Giáo trình Mạng không dây - Chương 5: Mạng tế bào - Trần Thị Minh Khoa

CHƯƠNG 5. MẠNG TẾ BÀO (CELLULAR NETWORK CONCEPT) GV: TS. Trần Thị Minh Khoa AGENDA • Cellular Network Concept • Cells, Cluster and Frequency reuse • Handoff/Handover Concept • Co-Channel Interference and Adjacent Channel Interference • Erlang, Erlang-B 2/27/2017 2 CELLULAR NETWORK CONCEPT 2/27/2017 3 ĐỊNH NGHĨA • Được phát triển từ Bell lab những năm 1950 • Thực hiện đầu tiên vào những năm 1970 • Phổ vô tuyến là một nguồn tài nguyên có giới hạn, làm thế nào để quản lý một số lượng lớn user trên một diện tích rộng lớn với tài nguyên phổ có giới hạn?  Chia nhỏ diện tích để có thể tái sử dụng tần số ❖ Mạng tế bào là thực hiện chia vùng phục vụ mặt đất thành những vùng nhỏ “tế bào – cell”, mỗi cell này sẽ có 1 anten phát có chiều cao thích hợp và công suất thấp 2/27/2017 4 ĐỊNH NGHĨA 2/27/2017 5 ĐỊNH NGHĨA • Trong mỗi cell có một trạm gốc (BTS – Base Station) có chứcnăng kết nối vô tuyến với các thuê bao (trạm di động – MS – Mobile Station) • Sử dụng nhiều tần số sóng mang. • Các cell kề nhau sửvdụng tần số khác nhau. • Thực tế đường kính cell biến đổi từ 100m đến 35km phụ thuộc vào mật độ thuê bao, địa hình và công suất thu phát của trạm gốc • Khi một thuê bao di chuyển từ cell này sang cell khác, trạm gốc ở cell mới sẽ tiếp quản (handoff/handover/chuyển vùng) thuê bao này từ trạm gốc ở cell cũ 2/27/2017 6 ĐỊNH NGHĨA 2/27/2017 7 Macro cellular: 1-30km Micro cellular: 200-2000m Pico cellular: 4-200m KÍCH THƯỚC CELL 2/27/2017 8 KÍCH THƯỚC CELL 2/27/2017 9 KÍCH THƯỚC CELL • Macro cell (1-30km) – Anten được gắn trên đỉnh của BS nơi có thể nhìn rõ địa hình xung quanh – Có vùng phủ sóng lớn nhất. Thường sử dụng ở khu vựng nông thôn hoặc dọc theo đường cao tốc • Micro cell (200-2000m) – Dùng quyền kiểm soát năng lượng để hạn chế vùng phủ sóng của nó – Sd trong khu vực thành thị (vd: trung tâm mua sắm, tòa nhà, giao thông,) 2/27/2017 10 KÍCH THƯỚC CELL • Pico cell (4-200m) – Hệ thống mạng nhỏ (vd: tòa nhà, trung tâm mua sắm, trạm xe lửa,) – Thường được sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng bên trong nơi tín hiệu sóng bên ngoài khó tiếp cận • Femto (~10m) – BS có công suất thấp – Hệ thống mạng trong nhà hoặc thương mại nhỏ – Cho phép nhà cung cấp dịch vụ mở rộng vùng phủ sóng trong hoặc tại những cạnh của cell, đặc biệt là nơi sự truy cập bị giới hạn hoặc ko