Đồ án Tối ưu hóa mạng di động GSM

ụng 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 ồ của mạng. Mẫu 3/9: số kênh trong một cell là lớn, tuy nhiên khả năng nhiễu cao. Mô hình này thường được áp dụng cho những vùng có mật độ máy di động cao. Mẫu 4/12: sử dụng cho những vùng có mật độ lưu lượng trung bình. Mẫu 7/21: sử dụng cho những khu vực mật độ thấp. Thay đổi quy hoạch tần số theo phân bố lưu lượng: Thay đổi quy hoạch tần số: Sự phân bố lưu lượng: Sự thay đổi lưu lượng và hiệu ứng điểm nóng (hotspot) hình thành nhu cầu tăng thêm kênh tần số ở một cell nào đó. Khi đó người ta nghĩ ngay đến khả năng lấy kênh tần số ở cell nào có lưu lượng rất nhỏ để thêm vào cho cell nào có lưu lượng quá lớn. Tuy nhiên, việc làm này phá hỏng quy hoạch tần số và mang lại can nhiễu quá mức cho phép nếu như việc thực thi không đúng khoa học. Hình 419. Thay đổi quy hoạch tần số Hình 4-19 biểu thị một tình huống như vậy: Đây là mẫu tái sử dụng tần số 4/12. Tại mảng mẫu X, cell D1 cần 3 kênh tần số để đảm bảo lưu lượng, trong khi cell C3 chỉ cần 1 kênh tần số để đáp ứng lưu lượng tại thời điểm đang xét. Tại cell C3, có hai kênh tần số 94 và 106, như vậy nên chọn tải tần 94 hay 106 để chuyển sang D1 ? ảnh hưởng tới : Cell D1 và cell D3 là hai cell liền kề. Mà tải tần 94, 106 của cell C3 liền kề với tải tần 95, 107 của cell D3. Chính vì vậy, chọn tải tần nào dù là 94 hay 106 để đưa sang D1 thì đều làm tăng can nhiễu kênh kề, đối với MS ở biên giới D1 và D3 thì tỉ số của chúng gần bằng 0 dB. ảnh hưởng tới : Nếu chọn tải tần 94 (hay 106) từ cell C3 đưa sang D1, thì cự ly sử dụng lại tần số 94 (hay 106) bây giờ là từ cell D1 của mảng mẫu X đến cell C3 của mảng mẫu Y, tức là đã giảm đi một nửa so với ban đầu. Nghĩa là nhiễu kênh chung tăng lên nghiêm trọng, tỷ số C/I giảm đáng kể. Vì bán kính cell R vẫn giữ nguyên, mà cự ly sử dụng lại tần số của tải tần chuyển sang giảm chỉ còn một nửa, nghĩa là D/ R còn lại một nửa so với quy hoạch trước. Về lý thuyết, điều đó làm giảm tỷ số C/ I đi chừng 6 á 8 dB. Muốn phân tích chính xác C/ I, phải kể đến yếu tố địa hình thực tế và các nhân tố mảng mẫu. Điều này cần đến công cụ phần mềm đặc biệt để xử lý vấn đề bằng máy tính. Một trong những giải pháp cho vấn đề này là cấu trúc đồng tâm của cell được tăng cường thêm tải tần lấy từ cell khác. Khi đó, các tải tần sẵn có ban đầu của cell vẫn được dùng như vốn có, còn tải tần tăng cường được phát công suất bé hơn ở mức microcell. Các nhân tố khác: Công cụ phần mềm quy hoạch vô tuyến sẽ tính đến nhiều yếu tố sau đây khi chuyển kênh tần số: Sự khác nhau về công suất phát vô tuyến cả các BTS. Sự khác nhau về anten được dùng ở các cơ sở mặt bằng. Địa hình thay đổi Mảng mẫu thay đổi. .v.v.. Vì GSM là hệ thống bị giới hạn bởi can nhiễu, nên phải xét mẫu sử dụng lại tần số nào có mức can nhiễu chấp nhận được. Quy hoạch phủ sóng không liên tục: Bài toán quy hoạch này phải xử lý đặc biệt. Tuy nhiên, cơ sở giải bài toán này vẫn là quy hoạch tần số sao cho các tỷ số C/ I và C/ A đạt mức quy định chất lượng. Có thể quy hoạch với sự hỗ trợ của máy tính. Những mâu thuẫn phát sinh có thể được dung hòa tùy hoàn cảnh. Ví dụ: trong làng xã ven quốc lộ có thể chịu C/ I nhỏ. Hình 420. Phủ sóng không liên tục Thiết kế tần số theo phương pháp MRP (Multiple Reuse Patterns): Thiết kế hệ thống có dung lượng lớn với chi phí cho hạ tầng là tối thiểu đang ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc chạy đua giữa các nhà điều hành di động. Phần này trình bày về việc áp dụng kỹ thuật nhảy tần kết hợp với một phương pháp thiết kế tần số tiên tiến, đa mẫu sử dụng lại (MRP- Multiple Reuse Patterns). Nhẩy tần (Frequyency Hopping): Việc tăng dung lượng mạng bằng cách giảm cự ly tái sử dụng lại tần số sẽ kéo theo những vấn đề về nhiễu tần số trở nên trầm trọng hơn, điều này gây khó khăn cho việc thiết kế tần số với chất lượng tốt. Một số kỹ thuật được sử dụng nhằm giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu như: nhảy tần, điều khiển công suất, truyền phát gián đoạn DTX (Discontinuous Transmission). Trong phần này ta quan tâm đến kỹ thuật nhảy tần (Frequency Hopping). Kỹ thuật nhảy tần đưa ra hai khái niệm phân tán tần số và phân tán nhiễu. - Phân tán tần số: Tần số được phân chia nhằm cân bằng chất lượng tín hiệu giữa các thuê bao cho dù thuê bao đó đang di chuyển nhanh hay chậm. Điều này có nghĩa là độ dự trữ cho Fađinh nhanh (Rayleigh Fading) là không cần thiết. Chính nhờ hiệu quả của phân tán tần số mà vùng phủ sóng được tăng lên do giảm được độ dữ trữ cho Fađinh nhanh. Ngày nay, quy hoạch cell tiêu biểu dùng 3 dB cho dự trữ Fađinh nhanh. -Phân tán nhiễu: Cường độ nhiễu được chia sẻ đều cho các thuê bao để quy về mức nhiễu trung bình. Nói chung, với một mạng lưới sử dụng kỹ thuật nhảy tần thì ta có thể giảm cự ly tái sử dụng tần số, do đó có thể cải thiện được dung lượng của hệ thống so với mạng không sử dụng kỹ thuật nhảy tần. Hiệu quả của kỹ thuật nhảy tần: Phân tán nhiễu trong kỹ thuật nhảy tần có thể được nhìn nhận như sự giảm tương quan của tín hiệu nhiễu trải qua những cụm (burst) liên tiếp. Hình 4-21 mô tả sự suy giảm tương quan tín hiệu trong ba trường hợp, khi đường lên uplink của một kết nối trong cell A bị gây nhiễu bởi các trạm di động trong các cell đồng kênh. Cell A được ấn định tần số 1 và 10 trong cả ba trường hợp. Hình 421. Một ví dụ về hiệu quả của kỹ thuật nhảy tần trên phân tập nhiễu của một mạng lưới. (Kích thước của mũi tên phản ánh nhiễu tương quan giữa các cell đồng kênh). Trường hợp thứ nhất, mạng không sử dụng kỹ thuật