
Hình 1-8 Băng tần số GSM 900 MHz 39
Hình 2-9 Đường tối ưu Pareto trong không gian hai chiều 49
Hình 2-10 Các giải pháp trong không gian đa mục tiêu 50
Hình 2-11 Phương pháp trọng số giải bài toán tối ưu đa mục tiêu 53
Hình 2-12 Phương pháp tràng buộc giải bài toán tối ưu đa mục tiêu 54
Hình 2-13: Các bước cơ bản của thuật toán GA 56
Hình 2-14: Sơ đồ thực hiện thuật toán biến đổi Gen cơ bản 60
Hình 2-15: Giao hoán tại một điểm của hai chuỗi nhiểm sắc thể 63
Hình 2-16: Sơ đồ thuật toán GA kết hợp lựa chọn các cá thể không bị nổi trội 70
Hình 2-17: khoảng cách của các thể trong đường cong không bị nổi trôi 71
Hình 3-18: Tọa độ các trạm bố trí theo hình lục lăng 102
Hình 3-19: (a) Hình dạng phủ sóng của một cell 103
Vũ Hoàng Linh - D04VT2
III
Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng biểu
CHƯƠNG 2 DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1 Tóm tắt các tham số liên quan đến 3 loai cell cơ bản 10
Bảng 1-2: Số lượng kênh CCH và FCH tương ứng với số lượng kênh TCH 32
Bảng 1-3 Khoảng cách phân biệt giữa các kênh tần số 35
Bảng 2-4. Tóm tắt đặc điểm của các bài toán trong quy hoạch mạng vô tuyến GSM 39
Bảng 3-5: Các tham số của thuật toán tương ứng với các giá trị N 101
Bảng 3-6: Tổng hợp kết quả của bài toán 103
Vũ Hoàng Linh - D04VT2
IV
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
CHƯƠNG 3 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Nội dung tiếng Anh Nội dung tiếng Việt
ACI Adjacent Channel Interference Nhiễu kênh lân cận
BSC Base Station Control Điều khiển trạm gốc
BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc
CAP Channel Assignment Problem Bài toán phân bố kênh tần số
CCH Control Channel Kênh điều khiển
C/I Carrier-To-Interference Tỷ số sóng mang trên nhiễu
CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập theo mã
Erf Error function Hàm sai số
ETSI Eroupean Telecommunication
Standard Institude
Viện tiêu chuẩn Viễn Thông Châu
Âu
FCH Frequency Chanel Kênh tần số
GA Genetic Algorithm Thuật toán biến đổi Gen
GoS Grade of Service Cấp độ chất lượng dịch vụ
GSM Global System for Mobile
Communicatuons
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
LOS Line of Sight Đường truyền vô tuyến trực thị
MOGA Multi-Objective Genetic
Algorithm
Thuật toán biến đổi Gen cho bài
toán tối ưu đa mục tiêu
MOP Multi-Objective Optimzation
Problem
Bài toán tối ưu đa mục tiêu
MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyển mạch thông tin
di động
NP Nondeterminitistic Polynomial Đa thức không xác định
NLOS Non-Line-Of-sight Đường truyền vô tuyến bị che chắn
NSGA Non-Dominated Sorting Genetic
Algorithm
Thuật toán biến đổi Gen lựa chọn
các cá thể không bị nổi trội
Pdf Probability density function Hàm phân bố xác suất
SOP Single Objective Optimization
Problem
Bài toán tối ưu đơn mục tiêu
Vũ Hoàng Linh - D04VT2
V
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, do phát triển nhanh chóng của Viễn thông nên vấn đề quy hoạch mạng
ngày càng phức tạp và cấp thiết hơn. Quy hoạch mạng vô tuyến GSM là một bài toán có
quy mô lớn và tính chất phức tạp bởi vì bài toán có liên quan tới nhiều yếu tố: địa hình,
phân bổ lưu lượng, cơ sở hạ tầng hiện tại và nhiều yếu tố khác. Vấn đề còn phức tạp hơn
nữa khi quy hoạch mạng vô tuyến GSM còn liên quan đến một loạt các ràng buộc như:
dung lượng hệ thống, chất lượng dịch vụ, độ rộng băng tần số v v.
Hiện nay, phần lớn các công cụ quy hoạch mạng vô tuyến GSM mới chỉ hổ trợ tính
toán dự báo vùng phủ sóng, phân tích nhiễu và phân bỏ tần số cho các trạm đã xác định vị
trí. Tuy nhiên, các vấn đề khác liên quan đến quy hoạch mạng như lựa chọn vị trí đặt
trạm, điều chỉnh kích thước trạm, Đánh giá từng giải pháp thường được thực hiện trên cơ
sở kinh nghiệm và khả năng xử lý trực giác của người quy hoạch mạng. Quá trình quy
hoạch mạng theo kinh nghiệm như vậy mặc dù vẫn đảm bảo các bước xử lý và cân nhắc
trước khi quyết định một giải pháp quy hoạch, tuy nhiên giải pháp lựa chọn là giải pháp
theo kinh nghiệm cho là tốt nhất, nhưng không bảo đảm rằng giải pháp lựa chọn là giải
pháp tốt nhất, nhưng không đảm bảo rằng giải pháp đó là giải pháp tối ưu trong những
giải pháp cụ thể.
Vấn đề đặt ra ở đây là làm thế nào để xác định vị trí nào để xác định được vị trí và giá
trị các tham số của mỗi trạm BTS sao cho đạt được sự tối ưu hoạt động của mạng lưới
trên cơ sở các số liệu phân tích, đánh giá đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật hệ thống nhưng
giá thành lại thấp nhất có thể. Để xây dựng và giải bài toán tối ưu như vậy, chúng ta có
thể mô tả tổng quát vấn đề như sau:
Cho một cell c
i
= (x
I
,