thể truy cập 2/27/2017 11 CELLS, CLUSTER AND FREQUENCY REUSE 2/27/2017 12 CELL: KHÁI NIỆM CHUNG 2/27/2017 13 CELL: KHÁI NIỆM CHUNG • Các cell phân thành nhóm gọi là cluster • Thông thường 1 cluster có 1..n cells • Vùng bao phủ của 1 cluster gọi là footprint • Cluster được lặp lại trong toàn mạng • Các kênh tần số sẽ được tái sử dụng trong các cluster  frequency reuse • Mỗi cluster sẽ sử dụng toàn bộ phổ tần số của mạng • Mỗi BS được cấp phát 1 nhóm các kênh để sử dụng trong 1 vùng bao phủ bởi cell • Những BS liền kề nhau được cấp phát những kênh hoàn toàn khác nhau • Anten của BS được thiết kế sao cho chỉ bao phủ trong 1 vùng nhất định  tái sử dụng tần số trong mạng 2/27/2017 14 FREQUENCY REUSE: KHÁI NIỆM CHUNG • Để tránh nhiễu đồng kênh (co-channel interference) không thể sử dụng cùng 1 tần số cho 2 cell liền kề • Frequency reuse plan: – Những cell liền kề được gán những tần số khác nhau để tránh nhiễu hoặc crosstalk – Sử dụng lại tần số tại những cell gần đó (không liền kề) • Vấn đề đặt ra: Làm thế nào xác định được số lượng cells nằm giữa 2 cell cùng tần số??? 2/27/2017 15 FREQUENCY REUSE PATTERNS 2/27/2017 16 CLUSTER-CELLULAR: CẤU TRÚC • Các cell phân thành nhóm gọi là cluster 2/27/2017 17 CLUSTER-CELLULAR: HOW TO FORM A CLUSTER • Gọi N là số cell của 1 cluster • D (reuse distance) là khoảng cách giữa 2 cell kế nhau sử dụng chung 1 tần số • 𝐃 = 𝐑 𝟑𝐍;𝐍 = 𝐢𝟐 + 𝐢𝐣 + 𝐣𝟐 • Với i,j là số nguyên dương thỏa i>=1 && i>=j – i: số lượng cells dọc theo trục y – j: số lượng cells theo hướng 60o so với trục y 2/27/2017 18 CLUSTER-CELLULAR: HOW TO FORM A CLUSTER 2/27/2017 20 CLUSTER-CELLULAR: HOW TO FORM A CLUSTER • Ta có: 𝑵 = 𝒊𝟐 + 𝒊𝒋 + 𝒋𝟐 • Giả sử: j=1 (tiện lợi cho việc tính toán) • Thì: 𝑵 = 𝒊𝟐 + 𝒊𝒋 + 𝒋𝟐 = 𝒊𝟐 + 𝒊 + 𝟏 • Sử dụng: 𝑳 = 𝒊 + 𝟏 𝒖 + 𝒗 𝒎𝒐𝒅 𝑵 – L: nhãn cho cell tại góc tọa độ trung tâm (u,v) 2/27/2017 21 CLUSTER-CELLULAR: HOW TO FORM A CLUSTER • Cell tại góc tọa độ trung tâm (u=0,v=0)  nhãn L tại cell này là 0 • Tiếp tục gán nhãn cho các cell liền kề • Những cell có nhãn từ 0 đến N-1 hình thành cluster với N cells • Những cell cùng nhãn có thể sử dụng chung tần số 2/27/2017 22 CLUSTER-CELLULAR: HOW TO FORM A CLUSTER • Vd: Form a cluster with N=7 𝑁 = 𝑖2 + 𝑖𝑗 + 𝑗2 i=2 𝐿 = 𝑖 + 1 𝑢 + 𝑣 𝑚𝑜𝑑 𝑁L=(3u+v) mod 7 Kết quả tính toán ta được: 2/27/2017 23 CLUSTER-CELLULAR: HOW TO FORM A CLUSTER 2/27/2017 24 QUAN HỆ GIỮA N VÀ D • 𝐷 = 𝑅 3𝑁;𝑁 = 𝑖2 + 𝑖𝑗 + 𝑗2; 