nhảy tần. MS kết nối trên kênh tần số 1 trong cell A. Sau đó nhiễu I xuất hiện từ một thuê bao ở cell B đồng thời hoạt động trên cùng kênh tần số 1. Tương quan của tín hiệu nhiễu trên các cụm liên tiếp do đó là rất cao. Như vậy chất lượng của kết nối là xấu. Tình hình chỉ có thể cải thiện nếu cell đồng kênh ngừng phát tín hiệu trên kênh tần số này hoặc kết nối ở cell A được thực hiện chuyển giao Handover (bởi Intra-cell Handover, hay Inter-cell Handover). Trong trường hợp thứ hai là trường hợp nhảy tần trong quy hoạch tần số truyền thống, khi các nhóm tần số ấn định cho từng cell. Kết nối trong cell A nhảy trên hai kênh tần số (1 và 10), cell B cũng vậy. Do đó, nguồn nhiễu có thể thay đổi giữa hai thuê bao trong cell B, gây ra hai tín hiệu nhiễu I1 và I2. Bởi vì cường độ hai tín hiệu nhiễu này có sự khác nhau khá rõ rệt, tương quan tín hiệu nhiễu có thể thấp hơn cho các cụm liên tiếp. Nói cách khác, sự phân tán nhiễu đã tăng lên so với trường hợp không dùng kỹ thuật nhảy tần. Trường hợp cuối cùng, một thiết kế tần số bất quy tắc kết hợp với kỹ thuật nhảy tần. Điểm đặc biệt trong trường hợp này là không có sự ấn định tần số sử dụng trong một cell và các cell đồng kênh của nó. Do đó, cell B chỉ là một cell đồng kênh bộ phận của cell A, bởi chúng chỉ có một tần số dùng chung. Mặt khác, sự sắp xếp này tạo ra số cell đồng kênh bộ phận là lớn hơn, trong ví dụ trên là cell C. Trong trường hợp này, những cụm khác nhau của một kết nối tại cell A sẽ bị nhiễu bởi các thuê bao ở những cell khác nhau. Do đó, các cụm liên tiếp sẽ trải qua các tín hiệu nhiễu I1 và I2 , thông thường là không tương quan. Chính vì vậy, ở trường hợp này phân tán nhiễu là cao hơn so với thiết kế tần số theo truyền thống. Mà thuật ngữ gọi là “Phân tán nhiễu tối đa” _ “Maximizing Interference Diversity”. Ví dụ trên đây trình bày cách thức để có thể đạt được phân tán nhiễu tối đa, một thiết kế tần số không sử dụng các nhóm tần số cố định là thích hợp hơn cả. Tuy nhiên, cách thiết kế tần số này biểu hiện những hạn chế, bao gồm cả việc thiết kế lại trên phạm vi rộng cần thiết cho một hệ thống tiến triển và mở rộng không ngừng. áp dụng kỹ thuật đa mẫu sử dụng lại - MRP có thể đạt được phân tán nhiễu tối đa mà vẫn duy trì cấu trúc thiết kế tần số. Phương pháp đa mẫu sử dụng lại MRP (Multiple Reuse Patterns): Phương pháp MRP là phương pháp tổng quát để đạt được dung lượng cao bằng cách sử dụng lại tần số kết hợp với kỹ thuật nhảy tần. Phương pháp MRP khai thác lợi thế của kỹ thuật nhảy tần nhằm tăng dung lượng. Cơ sở của phương pháp MRP là phân chia các tần số thành các mẫu lớp băng tần số khác biệt với các mức độ sử dụng lại khác nhau và dùng kỹ thuật nhảy tần kết hợp chúng lại ở một mức sử dụng lại trung bình. Với mục đích là triển khai được càng nhiều càng tốt các bộ thu phát TRX ở các cells hiện tại để tối thiểu chi phí cho lắp đặt trạm mới. Phần này ta chỉ xét tới MRP sử dụng nhảy tần băng cơ bản. Phân chia băng tần: Bước đầu tiên của phương pháp MRP là phân chia phổ tần sẵn có thành các băng tần khác nhau. Một băng tần là băng tần BCCH, và một hay nhiều băng tần TCH theo nghĩa rằng một tần số đã được dùng làm tần số BCCH ở một cell thì sẽ không được sử dụng làm tần số TCH ở một cell khác và ngược lại. Băng tần BCCH dùng để thiết kế cho kênh điều khiển quảng bá BCCH. Lý do dùng các tần số BCCH duy nhất là: Lưu lượng không phụ thuộc vào đặc tính giải mã BSIC: Khi MS cố gắng giải mã BSIC (Base Station Identity Code - Mã nhận dạng trạm gốc) trên kênh đồng bộ SCH (Synchronization Channel), đặc tính này không bị ảnh hưởng bởi tải lưu lượng. Lý do là lưu lượng được ấn định vào các tần số TCH sẽ không làm nhiễu loạn bất kỳ tần số BCCH mà kênh đồng bộ SCH ánh xạ vào. Giải mã nhận dạng trạm gốc BSIC là rất quan trọng đối với hiệu suất chuyển giao (Handover). Hiệu suất handover không tốt sẽ làm tăng số lượng các cuộc gọi bị rớt. Đơn giản hóa việc khai báo danh sách cell lân cận: Với một băng tần BCCH riêng biệt, số lượng các tần số cell lân cận sẽ được giảm bớt. Việc thiết kế sẽ đơn giản khi mà tất cả các tần số ngoại trừ tần số BCCH của chính cell đó và trong danh sách cell lân cận đều có thể được sử dụng. Nếu sử dụng tất cả các tần số sẵn có như là các tần số BCCH sẽ dẫn tới kết quả là danh sách cell lân cận dài hơn ảnh hưởng xấu tới hiệu suất handover. Việc thiết kế lại tần số TCH không ảnh hưởng gì tới thiết kế tần số BCCH: Nếu những TRX bổ sung được thêm vào các cell đã có sẵn, việc thiết kế tần số BCCH sẽ không bị ảnh hưởng gì. Hạn chế duy nhất cần tính đến là nhiễu tần số kế bên. Chính vì vậy, sẽ là hợp lý khi giữ cùng thiết kế tần số cho dù TRX bổ sung được thêm vào hệ thống. Nhà điều hành mạng do đó biết rằng nếu thiết kế tần số BCCH tốt thì nó vẫn giữ nguyên được tình trạng tốt, không phụ thuộc vào những tần số TCH. Lợi ích của việc điều khiển công suất và phát gián đoạn DTX: Chỉ có các tần số TCH có thể sử dụng phát gián đoạn và điều khiển công suất trên hướng xuống downlink. Với một băng tần BCCH riêng biệt, lợi ích đầy đủ từ việc điều khiển công suất và phát gián đoạn DTX là đạt được trên hướng xuống downlink. Bước tiếp theo trong phương pháp MRP, những tần số còn lại (TCH) được phân chia thành những băng tần khác nhau. Như vậy sẽ tồn tại một băng tần BCCH và vài băng tần TCH. ý tưởng chính là một vài băng tần TCH được áp dụng những mẫu sử dụng lại khác nhau trên những bộ thu phát khác nhau. Bộ thu phát TCH thứ nhất trong tất cả các cell sẽ sử dụng các tần số của băng tần TCH thứ nhất, băng tần TCH thứ hai cho bộ thu phát thứ hai, v.v… Kích cỡ sử dụng lại tần số trung bình phụ thuộc vào phân bố các TRX của mạng lưới: Sự phân bố TRX quyết định hệ số sử dụng lại tần số trung bình mà có thể áp dụng trong mạng. Hệ số sử dụng lại tần số trung bình được điều chỉnh theo số TRX tối đa cần thiết cho mỗi cell và số lượng cell cần số TRX như vậy. Theo cách này thì chất lượng hệ thống có thể kiểm soát tốt hơn nhờ điều chỉnh trong xử lý thiết kế tần số. Khi mở rộng thêm TRX, ảnh hưởng tới thiết kế tần số hiện tại sẽ nhỏ hơn: Việc phân chia băng tần TCH sẽ giới hạn số lượng các yêu cầu của công tác thiết kế tần số khi có thêm những TRX được bổ sung. Chỉ những cell có cùng số TRX hoặc nhiều hơn mới bị ảnh hưởng nếu có thêm những TRX bổ sung. Ví dụ, thêm TRX thứ tư vào một cell có ba TRX sẽ chỉ có ảnh hưởng tới những cell có bốn hoặc có nhiều hơn số TRX. Một biện pháp cấu trúc cho thiết kế tần số: Với việc phân chia băng tần TCH thành các băng khác nhau, cấu trúc sẽ trở nên hợp lý khi thiết kế quy hoạch tần số cho bộ thu phát TCH thứ nhất mà không làm thay đổi quy hoạch BCCH hay những quy hoạch cho những bộ thu phát TCH khác. Cấu trúc này giúp đơn giản hơn trong việc đưa ra thiết kế tần số mới và trong việc phát hiện ra thiết kế tần số không tốt. ấn định tần số: Việc ấn định tần số được minh họa trong hình 4-22, một biểu đồ chỉ ra cách những tần số khác nhau có thể ấn định cho một cấu hình MRP với tối đa bốn TRX mỗi cell. Ví dụ này xét thiết kế 12/10/8/6. Điều này nghĩa là có 12 tần số BCCH (tần số 1, 3, 5, …, 23), 10 tần số TCH cho nhóm 1 (tần số 2, 4, 6, …, 20), 8 tần số TCH nhóm 2 (22, 24, 26, …, 36) và 6 tần số TCH cho nhóm 3 (25, 27, …, 35). Hình vẽ cũng chỉ ra sự ấn định tần số cho hai cell A và B với số bộ thu phát theo thứ tự là hai và bốn. Hình 422. Ví dụ về thiết kế tần số với phương pháp MRP Cell A được ấn định tần số BCCH thứ 1 và tần số TCH thứ 6. Do đó cell A sẽ sử dụng nhảy tần băng cơ bản trên hai tần số. Trong khi đó, cell B được ấn định tần số BCCH thứ 23 và các tần số TCH thứ 20, 26, 35. Do đó, cell B sử dụng nhảy tần băng cơ bản trên bốn tần số. Chú ý rằng, những tần số BCCH không cần xác định rõ vị trí, do đó bất kỳ tần số nào trong dải tần có sẵn đều có thể chọn làm tần số BCCH miễn sao sự chia tách BCCH/ TCH được thỏa mãn. Không cần phải lúc nào cũng tuân thủ chặt chẽ việc ấn định tần số theo phương pháp MRP. Nếu một cell tồn tại những vấn đề về chất lượng thì có thể giải quyết vấn đề này bằng thay đổi một tần số trong cell đó sang một tần số “trái luật”, tần số mà ban đầu đã được sử dụng trong nhóm bộ thu phát khác. Tuy nhiên, theo khuyến nghị thì việc tuân thủ cấu trúc MRP nên thực hiện một cách chặt chẽ nhất có thể. Thiết kế tần số: Phương pháp MRP được phát triển nhằm xử lý đặc trưng tiêu biểu của mạng lưới khi sự phân phối TRX là không đồng đều. Điều này rất quan trọng khi mạng tế bào có sự khác nhau về những đặc tính mạng như kích cỡ cell, số phổ tần sẵn có và địa hình. Có nghĩa là trong mạng lưới, một số cell có nhiều TRX trong khi có những cell với số TRX ít hơn. Để tìm hiểu các trạng thái sử dụng lại tần số khác nhau của những cell khác nhau với số TRX là khác nhau, ta xem xét ví dụ sau: Cấu hình MRP 12/8/6/4 được chọn cho tổng số 30 tần số sẵn có. Trong đó, 12 tần số BCCH, ba nhóm tần số TCH lần lượt gồm 8, 6, 4 tần số. Trong ví dụ này ta giả thiết rằng tỷ lệ các cell có 2, 3, 4 TRX lần lượt là 20%, 30%, 50%. Hệ số sử dụng lại tần số trung bình của một cell = Tổng số tần số trong nhóm ấn định cho cell đó / Số TRX của cell đó Do đó, các cell khác nhau sẽ có hệ số sử dụng lại tần số khác nhau: hệ số bằng 10 với cell có 2 TRX, bằng 8,7 với cell có 3 TRX, và bằng 7,5 với cell có 4 TRX. Số TRX /cell 2 3 4 Tỷ lệ cell (%) 20% 30% 50% MRP groups 12 / 8 12 / 8 / 6 12 / 8 / 6 / 4 Hệ số sử dụng lại tần số TB Sử dụng lại tần số TB thực tế (Giới hạn trên) 10 9,0 8,5 Độ phân tán Nhỏ Lớn Rất lớn Hệ số sử dụng lại tần số trung bình thực tế được hiểu theo nghĩa “rải rác”, vì không phải tất cả các cell đều trang bị đầy đủ thiết bị. Ví dụ, TRX thứ 3 được sử dụng trên 80% tổng số cell, do vậy mà hệ số sử dụng lại thưc tế của TRX này rải rác sẽ là 6/ 0,8 = 7 (làm tròn từ 7,5), tùy thuộc vào phân bố địa lý của những cell với TRX thứ 3. Do đó, giới hạn trên của hệ số sử dụng lại tần số thực tế của cell có 3 TRX sẽ là: (12+8+7)/3 = 9,0. Lợi ích của nhảy tần sẽ tăng cùng với số lượng những tần số trong chuỗi nhảy tần. Những cell có nhiều TRX hơn tương ứng với hiệu quả sử dụng lại cao hơn, cũng đồng nghĩa với mức nhiễu là cao hơn, nhưng với phương pháp MRP điều này được cân bằng với một độ phân tán nhiễu là lớn hơn. Ví dụ trên minh họa MRP có thể điều chỉnh thiết kế tần số theo phân bố TRX trong hệ thống. Tuy nhiên, cũng phải chú ý rằng MRP không cần thiết phải thực hiện trên toàn bộ hệ thống, mà chỉ cần áp dụng cho những vùng có dung lượng cao. Cũng có thể sử dụng các cấu hình MRP khác nhau cho những vùng địa lý khác nhau trong mạng. Antenna: Anten là thiết bị thực hiện việc chuyển đổi năng lượng giữa sóng được dẫn hướng (ví dụ trong cáp đồng trục) và sóng trong môi trường không gian tự do, hoặc ngược lại. Anten có thể được sử dụng để phát hoặc thu tín hiệu vô tuyến. Trong thông tin di động, việc sử dụng anten thích hợp sẽ có vai trò rất quan trọng, quyết định tới chất lượng hệ thống. Kiểu loại anten: Trong thông tin di động người ta thường dùng hai loại anten chính là: Anten vô hướng (omni anten): Phát xạ tín hiệu theo mọi hướng (3600). Anten định hướng (sector anten): Chỉ phát xạ theo một hướng nhất định. Sử dụng Anten định hướng