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

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

1. Wireless Communications Principles and Practice Chương 3: Mạng tế bào
2. Dịch vụ thoại di động truyền thống vs hệ thống thông tin di động tế bào Một trạm phát sóng công Thay vì sử dụng một trạm suất mạnh đặt tại một cao công suất lớn, người ta sử điểm có thể phát tín hiệu dụng nhiều trạm công suất trong vòng bán kính đến nhỏ trong vùng phủ sóng 50km. được ấn định trước
3. 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.
4. Hạn chế dịch vụ thoại di động truyền thống - Nhiễu (interference): không thể tái sử dụng cùng tần số
5. Why cellular systems? • Giải quyết vấn đề tắc nghẽn phổ • Tái sử dụng các kênh radio trong các tế bào khác nhau • Cho phép một số cố định các kênh phục vụ số lượng lớn người sử dụng bằng cách dùng lại các kênh trên toàn khu vực phủ sóng.
6. 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
7. Tại sao hình lục giác cho vùng phủ sóng tốt? • Hình lục giác có diện tích lớn nhất. • Sử dụng hình học hình lục giác Sử dụng số lượng ít nhất các tế bào để có thể bao phủ một khu vực địa lý. • 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
8. 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.
9. Khái niệm mạng tế bào • Kiến trúc mạng tế bào
10. 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.
11. Tái sử dụng tần số • Các tế bào cùng ký tự sử dụng cùng tần số • Hình đậm biểu diễn mỗi cụm tế bào • Kích thước cụm N=7 • Hệ số tái sử dụng tần số là 1/N=1/7
12. 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.
13. 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
14. Tái sử dụng tần số • C = MkN = MS • S là tổng số kênh song công khả dụng. • Các tế bào càng nhỏ -> M càng lớn -> C càng lớn + Tái sử dụng kênh: khả năng cao hơn + Cần thêm các trạm cơ sở + handoffs thường xuyên hơn
15. • 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
16. 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.
17. Tái sử dụng tần số • Để kết nối không có khoảng cách giữa các tế bào lân cận • N = i2 + ij + j2 trong đó i và j là các số nguyên không âm • VD: N=7, i = 2, j = 1 N = 22 + 2.1 + 12 = 4 + 2 + 1 = 7 • i = 1, j = 2 (True) – di chuyển i tế bào dọc theo bất kỳ hình lục giác nào. – rồi quay 60 độ ngược chiều kim đồng hồ và di chuyển j tế bào.
18. 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.)
19. • 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.
20. 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.
21. 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 = 푹 •
22. Distance between Co-Channel Cell Centers • Rõ ràng: • Do đó: • Và:
23. Distance between Co-Channel Cell Centers • Do đó, • Hay: được gọi là tỷ lệ tái sử dụng kênh
24. Cluster size (N) Co-channel reuse ratio (Q=D/R) i=1,j=1 3 3 i=1,j=2 7 4.58 i=0,j=3 9 5.20 i=2,j=2 12 6
25. • 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 (control). Hãy tính số kênh khả dụng cho mỗi tế bào nếu hệ thống sử dụng: a. tái sử dụng 4–tế bào (4–cell reuse) b. tái sử dụng 7–tế bào c. tái sử dụng 12–tế bào
26. Lời giải •Tổng băng thông = 33 MHz •Băng thông kênh = 25 kHz x 2 kênh đơn công = 50 kHz/kênh song công •Tổng số kênh khả dụng = 33.000/50 = 660 kênh a)Với N=4, Tổng số kênh khả dụng cho mỗi tế bào = 660/4 165 kênh b)Với N=7, Tổng số kênh khả dụng cho mỗi tế bào = 660/7 95 kênh c)Với N=12, Tổng số kênh khả dụng cho mỗi tế bào = 660/12 55 kênh
27. • 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.
28. 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.
29. 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.
30. Các chiến lược gán kênh • Gán kênh cố định • Gán kênh động
31. Gán kênh cố định • Fixed Channel Allocation (FCA)- Hệ thống gán kênh cụ thể cho các tế bào cụ thể. • Mỗi tế bào được phân phối một tập xác định trước các kênh thoại. • Nếu tất cả kênh trong tế bào đó bị chiếm dụng, cuộc gọi bị chặn (blocked), và thuê bao không nhận được dịch vụ. • 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)
32. 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.