y
i
,

p
i
,

h
i
, a
i
) ở đây:
(x
I
, y
i
): là vị trí trạm thu phát.
P
i
:là công suất phát của trạm.
h
i
: là độ cao của antenna trạm.
a
i
:là hướng antenna trạm.
Các cell tạo thàmh một tập hợp cell C = (c
1
, c
2
, c
3
, … , c
N
), N là số lượng cell. Các cell
có cùng một vị trí trạm BTS được gọi là các cell cùng trạm. Trong thực tế, trên mạng vô
tuyến nói chung và mạng GSM nói riêng, các cell đều có ảnh hưởng và tác động qua lại
với nhau về phủ sóng và nhiễu vô tuyến. Một tập hợp cell C được gọi là một tập hợp cell
Vũ Hoàng Linh - D04VT2
VI
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng hoạt động của hệ thống nếu thỏa mãn các điều kiện
sau:
a) Tải lưu lượng của mỗi cell là nhỏ hơn một giá trị T
max
tương ưng với số
lượng kênh tần số hiện có để bảo đảm giá trị G0S mong muốn.
b) Xác suất xẩy ra nhiễu của một cell là thấp hơn một ngưỡng
θ
int
cho trước để
đảm bảo chất lượng tín hiệu vô tuyến.
c) Diện tích phủ sóng hteo diện tích ( hoặc theo lưu lượng ) cao hơn một
ngưỡng cho trước
θ
cov
.
d) Phí tần số là có hiệu quả nhất. Phí tần số được tính toán dựa trên số lượng
tần số cần thiết để phân bố cho các cell và số lượng tần số này không vượt
quá số lượng tần số hiện có của mạng.
e) Chi phí đầu tư cho việc xây nhà trạm thê kênh và bảo dưỡng các nhà trạm là
giới hạn trong ngân sách đầu tư cơ sở hạ tầng E
budget
.
Điều kiện (a), (b) gọi là các điều kiện cụ thể cho từng cell và các điều kiện (c), (d), (e)
gọi là các điều kiện tổng quát cho quá trình quy hoạch mạng vô tuyến bởi vì các điều kiện
này được xác định cho một tập hợp cell. Các điều kiện cụ thể và tổng quát sẽ được phân
tích chi tiết trong các phần tiếp theo.
Các điều kiện liên đưa ra ở trên là phụ thuộc vào đặc điểm của từng hệ thống thông tin
di động khác nhau. Các hệ thống như CDMA, GSM, UMTS có các điều kiện cụ thể khác
nhau, trong phạm vi đồ án này chỉ đề cập đến các điều kiện dựa trên tiêu chuẩn của hệ
thống GSM. Tuy nhiên phương pháp đề xuất giải quyết bài toán qui hoạch mạng ở đây có
thể áp dụng cho các hệ thống TTDĐ khác nhau. Các điều kiện từ (a) đến (e) là các điều
kiện liên quan đến hoạt động cả hệ thống như vùng phủ sóng, dung lượng, chất lượng tín
hiệu sóng vô tuyến. Quá trình quy hoạch mạng vô tuyến là quá trình thiết kế hệ thống trên
cơ sở xác định được số lượng cell, kích thước cell, vị trí và các tham số tương ứng của
mỗi cell, bảo đảm được chất lượng mạng theo yêu cầu nhưng tối thiểu giá thành đầu tư hệ
thống. Như vậy bản chất quy hoạch mạng vô tuyến là một bài toán tối ưu hóa tổng hợp.
Trong phạm vi đồ án tôi đặt ra bài toán tối ưu quy hoạch mạng vô tuyến theo hướng:
- Tối đa vùng phủ sóng một khu vực cho trước trên cơ sở xác định được một tập hợp
cell có vị trí tối ưu về phủ sóng.
- Tối thiểu hóa giá thành đầu tư hệ thống trên cơ sở xác định tập hợp cell tối ưu có số
lượng cell là nhỏ nhất.
Vũ Hoàng Linh - D04VT2
VII
Đồ án tốt nghiệp Đại học Thuật ngữ viết tắt
- Cho phép xác định, đánh giá và phân tích các tham số như dung lượng, nhiễu xẩy ra
giữa các cell.
Giả sử ta có N vị trí cell dự kiến có thể đặt trạm thì số lượng của tổ hợp các trạng thái
vị trí có thể của N cel 2
N
như vậy khối lượng tính toán của bài toán là rất lớn. Khối lượng
tính toán tỷ lệ theo hàm số mũ của các tham số đầu vào. Như vậy bài toán tối ưu hóa tổ
hợp là bài toán NP-đầy đủ. Trong điều kiện bài toán có nhiều rằng buộc liên quan như bài
toán tối ưu mạng vô tuyến GSM thì chưa có một thuật toán hiện tại nào có thể giải trực
tiếp bài toán với tất cả các điều kiện ràng buộc trong một thời gian hợp lý. Như vậy để
giải quyết bài toán tối ưu quy hoạch mạng vô tuyến, một vấn đề đặt ra để nghiên cứu giải
quyết là xây dựng được thuật toán giải bài toán tối ưu quy hoạch mạng và đưa ra giải
pháp tối ưu trong thơi gian cho phép có thể áp dụng vào thiết kế và tối ưu mạng vô tuyến
GSM của Việt Nam. Đồ án đưa ra hướng giải quyết đó là sử dụng thuật toán biến đổi
GEN.
Đồ án được trình bày bao gồm 3 chương như sau:
Chương I: Tông quan nghiên cứu về quy hoạch mạng vô tuyến GSM
Chương II: Xây dựng bài toán quy hoạch mạng vô tuyến GSM và thuật toán biến đổi
GEN
Chương III: Phân tích quá trình biến đổi, các yếu tố ảnh hưởng đến tính hội tụ của thuật
toán biến đổi GEN và kết quả của chương trình mô phỏng
Em xin chân thành cảm ơn Ths. Phạm Thị Thúy Hiền cùng các thầy, cô trong Bộ môn
Vô Tuyến I đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên do thời gian hạn chế
và đây là một đồ án khó trong khi kiến thức em còn nhiều hạn chế nên không tránh khỏi
sự thiếu sót. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô và các bạn
để đồ án được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày tháng năm 2007
Sinh Viên: Vũ Hoàng Linh
Vũ Hoàng Linh - D04VT2
VIII
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
CHƯƠNG 4 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ QUY HOẠCH
MẠNG VÔ TUYẾN GSM
1.1 TỔNG QUAN VỀ QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN GSM
1.1.1 Các yếu tố cơ bản của quy hoạch mạng
Trong quy hoạch mạng vô tuyến thông tin di động, thuật ngữ cell dùng để chỉ một
vùng phủ sóng vô tuyến thông tin di động của một trạm thu phát vô tuyến (BTS). Trên
thực tế, để cho đơn giản các tài liệu thiết kế mạng di động, vùng phủ sóng này được mô tả
theo mô hình của các lục giác đều và hình dạng lục giác đều biểu hiện của hình dạng tối
ưu, lý tưởng của một cell. Tuy nhiên trong thực tế, hình dạng và kích thước các cell phụ
thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường phủ sóng di động, tác động của môi trường xung
quanh. Tùy theo kích thước cell ta có thể phân thành 3 loại cell như sau:
Macro cell:
- Kích thước bán kính cell trong khoảng từ 1-30 km .
- Trạm thu phát sóng được lăp đặt trên các tòa nhà.
- Phủ sóng trong phạm vi rộng.
Micro cell
- Kích thước bán kính cell khoảng 2 km.
- Trạm thu phát được lắp đăt trên các cột đèn đường, sử dụng cho các khu