có hiệu quả chống nhiễu đồng kênh cao hơn so với Anten vô hướng. Giảm nhiễu đồng kênh sử dụng anten định hướng (Sector hóa): Ta đã biết vấn đề nhiễu giao thoa đồng kênh thường liên quan đến việc sử dụng lại tần số và một trong những dạng của loại nhiễu này là từ các thuê bao đang hoạt động ở những vị trí cao (các quả đồi, trên các toà nhà cao tầng...) gây nhiễu tới các cell có cùng tần số làm việc. Khi dùng Omni Antenna: Hình 453. Anten vô hướng (Omni antenna) Ta giả thiết hai cell E1 và E2 sử dụng chung một tần số và E1 có địa thế cao hơn so với E2. Một thuê bao MS đang di chuyển từ E1 tới E2. Khi thuê bao di chuyển càng gần E2, khả năng gây nhiễu của nó tới E2 càng lớn. Khi dùng Sector Antenna: Hình 424. Đã được Sector hóa Bây giờ ta cũng vẫn dùng E1 và E2. Nhưng đã được sector hoá thành: EA1, EB1, EC1 và EA2, EB2, EC2. MS di chuyển về phía E2, xuất phát từ EA1 (có khoảng cách lớn nhất tới E2). Khi MS vượt qua vị trí trạm EA1, nó được chuyển giao tới EB1 và khoảng cách từ MS tới E2 gần hơn. EB1 cùng tần số với EB2 nhưng như hình vẽ ta thấy, các nhiễu nó tạo ra đều nằm phía sau anten của EB2 (vì là anten định hướng nên có tỉ số năng lượng hướng trước trên hướng sau = 6 á 15 dB). Điều này có nghĩa là khả năng chống nhiễu của hệ thống đã tăng từ 6 á 15 dB. Tương tự như vậy khi MS đi tới EA2 nó chỉ tạo nhiễu cho EA1 từ phía sau của anten EA1. Tóm lại dùng sector anten là một biện pháp làm tăng tỉ số C/I của hệ thống. Độ tăng ích anten (Gain of an Antenna): Độ tăng ích của một anten là tỷ số, thường tính bằng dB, giữa công suất cần thiết tại đầu vào của một anten chuẩn không suy hao với công suất cung cấp ở đầu vào của anten đó sao cho ở một hướng cho trước tạo ra cường độ trường hay mật độ thông lượng công suất như nhau tại cùng một cự ly. Nếu không có ghi chú gì thêm, thì độ tăng ích anten được tính đối với hướng phát xạ lớn nhất. Tùy thuộc vào sự lựa chọn vào anten chuẩn, có các loại tăng ích anten sau: Tăng ích tuyệt đối hay tăng ích đẳng hướng (Gi) khi anten chuẩn là một anten đẳng hướng biệt lập trong không gian. Độ tăng ích ứng với một dipol nửa bước sóng (Gd) khi anten chuẩn là một dipol nửa bước sóng biệt lập trong không gian và mặt phẳng vuông góc của nó chứa hướng phát xạ. Độ tăng ích ứng với một anten thẳng đứng ngắn (Gv) khi anten chuẩn là một dây dẫn thẳng ngắn hơn nhiều so với một phần tư bước sóng, vuông góc với mặt phẳng dẫn điện lý tưởng chứa hướng phát xạ. Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương – EIRP: Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương – EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) là tích số của công suất sinh ra để cung cấp cho một anten với tăng ích của anten đó ở hướng nhất định ứng với anten đẳng hướng (độ tăng ích đẳng hướng hay tăng ích tuyệt đối) EIRP được xác định bởi công thức: PEIRP (W) = Pt (W)* 10(G - L)/10 Hay: Trong đó: PEIRP (dBm): công suất bức xạ đẳng hướng tương đương; Pt (dBm): tổng công suất của các máy phát; L (dB): tổng suy hao từ các máy phát đến anten (ví dụ do combiner, feeder…); G (dBi): độ tăng ích cực đại của anten tương ứng với anten đẳng hướng. Độ cao và góc nghiêng (down tilt) của anten: Khi anten đặt thẳng đứng, hướng búp sóng chính sẽ nằm trên một đường thẳng nằm ngang. Hình 425. Anten vô hướng có góc nghiêng bằng 0 độ ở những khu vực thị trấn nhỏ hay nông thôn, lưu lượng của hệ thống thấp nên việc tái sử dụng tần số là không cần thiết. Do vậy, ta nên sử dụng các vị trí cao hay đặt anten cao để tối đa hoá vùng phủ sóng. Tuy nhiên ở những khu vực đô thị lớn, lưu lượng hệ thống cao, kích thước cell hẹp thì có lẽ thích hợp nhất là giảm độ cao anten để có làm giảm can nhiễu kênh chung. Tuy nhiên, nếu đặt quá thấp, các vật cản (nhà cao tầng...) sẽ có ảnh hưởng lớn tới chất lượng hệ thống. Do vậy, hiện nay độ cao anten ở các đô thị thường là 30 á 50 m. Để giải quyết phạm vi vùng phủ sóng hẹp, một kỹ thuật được đưa ra là “làm nghiêng hướng búp sóng chính của anten” (downtilt). Để thấy rõ hiệu quả của “downtilt” đối với chất lượng hệ thống ta xét minh họa sau: Chúng ta đã biết rằng công suất bức xạ của anten càng giảm khi càng rời xa búp sóng chính. Đồ thị thực nghiệm sau đây (được xây sựng từ đặc tính bức xạ của anten trong mặt phẳng đứng) chỉ rõ quan hệ đó. Đồ thị này sử dụng cho 3 loại anten có độ rộng búp sóng trong mặt phẳng đứng lần lượt là 70 , 140 , 280 . Trong đó: Trục X biểu diễn góc a là góc giữa hướng ta đang xét và hướng bức xạ chính trên mặt phẳng đứng (Vertical Angle – Degree 0C). Trục Y biểu diễn sự suy hao cường độ trường (Gain Reduction - dB). Hình 426. Đồ thị quan hệ giữa góc thẳng đứng và suy hao cường độ trường Giả thiết có hai cell A và B sử dụng cùng tần số. Bán kính mỗi cell r = 500m, khoảng cách hai cell là d = 4 km, độ cao anten là h = 30 m, độ rộng búp sóng là 70 . Hình 427. Ví dụ về hiệu quả của “downtilt” Sử dụng đồ thị thực nghiệm ta tính được: Suy hao tín hiệu nhiễu của cell A gây ra tại cell B: Từ đồ thị thực nghiệm ta có Gain Reduction = 0,2 (dB). Suy hao tín hiệu của anten A tại biên của cell A: Nên Gain Reduction = 4 (dB). Bây giờ ta nghiêng góc của anten A đi một góc 4,930, khi đó hướng búp sóng chính đã lệch đi góc 4,930 . Lúc này: Suy hao tín hiệu nhiễu của cell A gây ra tại cell B: a’ = dt - a = 4,930 – 0,430 = 4,50 Nên Gain Reduction = 6,2 (dB). Suy hao tín hiệu của anten A tại biên của cell A: â’ = dt – â = 4,930 – 3,440 = 1,490 Nên Gain Reduction = 0,5 (dB). Như vậy ta thấy, tín hiệu nhiễu do cell A gây ra cho cell B lúc này đã bị suy hao đáng kể (suy hao thêm 6 