𝑖 ≥ 1 && 𝑖 ≥ 𝑗 2/27/2017 25 i J N D 1 0 1 Sqrt(3)R 1 0 3 3R 2 0 4 Sqrt(12)R 2 1 7 2 2 9 3 0 12 3 1 13 3 2 3 3 FREQUENCY REUSE: CLUSTER VỚI 1 CELL 2/27/2017 26 FREQUENCY REUSE: CLUSTER VỚI 3 CELLS • Khoảng cách giữa 2 cell liền kề nhau là D=3R • Cluster: Tập hợp các tần số khác nhau sử dụng trong 1 nhóm các cell. Cluster lặp lại bằng cách di chuyển i cell theo trục x, sau đó j cell theo trục y 2/27/2017 27 FREQUENCY REUSE: CLUSTER VỚI 7 CELLS • Khoảng cách giữa 2 cell liền kề nhau là 𝐷 = 𝑅 21 2/27/2017 28 VÍ DỤ 1. Tính khoảng cách nhỏ nhất giữa 2 cell sử dụng cùng băng tần. Biết cell có bán kính 1km và hệ số sử dụng N=12 2. Vẽ cấu trúc cell với N = 3 2/27/2017 29 𝐷 = 𝑅 3𝑁 0 1 2 1 0 2 0 1 0 1 0 2 2 2 1 VẼ CẤU TRÚC CELL VỚI N=9? 2/27/2017 30 HANDOVER/HANDOFF CONCEPT (CHUYỂN VÙNG/CHUYỂN GIAO) 2/27/2017 31 HANDOVER: ĐỊNH NGHĨA • Là quá trình chuyển mạch tự động giữa các kênh khi một MS của mạng tế bào di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác • Tại ranh giới giữa các tế bào, cường độ tín hiệu (RSSI) của MS được giám sát liên tục – Khi RSSI giảm xuống tới một giới hạn thấp hơn so với quy định MS được BS của tế bào lân cận giám sát 2/27/2017 32 PHÂN LOẠI CHUYỂN GIAO • Chuyển giao cứng (HHO – Hard Handover) – Break before Make – Khi MS di chuyển vào 1 cell mới nó phải được chỉ định 1 kênh mới để liên lạc – MS phải ngắt liên lạc với kênh vô tuyến hiện tại trước khi kết nối với kênh vô tuyến mới – Vd: FDMA, TDMA 2/27/2017 33 PHÂN LOẠI CHUYỂN GIAO • Chuyển giao mềm (SHO – Soft Handover) – Make before Break – MS có thể sử dụng kênh vô tuyến của nhiều BS cùng lúc – MS bổ sung kênh mới từ những BS mục tiêu – Tín hiệu từ nhiều BS được kết hợp – MS đồng thời truyền và nhận tín hiệu từ nhiều BS  BS với SNR (signal-to-noise ratio: tỷ số tín hiệu trên nhiễu) thấp sẽ bị loại bỏ – Vd: CDMA 2/27/2017 34 BIẾN THIÊN CƯỜNG ĐỘ TÍN HIỆU NHẬN 2/27/2017 35 PHÂN VÙNG CHUYỂN GIAO 2/27/2017 36 HANDOVER: CÁC BƯỚC CHÍNH • Initiation: xác định MS và mạng cần chuyển vùng và bắt đầu quá trình • Resource reservation: tài nguyên cần thiết hỗ trợ viêc chuyển vùng được cấp phát • Execution: quá trình chuyển vùng thực sự được thực hiện, MS sử dụng tài nguyên mới • Completion: giải phóng tài nguyên không cần thiết 2/27/2017 37 THÔNG SỐ QUAN TRỌNG • SNR (Signal-to-Noise Ratio): tỷ số tín hiệu trên nhiễu – Xuất hiện tại 1 điểm cụ thể trong lúc truyền tải – Thông