vực có mật độ thuê bao cao.
- Phủ sóng cho các đường phố, phạm vi nhỏ.
Pico cell
- Kích thước bán kính của cell trong khoảng 10-200 m.
- Sử dụng cho các khu vực có mật độ thuê bao rất cao và ứng dụng yêu cầu
tốc độ dữ liệu cao.
- Thường được dùng để phủ sóng trong điều kiện trong nhà.
- Trạm BTS thường có các kích thước nhỏ và lắp đặt trong nhà.
Các hệ thống thông tin di động truyền thống trước đây thường thiết kế mạng giống
như các trung tâm phát sóng đài FM hoặc vô tuyến truyền hình, tức là làm một trạm thu
phát ở vị trí cao nhất của một khu vực và phủ sóng với bán kính có thể lên đến 50 km.
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
Đối với hệ thống thông tin di động GSM lại dựa trên quan điểm thiết kế hoàn toàn khác,
đó là quan điểm thiết kế nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần số. Do đó thay vì việc thiết
kế một trạm thu phát với công suất lớn, mạng vô tuyến GSM thiết kế sử dụng nhiều trạm
thu phát có công suất nhỏ hơn để phủ sóng các khu vực theo yêu cầu. Ví dụ, bằng phương
pháp phân chia theo khu vực cho trước thành nhiều khu vực khác nhau, sử dụng các trạm
thu phát sóng có công suất nhỏ sử dụng 12 kênh tần số khác nhau cho mỗi trạm, như vậy
về mặt lý thuyết thiết kế này sẽ nâng dung lượng hệ thống từ một trạm thu phát công suất
lớn với 12 kênh tần số theo kiểu cũ lên dung lượng 120 kênh tần nếu sử dụng 10 trạm
công suất thấp hơn. Như vậy rõ ràng là với một số lượng tần số cho trước, thiết kế sử
dụng nhiều trạm có công suất phát nhỏ sẽ cho số lượng kênh tần số sử dụng cho mỗi khu
vực là tăng lên, qua đó tăng được dung lượng của toàn bộ hệ thống và hiệu quả sử dụng
cao hơn nhiều.
Bảng 1-1 Tóm tắt các tham số liên quan đến 3 loai cell cơ bản.
Loại cell Bán kính
cell(*)
Công suất
phát
Độ cao antena Phạm vi/ mục đích sử dụng
Marco
cell
1~ 30 km 1 ~ 10 W > 30 m Vùng phủ sóng rộng, hỗ trợ
cho các thuê bao có tốc độ di
chuyển cao
Micro
cell
0,2 ~ 1 km 0,01 ~ 1 w < 10 m Khu vực có mật độ thuê bao
cao
Pico cell < 200 m < 100 mw Lắp ở trần nhà
hoặc cầu thang
máy
Chủ yếu phủ sóng trong nhà
(*) Bán kính cell để biểu thị kích thước của cell
Trong quá trình thiết kế mạng vô tuyến GSM, cần phải quan tâm đến các vấn đề cơ bản
sau đây :
- Sử dụng lại tần số : Do số lượng tần số vô tuyến GSM là giới hạn vì vậy phải thiết kế
sử dụng lại tần số. Sử dụng lại tần số (frequency channel) được sử dụng trên một cell có
thể sử dụng lại trên các cell khác với cự ly an toàn để tránh nhiễu đồng kênh.
- Chuyển cell (hand over) : Do có nhiều cell trong một mạng vô tuyến do đó thiết kế
phải đảm bảo các cuộc đàm thoại được giữ khi thuê bao chuyển từ cell này qua cell khác.
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
- Điều chỉnh kích thước của cell: Có nhiều mức công suất phát khác nhau để điều chỉnh
kích thước cell phù hợp với mật độ thuê bao và nhu cầu của từng khu vực cụ thể.
- Phân chia cell : Tùy theo nhu cầu và mức độ tăng thuê bao của từng khu vực, hệ
thống có thể chia nhỏ các cell có hiện tượng nghẽn thành các cell nhỏ hơn để tăng dung
lượng.
Như vậy trong thiết kế, quy hoạch mạng vô tuyến di động GSM để giải quyết các vấn
đề nêu trên, chúng ta sẽ phân tích từng vấn đề và các yếu tố liên quan để thấy được mối
quan hệ của chúng trong tổng thể của quá trình quy hoạch mạng vô tuyến GSM.
1.1.1.1 Sử dụng lại tần số ( frequency reuse ).
Sử dụng lại tần số là một trong những nguyên lý quan trọng của hệ thống mạng vô
tuyến di động GSM. Sử dụng lại tần số có nghĩa là thuê bao di động ở các vị trí địa lý
khác nhau có thể sử dụng đồng thời các kênh tần số (FCH) giống nhau. Việc sử dụng lại
tần số làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần, tuy nhiên việc sử dụng lại tần số là nguyên
nhân gây ra nhiễu giữa các cell vì vậy nếu trong một mạng GSM trong quá trình thiết kế
không quan tâm đến vấn đề phân bổ tần số giữa các cell và cự ly an toàn để sử dụng lại
tần số thì mạng sẽ xẩy ra hiện tượng nhiễu làm giảm chất lượng cuộc gọi. Nhiễu xẩy do
việc dử dụng các tần số giống nhau gọi là nhiễu đồng kênh (CCI), nhiễu đồng kênh là một
vấn đề lớn liên quan đến vấn đề quy hoạch mạng GSM.
Giả sử có một tập hợp tần số được phân bổ cho các nhóm cell được chỉ ra theo hình
1.1, hình dạng các cell được giả thiết có hình dạng chuẩn là hình dạng tổ ong bao gồm các
hình lục giác đều sắp xếp với nhau. Số lượng cell sử dụng lại tần số được phân thành các
nhóm cell phụ thuộc vào mẫu sử dụng lại tần số (reuse frequyency pattern). Giả sử số
lượng cell trong một nhóm cell sử dụng lại tần số được gọi là K. Giá trị của K được xác
định :
K= i
2
+ j
2
+ i.j. (1.1)
Ở đây i, j là số nguyên, như vậy một nhóm cell sử dụng lại tần số có thể bao gồm số
lượng cell là: 3, 4, 7, 9, 12, ….
Trong ví dụ ở Hình 1.1, kích thước của nhóm cell sử dụng lại tần số là 7 . (K=7). Mỗi một
cell sẽ co 6 cell nhiễu đồng kênh ở gần nhất. Ví dụ cell 1 có 6 cell nhiễu đồng kênh gần
nhất được thể hiện bằng các cell in đậm.
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
Hình 1-1 Mẫu sử dụng lại tần số với K = 7
Trong mạng vô tuyến GSM, giả sử kích thước cell là xấp xỉ nhau thì nhiễu đồng kênh
phụ thuộc vào công suất của trạm thu phát, bán kính cell R và khoảng cách giữa các cell
sử dụng lại tần số gần nhất D. tỷ số D/R gọi là tỷ lệ an toàn cho việc sử dụng lại tần số.
D/R liên quan đến kích thước của nhóm cell K. Nếu theo cách bố trí các lục giác đều thì:
D/R=
K3
(1.2)
Như vậy, rõ ràng là kích thước nhóm cell càng nhỏ thì khả năng sử dụng hiệu quả băng
tần càng cao. Khi số lượng cell trong một nhóm cell càng nhỏ thì số lượng kênh tần số
trên một cell càng lớn và số lần sử dụng lại tần số trên toàn mạng càng cao. Tuy nhiên
kích thước của nhóm cell cần phải được lựa chọn phù hợp với yêu cầu tỷ số nhiễu đồng
kênh C/I (carrier - to - interference) để tránh hiện tượng nhiễu đồng kênh xẩy ra. Giả sử n
là số lượng cell nhiễu đồng kênh ta có :
I
C
=