dB), đồng thời suy hao tín hiệu trong cell A đã giảm đáng kể nghĩa là chất lượng phủ sóng ở cell A đã được cải thiện. Qua thí dụ trên ta thấy, với việc nghiêng góc của anten thì chất lượng phủ sóng của cả hai cell A và B đều được cải thiện. Vừa làm chất lượng thu ở cell A tăng lên, vừa làm giảm nhiễu do cell A gây ra cho cell B. Việc nghiêng góc anten có thể dùng để giải quyết vấn đề phủ sóng. Tuy nhiên việc áp dụng nghiêng góc anten cần có sự phân tích kỹ càng những yếu tố liên quan có thể xảy ra trong vùng phủ sóng. Chuyển giao cuộc gọi (Handover): Một trở ngại trong việc phát triển mạng thông tin di động tế bào là vấn đề phát sinh khi một thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác. Các khu vực kề nhau trong hệ thống tế bào sử dụng các kênh vô tuyến có tần số khác nhau, khi thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác thì cuộc gọi hoặc bị rớt hoặc tự động chuyển từ kênh vô tuyến này sang một kênh khác thuộc cell khác. Thay vì để cuộc gọi bị rớt, quá trình Handover (tiếng Mỹ: Handoff) giúp cho cuộc gọi được liên tục. Quá trình Handover xảy ra khi hệ thống thông tin di động tự động chuyển cuộc gọi từ kênh vô tuyến này sang kênh vô tuyến khác khi thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác liền kề với nó. Trong quá trình đàm thoại, hai thuê bao cùng chiếm một kênh thoại. Khi một thuê bao di động chuyển động ra khỏi vùng phủ sóng của cell cho trước, tín hiệu đầu thu của cell này sẽ giảm. Khi đó, cell đang sử dụng sẽ yêu cầu một Handover (chuyển giao) đến hệ thống. Hệ thống sẽ chuyển mạch cuộc gọi đến một cell có tần số với cường độ tín hiệu thu mạnh hơn mà không làm gián đoạn cuộc gọi hay gửi cảnh báo đến người sử dụng. Cuộc gọi sẽ được tiếp tục mà người sử dụng không nhận thấy quá trình Handover diễn ra. Phân loại Handover: Hệ thống GSM chỉ thực hiện chuyển giao cứng do phải thay đổi tần số khi chuyển kênh. Quá trình chuyển giao cuộc gọi được chia thành những loại sau: Chuyển giao bên trong ô (Intra-Cell Handover). Chuyển giao giữa các ô thuộc cùng một BSC (Inter-Cell Handover). Chuyển giao giữa các ô thuộc hai BTS khác nhau (Intra-MSC Handover). Chuyển giao giữa hai ô thuộc hai tổng đài MSC khác nhau (Inter-MSC Handover). Intra-Cell Handover (Chuyển giao bên trong ô ): Thủ tục chuyển giao thực hiện giữa hai kênh vật lý của cell đang phục vụ. Chuyển giao trong nội bộ tế bào không được sử dụng khi thuê bao di chuyển sang cell khác, ngoại trừ trường hợp nếu mức nhiễu trên kênh riêng là cao thì một sự chuyển giao sang một kênh vật lý khác phải được thực hiện. Hình 428. Intra-Cell Handover Inter-Cell Handover (Chuyển giao giữa các ô thuộc cùng một BSC): MS được chuyển mạch sang một kênh vô tuyến mới của một cell khác nhưng được điều khiển của cùng một bộ điều khiển trạm gốc BSC. Hình 429. Inter-Cell Handover Intra-MSC Handover (Chuyển giao giữa các ô thuộc hai BTS khác nhau): Chuyển mạch kênh vô tuyến giữa hai BSC của cùng một tổng đài di động MSC. Hình 430. Intra-MSC Handover Inter-MSC Handover (Chuyển giao giữa hai ô thuộc hai tổng đài MSC khác nhau): Chuyển mạch kênh vô tuyến giữa hai tổng đài di động MSC. Hình 431. Inter-MSC Handover Trong trường hợp này, MSC ban đầu giữ toàn quyền điều khiển cuộc gọi và sắp đặt truy nhập mạng cho đến khi kết thúc cuộc gọi. Cuộc gọi được định tuyến vật lý lại từ MSC ban đầu trực tiếp đến MSC đích. Khởi tạo thủ tục Handover: Thủ tục Handover sẽ được khởi tạo vào bất kỳ lúc nào mỗi khi xuất hiện nhu cầu chuyển đổi đường vô tuyến giữa BSS và MS sang một kênh mới, có thể là cùng BSS hay một BSS khác. BSS sẽ nhận thấy yêu cầu thiết lập thủ tục Handover để duy trì sự liên tục của cuộc gọi trong khi MS di chuyển. Nếu cell đích ưu tiên nằm trong cùng BSC thì thủ tục Handover sẽ được thực hiện bởi BSC. Nếu không, BSC sẽ gửi đến MSC một danh sách ưu tiên các cell đích. Trong danh sách này, MSC chỉ cân nhắc đến ba cell đầu tiên. Giải thuật MSC (với ví dụ là có ba cell được cân nhắc) là bước thứ nhất sẽ thử với cell đầu tiên, nếu không được thì sẽ chuyển sang thử với cell thứ hai rồi thứ ba, mà không có việc tính đến những khía cạnh lưu lượng. Nếu như trong khi thủ tục handover này đang diễn ra mà có thêm một yêu cầu Handover khác nhận được từ BSC, danh sách sẽ được cập nhật để tính toán đến các cell mới. Với mỗi lần thử, MSC yêu cầu một tài nguyên tần số thích hợp tới phân hệ trạm gốc BSS đích mà theo mặc định là không cho phép việc xếp hàng đợi, hoặc là cho phép hàng đợi nếu cho phép nếu như có chỉ thị tương ứng trong yêu cầu handover nhận được từ BSS nguồn. Nếu như MS không hoàn thành việc đạt được một kênh mới từ cell đích thì nó sẽ gửi một “bản tin thông báo chuyển giao thất bại” thông qua cell trước tới mạng lưới và MSC sẽ hồi phục lại kết nối trước của MS hoặc nếu MSC nhận thấy MS đã mất kết nối thì cuộc gọi sẽ được giải phóng. Quy trình chuyển giao cuộc gọi: Về cơ bản, thủ tục Handover bao gồm 4 giai đoạn: Giai đoạn 1: BSC quyết định thực hiện thủ tục handover để đảm bảo kết nối của cuộc gọi. Giai đoạn 2: Một kết nối mới được thiết lập, song song với kết nối gốc. Giai đoạn 3: MSC chuyển cuộc gọi sang kết nối mới. Giai đoạn 4: Kết nối gốc được giải phóng. Giai đoạn 1: Hình 432. GĐ 1: Trong lúc kết nối, MS vẫn tiếp tục đo đạc mức thu và chất lượng truyền dẫn của cell phục vụ và những cell xung quanh. Những kết quả đo đạc được gửi tới BSC và là căn cứ để yêu cầu một thủ tục Handover sang một cell khác để có một chất lượng truyền dẫn tốt hơn. Hình 433. Quyết định chuyển giao(Handover Decision). Handover Margin: Thực chất của Handover