thường được đo tại máy thu 𝑺𝑵𝑹𝒅𝑩 = 𝟏𝟎𝒍𝒐𝒈𝟏𝟎𝑺𝑵𝑹 = 𝟏𝟎𝒍𝒐𝒈𝟏𝟎 𝒔𝒊𝒈𝒏𝒂𝒍 𝒑𝒐𝒘𝒆𝒓 𝒏𝒐𝒊𝒔𝒆 𝒑𝒐𝒘𝒆𝒓 – Tốc độ dữ liệu tối đa (trên lý thuyết) có thể đạt được: 𝑪 = 𝑩𝒍𝒐𝒈𝟐(𝟏 + 𝑺𝑵𝑹) • C: tốc độ dữ liệu đối đa (bps) • B: dung lượng băng thông (Hz) 2/27/2017 38 THÔNG SỐ QUAN TRỌNG • SNRold: tỷ số tín hiệu trên nhiễu khi bắt đầu chuyển vùng dựa trên chất lượng tối thiểu có thể chấp nhận • SNRnew: tỷ số tín hiệu trên nhiễu của kênh mục tiêu (SNRnew > SNRold) • D = SNRold – SNRnew dB – Nếu D quá nhỏ xuất hiện chuyển vùng không cần thiết – Nếu D quá lớn  có thể không đủ thời gian để hoàn thành chuyển vùng trước khi SNRold trở nên quá yếu và tín hiệu bị mất 2/27/2017 39 QUYẾT ĐỊNH CHUYỂN VÙNG (HANDOVER DECISION) 2/27/2017 40 * CO-CHANNEL INTERFERENCE (NHIỄU ĐỒNG KÊNH) * ADJACENT CHANNEL INTERFERENCE (NHIỄU KÊNH LIỀN KỀ) 2/27/2017 41 NHIỄU ĐỒNG KÊNH • Là ảnh hưởng giữa các cell dùng chung tần số • Với cấu trúc cell hình lục giác, hệ số tái sử dụng đồng kênh (reuse factor) Q được định nghĩa là: 𝑸 = 𝑫 𝑹 = 𝟑𝑵 Q nhỏ  dung lượng cao; Q lớn  chất lượng truyền tốt • Gọi S là công suất thu từ BS mong muốn, Ii là công suất thu từ các BS đồng kênh, SIR là tỷ lệ của S/I, ta có: 𝑺𝑰𝑹 = 𝑺 𝑰 = 𝑺 σ𝟏 𝑳 𝑰𝒊 2/27/2017 42 NHIỄU ĐỒNG KÊNH • Q=D/R • TH: N=7, ta có: • Q=D/R=sqrt(3x7)=4.58 • S: công suất tín hiệu thu mong muốn: 𝑺 = 𝑷𝟎 × 𝑹 −𝜶 • Ik là công suất của BS thứ k, ta có: 𝑰𝒌 = 𝑷𝟎 ×𝑫𝒌 −𝜶 • BS phát công suất như nhau • 𝛂 là hệ số suy hao theo hàm mũ, 2<𝛼<5 2/27/2017 43 DOWNLINKS: 1 LỚP CỦA 6 INTERFERENCE 2/27/2017 44 VÍ DỤ 1 Hệ thống AMPS di động có SIR = 18dB. Tính hệ số tái sử dụng Q và số lượng cell N của 1 cluster. Giả sử hệ số suy hao đường truyền α = 4 2/27/2017 45 NHIỄU KÊNH LIỀN KỀ • Adjacent Channel Interference gây ra bởi tín hiệu từ các cell kế cận (sử dụng khác tần số) đối với MS trong cell đang xét • Nhiễu này xuất hiện do chất lượng bộ lọc tần số không tốt • Cách giải quyết: dùng bộ lọc có hệ số phẩm chất cao hoặc tăng khoảng cách tần số giữa các cell kế cận Tỷ số SIR trong thực tế sẽ còn nhỏ hơn do tác động của nhiễu kênh liền kề 2/27/2017 46 VÍ DỤ 2 Một hệ thống có 70 kênh, trong đó có 6 kênh được sử dụng để điều khiển. Mỗi cell được cấp 16 kênh. Xác định SIR(dB). Cho hệ số α = 3, α = 5 TH: α = 5 Số kênh sử dụng thực tế: 70-6=64 Số cell/cluster: N=64/16=4 SIR=S/I=(sqrt(3*4))5/6=83 SIR(db)=10log10(SIR)=19.1dB 2/27/2017 47 TÁCH CELL (CELL SPLITTING) • Khi số user trong 1 cell