=
n
i
Ii
C
1
(1.3)
K
h
o

n
g

c
á
c
h

s


d

n
g

l

i

t

n

s


D
3
2
1
4
1
5
46
7
2
3
1
5
46
7
2
3
1
5
46
7
2
3
1
5
46
7
2
3
1
5
46
7
2
3
1
5
46
7
2
3
1
5
46
7
2
3
6
4
3
5
4 5
7
1
5
2
7
6
2
7
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
Ở đây C là công suất tín hiệu sóng mang và I là công suất nhiễu gây ra do cell thứ i và
tỷ số C/I tỷ lệ thuận với kích thước nhóm cell K, nên ta có :
I
C
=
n
RD

)/(
=
n
K
γ
)3(
(1.4)
Ở đây
γ
là số mũ hiển thị tốc độ suy hao trên đường truyền của sóng vô tuyến. Thông
thường
γ
nằm trong khoảng giá trị 2.7
÷
4 cho môi trường sóng thông tin di động GSM.
Trong cấu trúc mạng tổ ong tồn tại 6 cell nhiễu đồng kênh gần nhất đối với một cell khác.
Nhiễu đồng kênh gây ra cho các cell khác ở cự ly xa hơn là không đáng kể và có thể bỏ
qua. Như vậy thông thường ta xét ở trường hợp n = 6. Giả sử rằng số mũ
γ
biểu thị tốc độ
suy hao có giá trị là 4 (
γ
= 4) và nếu tỷ số C/I yêu cầu của mạng 21dB thì ta có:

I
C
=
n
K
γ
)3(
=
6
)3(
2
K

21dB. (1.5)
Từ (1.5) ta có K

12dB. Ví dụ trên chỉ ra rằng nhiễu đồng kênh có ảnh hưởng quyết định
đến chất lượng truyền sóng vô tuyến và quyết định đến kế hoạch sử dụng lại tần số và
dung lượng của toàn mạng vô tuyến GSM.
1.1.1.2 Lưu lượng
Lưu lượng là hệ số quyết định việc bao nhiêu thuê bao di động có thể sử dụng mạng
thông tin di động với một dải băng tần cho trước. Lưu lượng trên một thuê bao di động
được xác định bởi tốc độ thực hiện cuộc gọi và thời gian đàm thoại trung bình của cuộc
gọi. Tốc độ thực hiện cuộc gọi là số cuộc gọi thực hiện trong một đơn vị Erlang. Khi đó
lưu lượng trên mạng lưới là tăng giảm theo thời gian trong một ngày, theo ngày của tuần
hoặc năm, do đó mạng thông tin di động thường xác định lưu lượng cho thời gian cao
điểm nhất - giờ cao điểm (Busy hour)
Nếu T là thời gian đàm thoại trung bình của một cuộc gọi (tính theo giây) và
γ
là số
lượng cuộc gọi trên một thuê bao di động trong giờ cao điểm thì ta có lưu lượng trung
bình cho một thuê bao là :
a =
3600
.T
λ
(Erlang). (1.6)
Một cell có n kênh tần số có lưu lượng tối đa được xác định phụ thuộc vào cách thức
quản lý của hệ thống đối với các cuộc gọi khi tất cả n kênh tần số hiện có đều bị bận. Khả
năng quản lý của hệ thống đối với các cuộc gọi khi tất cả n kênh tần số đều bị bận được
biểu thị qua 3 công thức mức độ bị chặn ( Blocking) :
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
Công thức poisson : Thời gian chặn các cuộc gọi không lâu hơn thời gian trung bình
giữ cuộc gọi. Nếu một kênh thoại (TCH) là trở lại trạng thái rỗi trước khi thời gian cuộc
gọi hết hiệu lực, cuộc gọi sẽ được thực hiện.
Erlang B : Các cuộc gọi sẽ bị từ chối ngay lập tức. Thuê bao không có gắng cuộc gọi
khác.
Erlang C : Các cuộc gọi sẽ ở chế độ chờ đợi với một thời gian không xác định để đạt
được một kênh tần số rỗi.
Trên thực tế, các hệ thống thông tin di động là chấp nhận phần các cuộc gọi khi tất cả
các kênh tần số hiện có bị bận (tức là khi hệ thống đạt đến ngưỡng tải cho phép nó sẽ
chặn tất cả các cuộc gọi khác), và duy trì một khả năng phục vụ ở xác xuất bị chặn cuộc
gọi ở mức 2% hoặc thấp hơn. Như vậy công thức Erlang B là thường được sử dụng cho
mục đích tính toán lưu lượng của hệ thống GSM :
P
bock
=

=
n
i
i
n
i
A
n
A
0
!
!
. (1.7)
Công thức (1.7) hiển thị mối quan hệ giữa 3 biến: Xác xuất bị chặn P
block
, tải lưu lượng
A (Erlang) và số lượng kênh tần số n. Như vậy có thể thấy rằng xác xuất bị chặn P
block
tỷ
lệ với lưu lượng tải và tỷ lệ nghịch với tổng số lượng kênh tần số hiện có n. Mối quan hệ
này được biểu thị theo Hình 1.2 và bảng Erlang B. Dựa vào bảng Erlang B khi biết hai
trong số ba biến (A, n, P
block
) ta có thể xác định được biến còn lại.
Nếu số lượng kênh và xác xuất bị chặn P
block
là cho trước, thì dung lượng thoại của một
cell được xác định dựa vào bảng Erlang B, giả sử là A
i
. Nếu mạng di động có N cell như
vậy tổng dung lượng thoại của mạng vô tuyến sẽ là :
A =