Margin là sự chênh lệch giữa mức thu của cell đang phục vụ và các cell lân cận. Khi mức thu của một cell lân cận nào đó vượt quá mức thu của cell đang phục vụ một khoảng lớn hơn giá trị Handover Margin định sẵn thì một Handover Alarm sẽ được gửi về hệ thống nhằm đưa đến quyết định chuyển giao. Thông thường thì thủ tục Handover sẽ được thực hiện ngay sau đó. Nếu việc đặt giá trị Handover Margin quá thấp sẽ dẫn tới việc Handover quá nhiều, nhưng ngược lại khi giá trị này đặt quá lớn có thể làm cho chất lượng cuộc gọi bị giảm xuống. Vì vậy, tùy vào tính chất phủ sóng của từng vùng cũng như mức độ nhiễu của từng cell phục vụ, Handover Margin cần được điều chỉnh thích hợp để đạt được chất lượng tốt nhất. Ví dụ như vùng bị nhiễu nhiều có thể đặt giá trị Handover Margin thấp để MS có thể nhanh chóng chuyển giao sang cell khác có chất lượng tốt hơn. Giá trị khuyến nghị trong hệ thống GSM cho Handover Margin là 4 dB. BSC sẽ thông báo cho MSC về sự cần thiết thực hiện thủ tục Handover, và khai báo thông tin với MSC1. Hình 434. GĐ 1: BSC khai báo thông tin với MSC Giai đoạn 2: MSC1 yêu cầu một Handover Number (HON) từ MSC2 và thông báo với MSC2 thông tin về cell B. Hình 435. GĐ 2: MSC1 yêu cầu MSC2 cấp Handover Number Mã HON (Handover Number) chỉ quan trọng trong trường hợp Inter-MSC Handover. Nó được dùng để MSC1 thiết lập kết nối kênh lưu lượng với MSC2. Cấu trúc của mã HON cũng giống như mã MSRN và cũng được cung cấp bởi VLR mới. MSC2 yêu cầu VLR cung cấp một mã HON, đồng thời yêu cầu BSC cung cấp kênh vô tuyến. Sau đó, kênh vô tuyến và mã HON được gửi lại cho MSC1. Hình 436. GĐ 2: Cấp mã HON và kênh vô tuyến cho MSC1 Giai đoạn 3: Hình 467. GĐ 3: MSC1 chuyển mạch kết nối cho MS trên kênh lưu lượng thiết lập với MSC2 Với mã HON, MSC1 có thể thiết lập kênh lưu lượng kết nối với MSC2. MSC1 thông báo cho MS về kênh vô tuyến mà nó phải chuyển mạch tới. Giai đoạn 4: Giải phóng kết nối với BTS cũ. Hình 438. Kết nối với BTS cũ được giải phóng Chương V Những chỉ tiêu chất lượng trong mạng GSM Khái niệm về chất lượng dịch vụ QoS: QoS (Quality of Service) có thể xem như là những chỉ tiêu đánh giá mạng lưới mà bất cứ một hệ thống thông tin di động nào đều phải có. Chỉ tiêu chất lượng mạng lưới ở đây phải là những tiêu chí thực sự “chất lượng” chẳng hạn như tiếng nói trong trẻo, ít rớt cuộc gọi và không bị nghẽn mạch. Để đánh giá được chất lượng mạng chúng ta phải xác định những đại lượng đặc trưng (key indicators), qua đó cho phép những cái nhìn chính xác về sự hoạt động của mạng lưới cũng như chất lượng của mạng. Các đại lượng đặc trưng: Tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công CSSR (Call Setup Successful Rate): Có thể hiểu CSSR như là tỉ lệ mà người sử dụng (thuê bao) thành công trong việc bắt đầu thực hiện cuộc gọi xét trên cả hai chiều gọi đi và gọi đến (kể cả những cuộc gọi đã được nối nhưng bị rớt trong trường hợp này vẫn được coi là thành công). Thành công ở đây ta có thể tạm coi là khi người sử dụng quay số và bấm “YES”, cuộc gọi chắc chắn được nối (trường hợp gọi đi). Trong trường hợp gọi đến, sự không thành công có thể hiểu đơn giản là một ai đó đã thực sự gọi đến thuê bao nhưng thuê bao vẫn không nhận được một tín hiệu báo gọi nào mặc dù máy bị gọi vẫn bật máy và nằm ở trong vùng phủ sóng. CSSR có thể được tính như sau: CSSR = Tổng số lần thực hiện (nhận) thành công cuộc gọi / Tổng số lần thực hiện (nhận) cuộc gọi Theo khuyến nghị Alcatel về chỉ tiêu chất lượng hệ thống thì tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công CSSR cần đạt là # 92%. Tỷ lệ rớt cuộc gọi trung bình (Average Drop Call Rate - AVDR): AVDR là tỉ lệ số cuộc gọi bị rớt mạch trên tổng số cuộc gọi thành công. AVDR có thể được tính như sau: AVDR = Tổng số lần rớt mạch / Tổng số lần chiếm mạch TCH thành công ngoại trừ trường hợp Handover (AVDR = Total drops/ Total TCH seizures excluding TCH seizures due to HO) Đại lượng này được sử dụng để đánh giá chất lượng toàn mạng, chứ không nên áp dụng cho từng cell riêng lẻ vì rằng mỗi cell không chỉ mang những cuộc gọi được bắt đầu từ nó (trên cả hai nghĩa gọi đi và gọi đến) mà nó còn phải chịu trách nhiệm tải những cuộc gọi được handover từ nhưng cell khác sang - điều đó có nghĩa là nó bị chiếm mạch nhiều hơn rất nhiều lần. Hơn nữa đối với mỗi cell, việc mang một cuộc gọi do handover hay bình thường là có cùng một bản chất. Tỷ lệ rớt mạch trên TCH (TCH Drop Rate - TCDR): TCDR có thể tạm định nghĩa là tỉ lệ rớt mạch tính trên các kênh TCH của từng cell riêng biệt. TCDR= Tổng số lần rớt mạch/ Tổng số lần chiếm mạch thành công (TCDR= Total TCH Drops/ Total TCH Seizures) Tổng số lần chiếm mạch ở đây có thể xuất phát từ bất cứ nguyên nhân nào, kể cả Handover. Có rất nhiều nguyên nhân gây nên rớt mạch, loại trừ nguyên nhân do máy di động gây ra ta có thể đưa ra những nguyên nhân chính sau đây: • Do bị nhiễu quá nhiều hoặc do chất lượng kênh truyền quá thấp • Do tín hiệu quá yếu • Do lỗi của hệ thống chẳng hạn như phần cứng trục trặc • Do sử dụng các giá trị không chuẩn của các tham số BSS • Do không Handover được (thiếu neighbour cell chẳng hạn) Nhằm dễ dàng hơn cho công tác kỹ thuật, TCDR được phân ra làm hai đại lượng mới: Rớt mạch do lỗi hệ thống: TCDR-S (Drop due to System): tham số này bao gồm tất cả các lỗi do hệ thống chẳng hạn như software, transcoder ..