33. 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.
34. 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.
35. 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.
36. 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.
37. 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)
38. Handoffs – cơ sở ∆=handoff threshold - Tín hiệu chấp nhận được tối thiểu để duy trì cuộc gọi ∆ quá nhỏ: – Không đủ thời gian để hoàn thành handoff trước khi cuộc gọi bị mất. – Mất cuộc gọi nhiều hơn ∆ quá lớn: – Quá nhiều handoffs – Tạo gánh nặng cho MSC
39. 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.
40. 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
41. 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.
42. Nhiễu Nhiễu là nhân tố chính hạn chế hiệu năng của hệ thống radio dạng tế bào Các nguồn nhiễu: – Các điện thoại di động khác trong cùng tế bào. – Một cuộc gọi đang diễn ra trong một tế bào bên cạnh. – 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
43. Nhiễu 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)
44. 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
45. Nhiễu đồng kênh
46. 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. Tỷ lệ tái sử dụng đồng kênh: – R: bán kính tế bào – D: khoảng cách giữa các tế bào đồng kênh gần nhất Q nhỏ : kích thước cụm N nhỏ -> capacity lớn. Q lớn: phải tạo sự cân bằng chất lượng truyền tốt trong thiết kế tế bào thực tế.
47. Smaller N is greater capacity
48. Co-channel cells for 7-cell reuse
49. 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.
50. 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. • Trunking theory – Erlang, một nhà toán học người Đan Mạch đã nghiên cứu cách nào để một lượng lớn người có thể được phục vụ bởi một số hạn chế các server. – Công suất Erlang: tỷ lệ phần trăm của line/channel bị chiếm dụng theo thời gian.
51. 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 là lost 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.
52. 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 (với Erlang B), hoặc xác suất một cuộc gọi bị chậm trễ vượt quá 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)
53. Trunking Theory • Mỗi user tạo ra một traffic intensity bằng Au Erlangs. Au =  H λ : Số lượng trung bình các yêu cầu cuộc gọi trên một đơn vị thời gian. H: Khoảng thời gian trung bình của một cuộc gọi. • Tổng traffic intensity A A = U Au U: số user trong hệ thống. • Traffic intensity Ac trên mỗi kênh Ac = U Au/C The trunked system: C channel
54. Erlang B Trunking GOS – Blocked calls cleared: không xếp hàng đợi cho các yêu cầu cuộc gọi, không setup time.
55. Erlang B Trunking GOS
56. Erlang B
57. Erlang C Trunking GOS • Blocked Calls Delayed: Các cuộc gọi bị chặn bị trễ đến khi các kênh khả dụng, có hàng đợi. • Erlang C • Xác suất trễ lớn hơn t Pr[delay>t] = Pr[delay>0] Pr[delay>t | delay>0] = Pr[delay>0] exp(-(C-A)t/H) • The average delay D D=Pr[delay>0] H/(C-A)
58. Erlang C
59. 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? • C=1, GOS = 0.005 -> A= 0.005 • C=5, GOS = 0.005 -> A= 1.13 • C=10, GOS = 0.005 -> A= 3.96 • C=20, GOS = 0.005 -> A= 11.1 • C=100, GOS = 0.005 -> A= 80.9
60. Lời giải • Tra bảng/hình Erlang B ta tìm được A tổng ứng với 0.5% GOS và các số kênh C. Dùng công thức A=UAu, ta có thể tính được tổng số user có thể được hỗ trợ trong hệ thống. (a) C = 1, Au = 0.1, GOS = 0.005 Từ bảng ta tra được A = 0.005 U = A / Au = 0.005/0.1 = 0.05 user Nhưng thực tế 1 user có thể được hỗ trợ trên 1 kênh. Vậy U = 1. (b) C = 5, Au = 0.1, GOS = 0.005 Từ bảng/hình ta tra được A = 1.13 U = A / Au = 1.13/0.1 11 user
61. Lời giải (tiếp) (c) C = 10, Au = 0.1, GOS = 0.005 Từ bảng ta tra được A = 3.96 U = A / Au = 3.96/0.1 39 user (d) C = 20, Au = 0.1, GOS = 0.005 Từ bảng/hình ta tra được A = 11.10 U = A / Au = 11.1/0.1 = 111 user (e) C = 100, Au = 0.1, GOS = 0.005 Từ bảng/hình ta tra được A = 80.9 U = A / Au = 80.9/0.1 = 809 user