=
N
i
i
A
1
(Erlang) (1.8)
Như vậy số lượng thuê bao M được đồng thời được phục vụ trong giờ cao điểm sẽ là :
M =
a
A
(1.9)
0 20 30 40 50 60
Erlang B
n =59
n =52
n =44
n =37
n =29
n =22
n =14
n =7
0,6
0,4
0,2
0
p (Blocking probability)
Lưu lượng tính theo đơn vị Erlang B
0,8
10
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
Hình 1-2 Lưu lượng tính theo đơn vị Erlang
1.1.1.3 Chuyển cell (Hand over)
Chuyển cell là quá trình chuyển giao một cuộc gọi đang thực hiện từ cell này qua một
cell lân cận khi thuê bao di động di chuyển đến biên giới giữa hai cell. Trong mạng di
động quá trình chuyển cell phải được thực hiện mà không làm gián đoạn các cuộc gọi. Để
đáp ứng được yêu cầu này trong quá trình thiết kế và quy hoạch mạng vô tuyến di động
GSM cần phải quan tâm đến các điều kiện sau:
- Mạng vô tuyến di động phải thiết kế sao cho có phần diện tích phủ sóng giao nhau
giữa các cell cho phù hợp.
- Sử dụng cấu trúc mạng Microcell, Macrocell, Picrocell phù hợp với từng khu vực và
các yêu cầu cụ thể. Trong khu vực có mật độ thuê bao cao ta có thể sử dụng cấu hình
Microcell và đối với trường hợp các thuê bao di chuyển với tốc độ cao dẫn đến việc số
lượng chuyển cel quá lớn thì việc bố trí các cell so với các đường giao thông cũng cần
phải cân nhắc khi thiết kế và quy hoạch mạng.
- Quá trình chuyển cell bắt đầu khi cường độ tín hiệu thu của máy di động đạt đến
ngưỡng chuyển cell gọi là : P
ho
là cao hơn cường độ thu nhỏ nhất P
min
để đảm bảo chất
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
lượng đàm thoại. Như vậy khoảng cách giữa cường độ P
ho
và P
min
là khoảng cách an toàn
cho việc chuyển cell:
ho

= P
ho
- P
min
cần phải xác định và lựa chọn một cách phù hợp.
Nếu để
ho

quá lớn sẽ xẩy ra trường hợp quá nhiều cuộc gọi chuyển cell không cần thiết
do việc chuyển cell diễn ra quá sớm. Ngược lại nếu để
ho

quá nhỏ, thì sẽ dẫn đến nhiều
cuộc gọi bị gián đoạn do tín hiệu thu được quá yếu. Điều này đã chứng tỏ rằng
ho

có ảnh
hưởng đến chất lượng phủ sóng và dung lượng của cell. Chúng ta sẽ đi sâu phân tích vấn
đề này ở phần 1.2.3.2.
1.1.1.4 Sestor cell và phân chia cell
Có hai loại phân chia cell là : Phân chia cell theo hướng tăng diện tích vùng phủ sóng
và phân chia theo hướng tăng dung lượng. Hình 1.3 (a) là ví dụ về phân chia cell theo
mục đích tăng diện tích phủ sóng, từ vị trí của cell ban đầu, 4 cell mới được hình thành.
Bán kính của cell mới giống với cell ban đầu nhưng diện tích phủ sóng là tăng lên theo
công thức :
2
22
24
R
RR
π
π
+


3,27 (1.10)
Kỹ thuật phân chia cell theo hướng tăng diện tích phủ sóng có thể được sử dụng khi cần
thiết tăng diện tích phủ sóng. Hình 1.3(b) mô tả kỷ thuật phân chia cell theo hướng tăng
dung lượng. Một cell ban đầu được phân chia thành bốn cell mới nhỏ hơn, với mỗi cell
mới có cùng số lượng kênh tần số giống như cell ban đầu. Như vậy dung lượng của bốn
cell mới sẽ tăng gấp 4 lần dung lượng của cell ban đầu. Đối với các cell mới với kích
thước nhỏ hơn, công suất phát của mỗi cell cũng phải giảm xuống 12dB tức là :
P
'
t
= p
t
- 12dB (1.11)
Trong đó P
'
t

là công phát của mỗi cell mới và p
t
là công suất phát ban đầu của cell ban
đầu. Một kỹ thuật khác cũng làm tăng dung lượng của mỗi cell mà vẫn giữ cho bán kính
của cell không thay đổi đó là kỹ thuật chia cell thành các cell hình dẻ quạt, gọi là sector
hóa các cell. Như phần trước đã đề cập đến vấn đề nhiễu đồng kênh là yếu tố quyết định
kích thước của nhóm cell và kế hoạch sử dụng lại tần số của mạng vô tuyến GSM.
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
Hình 1-3 Phân chia theo hướng tăng vùng phủ sóng và phân chia cell theo hướng tăng dung
lượng.
(a) Bán kính của cell mới là giống với cell ban đầu. Các cell mới phủ sóng một diện tích lớn
hơn. (b) Bán kính của cell mới là bằng một nửa cell ban đầu, dung lượng là tăng lên.
Bằng kỹ thuật sector hóa các cell vô hướng thành 3 cell nhỏ hơn với mỗi cell 120
0

hoặc thành 6 cell mỗi cell mỗi cell 60
0
đã chứng minh rằng kỹ thuật sector hóa cell làm tỷ
lệ C/I và cụ thể đối với việc phân thành 3 sector 120
0
mỗi cell, tỷ lệ C/I sẽ tăng lên
3,16dB.
Để có thể thấy được ưu điểm của việc sector hóa cell ta có thể xét một ví dụ so sánh
đơn giản sau: Giả sử ta có một nhóm cell gồm 12 cell sử dụng antena vô hướng, như đã
đề cập ở phần trên, nhóm cell này có tỷ số C/I yêu cầu là 12dB. Giả sử ta có 396 kênh tần
số như vậy một cell sẽ có 396/12 = 33 kênh. Nếu giả thiết rằng xác xuất bị chặn P
block
=
1%. Dựa vào bảng Erlang B ta có thể tính được mỗi một cell sẽ có lưu lượng là 22,9
Erlang. Ta xét trong trường hợp hệ thống có 7 cell sử dụng antena định hướng chia thành
3-sector, sử dụng để xác định C/I ta có :
C/I =
6
)73(
2
x
+ 3,16dB = 21,82 dB > 21dB
Do việc sử dụng lại tần số nên tổng số 396 kênh hiện tại có thể sử dụng lại trong các
nhóm cell khác do đó mỗi 1 cell sẽ có 396/7 = 57 tần số và vì mỗi một cell chia thành 3
sector sẽ có 57/3 = 19 tần số. Với cùng giá trị xác xuất bị chặn cho phép P
block
= 1 %, dựa
Cell
gốc
(a) Phân chia cell theo vùng
phủ sóng
(b) Phân chia cell theo dung
lượng
Cell gốc
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
vào bảng Erlang B có thể tính được dung lượng của một cell trong trường hợp này là:
33,6 Erlang. So sánh với cấu hình sử dụng antena vô hướng dung lượng tăng lên
33,6/22,9