tăng lên vượt quá dung lượng thiết kế ban đầu  không thể đáp ứng các dịch vụ  tách cell 2/27/2017 48 ➢ Áp dụng cho khu vực có mật độ thuê bao cao ➢ Tách cell làm tăng dung lượng của hệ thống ➢ Cell lớn mật độ giao thông thấp ➢ Cell nhỏ mật độ giao thông cao ➢ Tăng BS  chi phí tăng TÍNH LƯU LƯỢNG CUỘC GỌI: ERLANG • BHCA (Busy Hour Call Attempts): Số cuộc gọi phát sinh trong giờ cao điểm của ngày • BHCC (Busy Hour Call Completion): Số cuộc gọi thành công trong giờ cao điểm • GOS (Grade of Service): Cấp độ dịch vụ 𝑮𝑶𝑺 = 𝑺ố 𝒄𝒖ộ𝒄 𝒈ọ𝒊 𝒌𝒉ô𝒏𝒈 𝒕𝒉à𝒏𝒉 𝒄ô𝒏𝒈 𝑺ố 𝒄𝒖ộ𝒄 𝒈ọ𝒊 𝒑𝒉á𝒕 𝒑𝒉á𝒕 𝒔𝒊𝒏𝒉 2/27/2017 49 TÍNH LƯU LƯỢNG CUỘC GỌI: ERLANG • Erlang là đại lượng không có đơn vị, được sử dụng trong mạng điện thoại để đo lưu lượng của mạng – 𝝀: số cuộc gọi trung bình trong 1 đơn vị thời gian (theo giờ) – h: thời gian trung bình của cuộc gọi (average call holding time) – A: lưu lượng 𝑨 = 𝝀𝒉 2/27/2017 50 ERLANG: VÍ DỤ 1. Một kênh thông tin hoạt động 30 phút trong 1 giờ  lưu lượng A=? 2. Tổng đài PABX có hai trung kế, xác suất sử dụng mỗi kênh vào giờ cao điểm là 50%  lưu lượng của PABX này là A=? 3. Cũng tổng đài PABX trên nhưng trong giờ cao điểm có 2 thuê bao sử dụng liên tục trong 1 giờ  A=? 4. Một cell có 30 cuộc gọi mỗi giờ, thời gian mỗi cuộc gọi là 1 phút. Xác định lưu lượng của cell?  A=? 2/27/2017 51 ERLANG-B • Gọi Au là lưu lượng của 1 thuê bao • Gọi A là lưu lượng của toàn bộ thuê bao tương ứng của 1 đơn vị thông tin • Gọi U là số lượng thuê bao tương ứng của 1 đơn vị thông tin: 𝑼 = 𝑨 𝑨𝒖  Erlang-B là công thức tính xác suất yêu cầu 1 tài nguyên sẽ bị từ chối vì thiếu tài nguyên (Xác suất nghẽn mạch do thiếu thiết bị - blocking) • P: xác suất nghẽn • N: số tài nguyên (mạch,...) • 𝑨 = 𝝀𝒉: tổng lưu lượng mạch 2/27/2017 52 𝑷𝒃 𝑵,𝑨 = 𝑨𝑵 𝑵! σ𝒊=𝟎 𝑵 ( 𝑨𝒊 𝒊! ) ERLANG-B: VÍ DỤ • Mỗi thuê bao trung bình có 2 cuộc gọi trong 1 giờ, mỗi cuộc gọi có thời gian trung bình là 3 phút. Giả sử cell được trang bị 16 channel và Pb(blocking)=1%. • 1)Xác định lưu lượng của 1 thuê bao và tính số lượng thuê bao tối đa 1 cell có thể cung cấp? Lưu lượng 1 thuê bao: 𝐴𝑢 = 𝜆ℎ = 2 × 3 60 = 0.1𝐸𝑟𝑙𝑎𝑛𝑔 Pb= 1%=0.01 N=16 Tra bảng Erlang ta có A = 8.875Erlang Số lượng thuê bao/cell = A/Au = 88 thuê bao 2/27/2017 53 • 2)Giả sử cấu hình mạng có 98 cells. Xác định số thuê bao tối đa hệ thống có thể cung cấp cho cấu hình trên. Dung lượng hệ thống = 88 x 98 = 8624 thuê bao 2/27/2017 54 2/27/2017 55