62. Ví dụ 2 Một đô thị có 2 triệu dân. Có mạng trunked mobile cung cấp 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 nếu trung bình mỗi user gọi 2 cuộc mỗi giờ, 3 phút mỗi cuộc. - hãy tính phần trăm thâm nhập thị trường của mỗi nhà cung 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
63. 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 U = A / Au = 12.33/0.1 = 123 Vì có 394 tế bào, tổng số thuê bao có thể được hỗ trợ bởi Hệ thống A là 123 x 394 = 48462. • Vì dân số là 2 triệu, phần trăm thâm nhập thị trường của Hệ thống A là: 48462 /2000000 = 2.42%
64. 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 U = A / Au = 88/0.1 = 880 Vì có 49 tế bào, tổng số thuê bao có thể được hỗ trợ bởi Hệ thống C là 880 x 49 = 43120. • Tổng số thuê bao có thể được hỗ trợ bởi 3 hệ thống: 47280 + 44100 + 43120 = 134500 (user)
65. Lời giải (tiếp) • Vì dân số là 2 triệu, phần trăm thâm nhập thị trường của Hệ thống A là: 48462 /2000000 = 2.42% • Tương tự, phần trăm của Hệ thống B là: 44100/2000000 = 2.205% • Và của Hệ thống C là: 43120/2000000 = 2.156%
66. 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 không còn đủ để hỗ trợ số người sử dụng yêu cầu
67. Cải thiện năng lực các hệ thống tế bào • Mượn tần số – Các tế bào bị tắc nghẽn mượn được tần số từ các tế bào 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 • Cell sectoring – Các tế bào được chia thành các cung hình quạt (wedge-shaped sectors), mỗi cung có tập kênh riêng. • Vi tế bào – Các ăng ten được chuyển tới các tòa nhà, đồi, cột cao
68. Chia tế bào • Chia tế bào bị tắc nghẽn thành các tế bào nhỏ hơn (cell microcell) • Mỗi tế bào nhỏ có trạm cơ sở riêng, ăng ten và công suất truyền nhỏ hơn • Nhiều tế bào hơn -> nhiều cụm hơn -> Năng suất cao hơn.
69. 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
70. Cell splitting
71. Cell splitting
72. Cell splitting – Vấn đề Công suất • Giả sử bán kính của tế bào mới được giảm một nửa. Hỏi công suất truyền cần thiết cho các tế bào mới này? -n Pr[tại biên tế bào cũ] = Pt1R -n Pr[tại biên tế bào mới] = Pt2(R/2) • Trong đó Pt1 và Pt2 là công suất truyền tương ứng của các trạm cơ sở tế bào lớn và nhỏ, và n là hệ số mũ tổn thất đường truyền. Vì vậy, n Pt2 = Pt1/2
73. 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.
74. 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 bán kính 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 hình 3.9, và (c) nếu tất cả các trạm cơ sở ban đầu được thay thế bởi các microcell. Giả sử các cell trên cạnh hình vuông là được chứa trong hình vuông.
75. Cell Splitting increases capacity
76. Giải (a). Không sử dụng các microcell Bán kính tế bào 1km => cạnh của hình lục giác lớn = 1km. Để bao phủ 3km2 quanh BS A thì cần bao phủ 1.5km sang phải, trái, trên dưới xủa BS A. Nhìn hình trên có 5 trạm BS: A, B, C, E, F nằm trong vùng bao phủ của hình vuông. Mỗi BS có 60 kênh => tổng số kênh chưa phân tách tế bào = 5 x 60 = 300 kênh
77. Giải (b) Trường hợp phân tách thành các microcell Ta thấy, BS A được bao phủ xung quanh là 6 microcell Số BS = 5 + 6 = 11 Tổng số kênh = 11 x 60 = 660 kênh
78. Giải (c) nếu tất cả các BS được thay thế bằng các microcel Tổng các BS = 5+ 12 = 17 BS. tổng số kênh = 17 x 60 = 1020 kênh Dung lượng kênh tăng 3.4 lần so với trước khi phân tách ( trường hợp a)
79. Sectoring • Ở dạng cơ bản, các ăng ten là đa hướng (omnidirectional) • Thay thế 1 ăng ten đa hướng tại trạm cơ sở bởi một số ăng ten có hướng, mỗi chiếc phát sóng trong một cung xác định. Ít nhiễu đồng kênh số tế bào trong một cụm có thể được giảm xuống. Hệ số tái sử dụng tần số càng lớn năng lực hệ thống càng cao.