1,47 lần.
1.1.2. Các mục tiêu của quá trình quy hoạch mạng
Một trong những mục tiêu quan trọng của việc qui hoạch mạng vô tuyến thông tin di
động GSM là sử dụng hiệu quả băng tần số vô tuyến hiện có. Hay nói cách khác là mục
tiêu phục vụ được số lượng thuê bao lớn nhưng vẫn đảm bảo duy trì cấp độ dịch vụ cho
phép (GoS) và giảm đầu tư cho hệ thống. Các mục tiêu của việc quy hoạch mạng được
thể hiệ qua các tham số sau :
Vùng phủ sóng: Tại những khu vực cần phủ sóng cường độ tín hiệu thu phát phải cao
hơn ngưỡng độ nhậy thu cho phép. Hạn chế có những khu vực không được phủ sóng tạo
thành những hố đen không có sóng giữa các trạm.
Dung lượng: Tại mỗi một cell, số lượng kênh lưu lượng (TCH) phải đáp ứng đủ cho
nhu cầu thoại của cell và lưu lượng chuyển cell từ các cell lân cận có thể xẩy ra. Thông
thường việc cấp kênh cho quá trình chuyển cell là quá trình được ưu tiên hơn. Một cấp độ
dịch vụ GoS cần xác định trước cho toàn mạng trược khi thiết kế và duy tri cho toàn bộ hệ
thống. Ví dụ như mạng thông tin di động VMS hiện có tỷ lệ GoS =2%.
Chất lượng truyền sóng vô tuyến: Tỷ số C/I của các kênh tần số vô tuyến cần phải thiết
kế để đạt được tỷ số yêu cầu của toàn mạng, bảo đảm chất lượng thu phát sóng vô tuyến
và chất lượng dịch vụ.
Giá trị đầu tư mạng lưới: Giá trị đầu tư mạng lưới ở đây, trong phạm vi vấn đề quy
hoạch mạng vô tuyến vì vậy chỉ đề cập đến đầu tư thiết bị các trạm thu phát (BTS). Như
vậy để giảm giá trị đầu tư mạng lưới quá trình thiết kế và quy hoạch mạng cần phải tính
toán để giảm số lượng trạm (BTS) đến mức tối thiểu cho phép mà vẫn đạt chỉ tiêu chất
lượng phủ sóng và dung lượng. Bên cạnh đó việc giảm số lượng trạm thu phát không cần
thiết sẽ giúp cho nhà khai thác giảm chi phí thuê nhà trạm, giảm được giời gian triển khai
lắp đặt, sớm đưa vào khai thác nâng cao hiệu quả đầu tư.
Việc phát triển mạng để tăng dung lượng: Quá trình quy hoạch mạng vô tuyến GSM là
một quá trình không có điểm kết thúc bởi vì nhu cầu dịch vụ là luôn luôn thay đổi. Khi
nhu cầu tăng lên thì việc cần phải mở rộng thêm các trạm mới là tất yếu. Việc triển khai
lắp đặt các trạm mới cần thiết phải kết hợp với các trạm hiện tại, do đó sau mỗi lần phát
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
triển mới đều phải thực hiện cân chỉnh và tối ưu hóa lại toàn bộ mạng thông tin di động
GSM.
1.1.3 Quá trình thiết kế mạng
Quá trình thiết kế mạng vô tuyến thông tin di động GSM được thể hiện theo các bước
mô tả trong Hình 1.4. Để tính toán nhu cầu về lưu lượng cần xác định có bao nhiêu thuê
bao có nhu cầu sử dụng dịch vụ, số lượng cuộc gọi trung bình thuê bao sẽ thực hiện trên
một đơn vị thời gian. Các thông tin về nhu cầu lưu lượng sẽ cung cấp các thông tin cơ bản
cho quá trình thiết kế mạng vô tuyến GSM. Thông tin về vị trí, mật độ phân bố của các
khu vực có nhu cầu sử dụng dịch vụ, có thể xác định dựa vào số liệu phân bố dân số của
từng khu vực, mức độ sử dụng điện thoại cố định, thu nhập bình quân trên đầu người và
một vài thông tin như trình độ dân cư v v cũng có tác dụng hỗ trợ cho quá trình thiết kế
mạng.
Bước đầu tiên của quá trình thiết kế là đưa ra một cấu trúc phân bố cell sơ bộ dựa trên
các trạm sẵn có của hệ thống, hoặc dựa trên phân bố lưu lượng của khu vực cần phủ sóng.
Kế hoạch phân bố cell sơ bộ chủ yếu dựa vào trực quan của người thiết kế mạng sẽ đặt
các trạm vào trong khu vực cần phủ sóng. Ngoài ra thông tin về phân bố thuê bao cũng
được đưa vào để thiết cấu hình của trạm, ví dụ: tại khu vực ngoại vi thành phố trạm có thể
đặt cấu hình 3 sector, mỗi sector 2 máy thu phát (TRXs) trong khi đó nếu đặt trạm tại
trung tâm thành phố thì trạm phải có cấu hình 3 sector và mỗi sector từ 4 - 6 TRX. Các
nguyên lý cơ bản đã trình bài ở phần 1.2.1.1 là được thực hiện trong các bước thiết kế
này.
Bước tiếp theo là tính toán dự báo cường độ tín hiệu cho từng cell. Do sóng vô tuyến di
động chịu ảnh hưởng của môi trường địa hình xung quanh như nhà cửa, rừng cây, nước,
do đó cần thiết phải sử dụng những cơ sở dử liệu về địa hình và hình thái của từng khu
vực. Các bước tiếp theo việc dự báo cường độ tín hiệu là dự báo vùng phủ sóng, dự báo
dung lượng, phân tích nhiễu và phân bố tần số cho các cell đều dựa vào kết quả tính toán
cường độ tín hiệu. Các bước này sẽ được mô tả chi tiết trong các phần 1.3 đến phần 1.6.
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
Hình 1-4 Sơ đồ các bước thiết kế mạng vô tuyến GSM
Tối ưu hóa hệ thống là quá trình phân tích các số liệu đo được trong quá trình hệ thống
đang hoạt động, từ kết quả phân tích sẽ sử dụng để hiệu chỉnh các tham số của hệ thống
để nâng cao chất lượng dịch vụ của toàn bộ hệ thống, ví dụ như tăng thêm máy thu phát
cho các cell nếu tại đó thường xuyên xẩy ra hiện tượng tắc nghẽn và điều chuyển bớt số
lượng máy thu phát nếu tại cell thường xuyên lưu lượng quá thấp. Một trong những biện
pháp thu thập số liệu hiệu chỉnh các tham số mạng vô tuyến thông dụng hiện đang thực
hiện tại nhiều mạng thông tin di động GSM là dụng thiết bị đo gắn trên xe để đo và thu