80. Sectoring
81. Sectoring
82. Sectoring improves S/I • Chỉ có 2 tế bào đồng kênh
83. Hạn chế của sectoring • Số handoffs tăng lên. (Thật may là nhiều trạm cơ sở hiện nay hỗ trợ sự chia cung và cho phép các mobile được handoff từ sector sang sector trong cùng tế bào mà không cần sự can thiệp từ MSC, do vậy vấn đề handoff thường không phải là một mối quan tâm chính.) • Giảm hiệu quả của trunking
84. Khái niệm Zone Cell Vượt trội so với sectoring, bất kỳ kênh trạm cơ sở nào có thể được gán cho bất kỳ zone bởi trạm cơ sở Cùng kênh Không handoff Chỉ có zone tích cực hoạt động
85. Khái niệm Zone Cell Trạm cơ sở điều khiển lớn được thay thế bởi một số bộ phát công suất thấp hợp trên cạnh của cell. Mobile duy trì kênh và trạm cơ sở đơn giản bằng cách chuyển kênh tới vị trí zone khác và mobile di chuyển từ zone sang zone. Vì một kênh chỉ tích cực trong một zone nhất định mà mobile đang di chuyển, sự phát sóng của trạm cơ sở được khoanh vùng và nhiễu được giảm đi.
86. Zone Cell Concept
87. Một số công thức quan trọng • I0 là số tế bào nhiễu đồng kênh. • S/I (or SIR): Tín hiệu/ nhiễu 푆 푆 = 푖0 σ푖=1 푖 • P0 : Công suất nhận được tại một điểm tham chiếu • d0 : Một khoảng cách nhỏ tính từ ăng ten phát. • Pr : Công suất nhận được tại một khoảng cách d
88. Ví dụ • Nếu một hệ thống tế bào cần tỷ lệ S/I là 15 dB để đạt hiệu năng kênh chuyển tiếp. Hỏi nhân tố tái sử dụng tần số và kích thước cụm nên dùng để đạt năng lực tối đa nếu số mũ tổn hao đường truyền là (a) n=4, (b) n=3? Giả sử có 6 tế bào đồng kênh trong tầng đầu tiên, và tất cả chúng có cùng khoảng cách tính từ mobile.
89. Công thức quan trọng 푆 푅−푛 = 푖0 −푛 σ푖=1( 푖) 푛 푆 ( Τ푅)푛 3 = = 푖0 푖0 n: hệ số hao tổn đường truyền i0: số tế bào đồng kênh
90. Lời giải (a) n=4 • Đầu tiên, ta xét trường hợp tái sử dụng 7-tế bào (N=7) Tỷ lệ tái sử dụng đồng kênh D/R = 3 =4,583 Tỷ lệ S/I = (1/6) x (4,583)4 = 75,3 = 18,66 dB Tỷ lệ này lớn hơn mức S/I yêu cầu tối thiểu nên có thể sử dụng N=7.
91. Lời giải (b) n=3 • Đầu tiên, ta xét trường hợp hệ thống tái sử dụng 7-tế bào (N=7) Tỷ lệ S/I = (1/6) x (4,583)3 = 16,04 = 12,05 dB Tỷ lệ này nhỏ hơn mức S/I yêu cầu tối thiểu nên ta cần sử dụng N lớn hơn. • Giá trị N tiếp theo có thể là dùng 12 (i = j = 2), D/R = 6. S/I = (1/6) x 63 = 36 = 15,56 dB. Tỷ lệ này lớn hơn mức S/I yêu cầu tối thiểu nên có thể sử dụng N=12.