thập dữ liệu về phân tích (Driver Test ).
1.2 LÝ THUYẾT TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN
Để có thể thiết kế và tối ưu mạng vô tuyến GSM thì việc hiểu rõ các lý thuyết về lan
truyền sóng vô tuyến là điều kiện bắt buộc. Trong phần này chúng ta sẽ giới thiệu về một
số mô hình truyền lan sóng vô tuyến được sử dụng rộng rãi hiện nay. Mô hình hóa quá
trình lan truyền sóng vô tuyến là một trong những phần phức tạp nhất của quá trình thiết
kế mạng vô tuyến di động GSM.
Có rất nhiều mô hình được xây dựng trên cơ sở thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm
như OKOMURA, HARA, LEE, COST231 nhằm đưa ra một mô hình tính toán chính xác
giá trị trung bình cường độ tín hiệu thu được hoặc suy hao đường truyền cho một dải tần
số nhất định dựa trên các thông tin về địa hình.
Dự báo lưu lượng
Kế hoạch phân bố
cell sơ bộ
Dự đoán vùng
phủ sóng
Phân bố tần số
Phân tích ảnh
hưởng của nhiễu
Dự đoán dung
lượng hệ thống
Tối ưu hóa mạng
vô tuyến
Khảo sát trạm và
đo
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
Mô hình thực nghiệm: Được mô tả và xây dựng bằng các phương trình toán học hoặc
đồ thị biểu diễn các kết quả thực nghiệm thông qua việc thống kê và phân tích một khối
lượng dữ liệu đo trong một khoảng thời gian dài. Các mô hình này thường đơn giản và
không yêu cầu thông tin chi tiết về môi trường. Các mô hình thực nghiệm thường được
biểu diễn bằng các công thức toán học nên việc áp dụng khá thuận lợi và có kết quả nhanh
tuy nhiên các mô hình này thường không dự đoán thật chính xác suy hao đường truyền.
Mô hình theo lý thuyết: Là các mô hình dựa trên phương pháp tính toán bằng cách
mô phỏng theo luật tự nhiên của lan truyền sóng vô tuyến. Theo phương pháp này ảnh
hưởng của môi trường được đưa vào như những dữ kiện của việc tính toán quá trình lan
truyền sóng do đó kết quả tính toán chính xác hơn so với mô hình thực nghiệm. Đa số các
mô hình theo lý thuyết là dựa trên mô hình tia quang học được giải quyết bởi. Tuy nhiên
một trong những hạn chế lớn nhất của phương pháp này là việc đưa vào chương trình tính
toán bằng máy tính rất phức tạp.
Mô hình bán thực nghiệm: Các mô hình này sử dụng kết quả thực nghiệm để điều
chỉnh mô hình theo lý thuyết để nâng cao sự chính xác phù hợp với số liệu đo. Phương
pháp này đòi hỏi nhiều thông tin chi tiết về môi trường hơn là phương pháp thực nghiệm
nhưng ít hơn so với mô hình theo lý thuyết. Phương pháp này có ưu điểm là sử dụng dễ
dàng và tính toán nhanh do việc biểu diễn mô hình bằng các phương trình toán học giống
như mô hình thực nghiệm.
Việc áp dụng các mô hình truyền sóng vô tuyến vào thực tế cần phải dung hòa giữa hai
yêu cầu về độ chính xác và thời gian tính toán đưa ra kết quả dự đoán. Tóm lại, việc lựa
chọn mô hình dự báo lan truyền sóng vô tuyến là sự liên quan đến 3 loại mô hình và cấu
trúc cell mà mô hình đó phù hợp khi áp dụng. Các mô hình thực nghiệm và bán thực
nghiệm là phù hợp với Macrocell. Mô hình bán thực nghiệm cũng phù hợp với cấu trúc
Microcell phân bố không đồng đều, với cấu trúc này các tham số được xác định bằng
phương pháp phân tích đặc điểm của toàn bộ hệ thống. Mô hình theo lý thuyết là phù hợp
cho cấu trúc Microcell và Pirocell nhưng mô hình này không phù hợp với cấu trúc
Macrocell vì thời gian tính toán quá lớn làm cho việc áp dụng trở thành không thực tế.
1.2.1 Mô hình truyền sóng cho Macrocell
Trong cấu trúc Macrocell, vấn đề quan trọng là dự đoán được cường độ tín hiệu trung
bình tại một điểm cho trước. Trong thực tế, sóng vô tuyến được truyền đi khắp nơi trong
địa hình khu vực phủ sóng một cách không có quy luật. Thông tin về địa hình của một
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
khu vực cụ thể, cũng như sự có mặt của các vật cản như cây cối, các tòa nhà và các vật
che chắn khác đều phải đưa vào để tính toán suy hao đường truyền. Những thông tin mô
tả về địa hình, môi trường như đã đề cập ở trên là rất lớn và việc cố gắng lập rình hóa các
tham số này để tính toán là không thể. Trong thực tế mô hình thực nghiệm là được sử
dụng rộng rãi cho việc dự đoán lan truyền sóng cho cấu trúc Macrocell vì mô hình này có
ưu điểm là bản thân các số liệu đo đã chứa đựng các ảnh hưởng của môi trường đã biết và
chưa biết đến hệ số lan truyền sóng thông qua các phép đo số liệu trên thực tế.
Trong nhiều mô hình lan truyền sóng vô tuyến, mô hình Okumura-Hata là mô hình
được cho là phù hợp nhất cho quá trình tính toán dự báo cho quá trình thiết kế và quy
hoạch mạng vô tuyến GSM. Mô hình Okumura-Hata hoàn toàn thực nghiệm được phát
triển trên cơ sở hàng loạt các phép đo trong môi trường thành phố. Dựa vào công thức này
của Hata mà cost231 đã mở rộng thêm để ứng dụng cho dải băng tần số lên đến 1500Mhz.
Công thức tổng quát của suy hao đường truyền cho mô hình Hata là:
L
Hata
= a
1
+ a
2
log(f) - 13,82log(h
BTS
) + [44,9 - 6,55lg(h
BTS
)]xlog(d) - L
m
(1.12)
Ở đây :
L
Hata
: Suy hao đương truyền (dB)
f : tần số (MHz) (150MHz

f

2000MHz)
h
BTS
: Độ cao ảnh hưởng của trạm BTS tính theo m (30m

h
BTS

200)
d : Khoảng cách giữa BTS và máy di động tính theo Km (1Km

d

20Km)
a
1
= 69,55 với 150Mhz

f

1500MHz
= 46,3 với 1500MHz

f

2000MHz
a
2
= 26,16 với 150Mhz

f

1500MHz
= 33,9 với 1500MHz

f

2000MHz
L
mh
: Là độ cao antenna của máy di động được hiệu chỉnh theo công thức :
L
mh
= 3,2log
2
(11,75h
mobile
) - 4,97 (1.13)
Ở đây: h
mobile
(m) là độ cao của antenna của thuê bao di động (1m

h
mobile


10m)
Công thức (1.12) là công thức áp dụng cho mặt đất tương đối bằng phẳng và trong môi
trường thành phố. Công thức cần có sự hiệu chỉnh để cho có thể áp dụng cho các khu vực
đồi núi hoặc các khu vực có các hình thái khác nhau như ngoại ô, rừng cây, khu vực trống
trải, khi đó ta có:
L
macro
= L
Hata
+ L
diff
+ L
địa hình
(1.14)
Ở đây:
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
L
diff
: Là suy hao nhiễu xạ(dB). L
diff
là suy hao do các vật cản trên đường truyền sóng.
Có nhiều thuật toán để tính toán suy hao nhiễu xạ. Một trong những thuật toán thương sử
dụng là Epstein-Peterson.
L
địa hình
: Là giá trị hiệu chỉnh của hình thái của khu vực(dB). Trong thực tế có những
bản đồ địa hình có ghi đầy đủ các thông tin về hình thái của từng khu vực. Giá trị hiệu
chỉnh L
địa hình
tương ứng với từng loại hình thái theo từng vùng địa lý, các giá trị này
thường thu được từ các giá trị đo thực nghiệm.
1.2.2 Mô hình truyền sóng cho Microcell
Qua nghiên cứu thực nghiệm người ta thấy rằng suy hao đường truyền trong Microcell
là một hàm của khoảng cách giữa trạm thu phát và máy di động được biểu diễn theo quy
luật suy hao theo khoảng cách:
L
micro
=





++
+
)log(10)log(10
)log(10
211
11
b
b
d
d
dL
dL
γγ
γ

b
b
dd
dd
>

(1.15)
Công thức (1.15) đưa ra mô hình với 2 đường dốc suy hao, L
1
là suy hao chuẩn ở
khoảng cách 1m (d = 1m) và d
b
là khoảng cách mà tại đó công suất đã suy giảm hoàn
toàn:
d
1
=
γ
mobileBTS
hh 4
(1.16)
Ở đây h
BTS
và h
mobile
lần lượt là độ cao của trạm BTS và thuê bao di động,
γ
là bước
sóng. Giá trị của hàm mũ suy hao theo khoảng cách
γ
được xác định qua các phép đo.
Thông thường
γ
1
= 2 và
γ
2
= 4 với khoảng cách d
b
là từ 200
÷
500 m. Trong trường hợp
có kế hoạch thiết kế quy hoạch các trạm Micricell thì một vấn đề quan trọng cần lưu ý là
không để các cell sử dụng đồng kênh có phần phủ giao nhau nằm trong phạm vi khoảng
cách d
b
.
A. Mô hình không gian hai chiều (2D)
Đối với cấu trúc Microcell, antenna của trạm BTS có thể cao hơn, bằng hoặc thấp hơn
các tòa nhà xung quanh. Thông thường có 2 trường hợp cần phải phân biệt với vị trí
tương ứng của trạm BTS và máy di động:
+ Đường truyền vô tuyến không bị che chắn (LOS-Line of sight): là trường hợp không
có vật che chắn nào trên đường truyền sóng.
Đồ án tốt nghiệp Đại Học Chương 1 Tồng quan nghiên cứu về quy
hoạch mạng vô tuyến GSM
+ Đường truyền bị che chắn (NLOS-Non line of sight): trên đường truyền sóng từ trạm
BTS đến máy di động bị vật cản che chắn.
Theo mô hình COST231-Walfish-Ikegami đã đưa ra các kết quả chính xác cho trường
hợp truyền sóng trong khu vực nhiều nhà cửa. Mô hình bán thực nghiệm này đã đưa các
thông số thống kê mô tả đặc tính của môi trường thành phố, bao gồm các tham số về độ
cao trung bình của nhà cửa h
roof
, cự ly khoảng cách trung bình giữa hai tòa nhà b, độ rộng
của đường xá w và hướng di chuyển của các phương tiện giao thông
ϕ
vào trong việc
tính toán suy hao đường truyền:
L
WI
=



++
msdrsdo
sc
LLL
L

choNLOS
choLOS
(1.17)
Trong đó: L
sc
là suy hao đường truyền khi mà đường phố có dạng hẹp nhiều nhà cao
tầng ở hai bên : L
sc
= 42,6 + 20log(f) + 26log(d) (1.18)
Ở đây f là tần số MHz, d là khoảng cách giữa trạm BTS với máy di động (Km) L
o

suy hao không gian tự do được xác định:
L
o
= 32,44 + 20log(f) + 20log(d) (1.19)
L
rsd
: Là suy hao nhiễu xạ và tán xạ do đỉnh các tòa nhà lân cận và L
msd
tính suy hao
nhiều tầng dọc theo các đỉnh tòa nhà. L
rsd
được xác định:
L
rsd
= -16,9 + 10log(f) - 10log(w) + 20log(

h
mobile
) + L
ori
(1.20)
Ở đây:
w: là bề rộng đường phố tại vị trí của thuê bao di động.

h
mobile
: là độ chênh lệch giữa độ cao trung bình của tòa nhà và độ cao của thuê bao di
động(m):

h
mobile
= h
roof
- h
mobile
Và L
ori
là hàm biểu diễn suy hao theo hướng
ϕ
của đường phố:
L
ori
=





−+
−+
+−
)55(114,04
)35(075,05,2
354,010
ϕ
ϕ
ϕ

00
00
00
9055
5535
350
≤≤
≤≤
≤≤
ϕ
ϕ
ϕ
(1.21)
Cuối cùng suy hao nhiều tầng L
msd
là được tính như sau:
L
msd
= L
bsh
+ K
a
log(d) + K
f
log(f) - 9log(b) (1.22)
Ở đây b là khoảng cách trung bình giữa các tòa nhà. L
bsh
là hệ số hiệu chỉnh theo độ
cao antenna của trạm BTS, với

h
BTS
= h
BTS
- h
roof

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×