được tính theo tỷ lệ phần trăm trên tổng số lần rớt mạch. Với một hệ thống tốt, tỷ lệ này là rất nhỏ (thường vào khoảng 2-5 % tổng số lần rớt mạch). Rớt mạch do lỗi tần số vô tuyến RF : TCDR-R (Drop due to RF): tham số này bao gồm tất cả các lỗi như mức tín hiệu kém, chất lượng quá kém, quá nhiễu, Handover kém... cũng được tính theo tỷ lệ phần trăm trên tổng số lần rớt mạch. TCDR-R + TCDR-S = 100% Tỷ lệ nghẽn mạch TCH (TCH Blocking Rate - TCBR): TCBR được định nghĩa như tỉ lệ chiếm mạch không thành công do nghẽn kênh thoại (không có kênh TCH rỗi) trên tổng số lần hệ thống yêu cầu cung cấp kênh thoại. TCBR = Tổng số lần bị nghẽn / Tổng số lần yêu cầu đường thông (TCBR = Total blocks / Total TCH attempts) Tỷ số này phản ánh mức độ nghẽn mạch trên từng cell riêng lẻ hay trên toàn hệ thống. Khi tỷ số này ở một cell (hay khu vực) nào đó trở nên quá cao điều đó có nghĩa là rất khó thực hiện được cuộc gọi trong cell (hay khu vực) đó. Tuy nhiên tham số này không phản ánh một cách chính xác yêu cầu về lưu lượng trên mạng vì rằng khi một người nào đó muốn thực hiện một cuộc gọi trong vòng một phút chẳng hạn, người ta sẽ cố nhiều lần để có thể nối được một kênh thoại và như vậy sự thử có thể là rất nhiều lần (có thể là hàng chục) để có thể chỉ thực hiện một cuộc gọi duy nhất kéo dài một phút. Điều này làm tăng tỷ lệ nghẽn mạch lên rất nhanh, vượt quá cả bản chất thực tế của vấn đề. Vì vậy để đánh giá một cách chính xác hơn, người ta sử dụng một đại lượng khác là cấp độ phục vụ GoS (Grade of Service). Đôi khi ta không hiểu tại sao mà tỷ lệ TCBR lại rất cao ở một số cell, trong trường hợp này cách tốt nhất là tham khảo thêm các đại lượng Maxbusy và Congestion time cho cell đó Maxbusy: Số kênh lớn nhất bị chiếm tại cùng một thời điểm Congestion time: Tổng số thời gian mà toàn bộ số kênh bị chiếm hết (Tổng số thời gian nghẽn). Lưu lượng và Grade of Service (GOS): Lưu lượng mang bởi hệ thống trong khoảng thời gian t được định nghĩa như sau: C = n*T/t Trong đó : T là thời gian đàm thoại trung bình n số cuộc gọi trong khoảng thời gian t. Đơn vị của lưu lượng được tính bằng Erlang (E), nếu như thay t=3600, ta có Eh (Erlang giờ). Một cách hoàn toàn đơn giản, ta có thể tính lưu lượng như sau: C = Tổng thời gian chiếm mạch/ Thời gian đo Lưu lượng của hệ thống cũng phần nào đấy cho thấy sự hoạt động của mạng. Nếu như lưu lượng của một cell nào đấy giảm đi một cách bất bình thường, điều đó có nghĩa là hoặc vùng phủ sóng của cell đã bị thu hẹp lại (do tụt công suất hay anten hỏng) hoặc một nhóm thu phát nào đấy của cell không hoạt động. Lưu lượng của hệ thống có một tương quan tương đối đối với tỷ lệ nghẽn TCH (TCBR) đã trình bày ở trên, khi lưu lượng tăng vượt một giá trị nào đó (tuỳ thuộc vào dung lượng của cell) thì tỷ lệ TCBR cũng tăng lên rất nhanh theo nó. Tuy nhiên trong một số trường hợp, ngay cả khi có lưu lượng rất thấp, tỷ lệ TCBR vẫn rất cao. Khi đó không có một cách lý giải nào tốt hơn là một số khe thời gian timeslot trên cell đã không hoạt động. Giờ bận của hệ thống BH (busy hour) được tính như là giờ mà lưu luợng đi qua hệ thống là lớn nhất. Và do đó khi thiết kế một hệ thống nào đó, nhằm thoả mãn yêu cầu về lưu lượng một cách tốt nhất người ta thường sử dụng các số liệu thống kê cho giờ bận. Trong một hệ thống với một số hữu hạn kênh thoại và mỗi thuê bao chiếm mạch hết một thời gian trung bình T nào đấy, ta thấy ngay rằng khi số thuê bao tăng lên hay nói cách khác khi mà lưu lượng tăng lên thì xác suất bị nghẽn mạch cũng tăng lên và khi lưu lượng tăng lên đến một mức độ nào đó thì tình trạng nghẽn mạch không thể chấp nhận được nữa. Vậy làm sao có thể đánh giá mức độ nghẽn mạch này một cách chính xác? Người ta sử dụng một đại lượng là cấp độ phục vụ GOS để thực hiện điều đó. GOS có thể được định nghĩa như là xác suất bị nghẽn mạch cho một thuê bao khi thực hiện cuộc gọi trong một khu vực có một “lưu lượng yêu cầu” (offerred traffic) xác định nào đó. Vấn đề này sinh ra là “lưu lượng yêu cầu” ở đây là gì? Nó có thể được coi như là lưu lượng mà hệ thống có thể mang được trong giờ bận trong trường hợp không có nghẽn mạch hay nói cách khác đi là khi số kênh thoại của hệ thống tăng đủ lớn. Người ta có thể tính GOS cho một hệ thống với t - kênh và A - “lưu lượng yêu cầu” như sau: GOS (t,A) = j (GOS (t-1,A)) (*) GOS (0,A) = 1. Tuy nhiên “Lưu lượng yêu cầu” là một cái gì đó có vẻ không thực, không thể cân đo đong đếm được và người ta chỉ có thể đo được “lưu lượng thực” mang bởi các kênh thoại mà thôi. Vì vậy người ta tính “lưu lượng yêu cầu” A như sau: A = C*(1+GOS) Trong đó C là lưu lượng đo được trên hệ thống Nhưng vấn đề lại là làm sao tính được GOS. Để tính GOS đầu tiên người ta giả sử A= C, dựa vào công thức (*) ta có thể tính được GOS1 nào đấy, và khi đó: C1=A/(1+GOS1) Nếu như C1 vừa tính được lại nhỏ hơn C thực, người ta lại tăng A lên một chút chẳng hạn A= C + 0,00001, lại tính theo cách ở trên và cứ như thế cho tới khi Cn tính được gần với C thực nhất. Khi đó giá trị tính được GOSn chính là giá trị của GOS cần tìm. Khi đã tính được “lưu lượng yêu cầu” A, ta có thể dễ dàng xác định số kênh cần thiết bằng cách tra bảng. Tỷ lệ rớt mạch trên SDCCH (SDCCH Drop Rate - CCDR): CCDR được định nghĩa như là tỷ lệ giữa tổng số lần rớt mạch trên kênh SDCCH và tổng số lần chiếm SDCCH thành công. CCDR = Tổng số lần rớt trên SDCCH/ Tổng số lần chiếm SDCCH thành công (CCDR = SDCCH drops / SDCCH seizures) CCDR cũng rất quan trọng, nó một phần đánh giá tỷ lệ thành công của cuộc gọi nói chung. Nói chung trong thông tin di động GSM và về một khía cạnh nào đó, ít nhất là trên mặt tần số vô tuyến RF, CCDR và TCDR có cùng bản chất, nếu như CCDR cao thì tỉ lệ TCDR cũng cao và ngược lại. Vì rằng thời gian chiếm mạch trên SDCCH là rất ngắn (trung bình khoảng 3s) so với thời gian chiếm mạch trên TCH (trung bình khoảng 65 s) nên CCDR cũng nhỏ hơn TCDR rất nhiều. Tuy nhiên, khi CCDR trở nên lớn một cách không bình thường so sánh với TCDR, điều đó có nghĩa là có một cái gì đó không ổn hoặc là do các tham số của phần BSS hoặc là do kênh tần số có chứa SDCCH quá nhiễu. Tỷ lệ nghẽn mạch trên SDCCH (SDCCH Blocking Rate - CCBR): CCBR được định nghĩa như là tỷ số giữa tổng số lần chiếm SDCCH không thành công do nghẽn SDCCH và tổng số lần yêu cầu cung cấp kênh SDCCH. CCBR = Tổng nghẽn SDCCH / Tổng yêu cầu SDCCH (CCBR = SDCCH blocks / SDCCH Attempts) Đại lượng này rất quan trọng đối với một hệ thống GSM và trực tiếp ảnh hưởng đến tỷ lệ thành công khi một thuê bao thực hiện cuộc gọi. Nếu như tỷ lệ nghẽn SDCCH quá cao thì khả năng thực hiện cuộc gọi rất khó - khi bạn bấm “Yes” sẽ chẳng có gì xảy ra cả (!), và điều nguy hiểm nhất là thuê bao không thể nhận biết được điều này (khác với trường hợp nghẽn TCH, thuê bao có thể được biết nhờ âm thanh hoặc nhờ thông điệp “net fail” trên màn hình của máy di động) và rất có thể họ nghĩ rằng máy của mình hỏng ??!! Cũng tương tự như trên TCH ta cũng có thể tham khảo thêm hai đại lượng khác là Maxbusy và Congestion time cho SDCCH. Một số đại lượng đặc trưng khác: Những đại lượng đặc trưng dưới đây tuy không phản ánh một cách trực tiếp chất lượng của hệ thống nhưng rất cần thiết cho công tác đánh giá chất lượng hệ thống. Số kênh hoạt động (Available Channels): Đây là một chỉ tiêu rất quan trọng cho những người theo dõi hoạt động của mạng lưới. Thông thường đối với mỗi cell trong một hệ thống GSM, số kênh này (trong trường hợp bình thường) sẽ là 6, 7, 14, 15, 22, 23, 30 tuỳ thuộc vào cấu hình của cell. Tuy nhiên khi theo dõi các báo cáo về mạng, đôi khi ta thấy số kênh này là một số khác những con số ở trên thậm chí là một số với dấu phẩy kèm theo (ví dụ 13,2) - điều này có nghĩa là trong suốt thời gian mà ta quan sát có một lúc nào đấy một số timeslots trên cell đã không hoạt động hoặc là cả toàn bộ cell đã bị sự cố. Việc một số timeslot không hoạt động ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ handover thành công. Tỷ lệ thành công Handover đến (Incoming HO Successful Rate - IHOR): IHOSR được định nghĩa như là tỷ lệ giữa số lần nhận handover thành công và tổng số lần được yêu cầu chấp nhận handover. IHOSR = Tổng handover vào thành công / Tổng handover vào (IHOSR = Incoming HO Success / Total Incoming HO request by BSS) IHOSR của một cell rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của khu vực có chứa cell đó. Nếu IHOSR là thấp, nó sẽ làm tăng tỷ lệ rớt mạch ở những cell xung quanh nó và thậm chí làm ảnh hưởng đến chất lượng thoại của cuộc gọi bởi vì nếu một lần handover không thành công thì cuộc gọi hoặc sẽ bị rớt hoặc hệ thống sẽ phải thực hiên một lần handover khác và mỗt lần như thế luồng tín hiệu thoại sẽ bị cắt và làm cho người nghe cảm giác bi đị đứt đoạn trong đàm thoại. IHOSR còn phản ánh cả chất lượng phần cứng của cell, chẳng hạn sleeping TRXs trên cell. Tỷ lệ thành công Handover ra (Outgoing HO Successful Rate - OHOSR): OHOSR được định nghĩa như là tỷ lệ giữa số lần handover ra thành công và tổng số lần được yêu cầu handover. OHOSR = Tổng handover thành công / Tổng số lần quyết định handover (OHOSR = HO Success / Total HO request by BSS ) Dựa trên OHOSR, ta có thể đánh giá được việc định nghĩa neighbour cell là đủ hay chưa hay còn có thể đánh giá chất lượng của các cell lân cận nó. Một tỷ lệ OHOSR tốt sẽ dẫn dến một tỷ lệ rớt mạch TCDR tốt và một chất lượng thoại tốt. Hơn nữa, dựa trên OHOSR, ta có thể đánh giá cả vùng phủ sóng của cell mà do đó có thể đưa ra những điều chỉnh thích hợp. Có rất nhiều nguyên nhân để hệ thống cân nhắc handover, tuy nhiên ta có thể kể ra một số nguyên nhân chính sau đây: Handover do power budget: hệ thống tính toán power budget cho serving cell và các cell lân cận để cân nhắc handover Đây cũng là một trong những nguyên nhân chính. Do mức thu quá thấp, vượt quá giới hạn trên serving cell (downlink hoặc uplink) Chẳng hạn trong mỗi hệ thống người ta có thể set mức thu danh định, chẳng hạn thấp hơn -90dB. Nếu mức thu thấp hơn mức này chẳng hạn, hệ thống sẽ quyết đinh cân nhắc handover. Do chất lượng trên serving cell quá thấp, vượt quá giới hạn (downlink hoặc uplink) Do timing advance vượt quá giới hạn (downlink hoặc uplink) Do quá nhiễu trên serving cell (downlink hoặc uplink) EMPD: EMPD được định nghĩa như là tỷ số giữa traffic tính theo phút và tổng số lần rớt mạch. EMPD = 60* traffic / Tổng số cuộc rớt EMPD biểu thị sự tương quan giữa traffic và sự rớt mạch, nó phản ánh một cách rõ ràng chất lượng của hệ thống và có thể dùng làm thước đo chung cho các hệ thống sử dụng các thiết bị khác nhau và hoạt động ở những khu vực có đặc thù kinh tế khác nhau. Thời gian chiếm mạch trung bình (MHT – Mean Holding Time): MHT được định nghĩa như là thời gian chiếm mạch trung bình cho một lần chiếm mạch. Và nó có thể đươc tính như sau: MHT= Tổng thời gian chiếm mạch/ Tổng số lần chiếm mạch thành công. Đây cũng là một đại lượng tốt để tham khảo khi quan sát chất lượng của một hệ thống. Trong hệ thống GSM của Mobifone giá trị này trung bình nằm trong khoảng 60-70 giây. Tuy nhiên giá trị của MHT còn phụ thuộc vào mật độ của cell trên mạng: mật độ cell trên mạng càng cao thì MHT càng nhỏ và ngược lại Nếu như một lúc nào đó giá trị này trở nên rất cao (ví dụ 200 s chẳng hạn), điều đó có nghĩa là một số timeslot của cell đã bị “treo” hay nói cách khác là nó đã bị chiếm liên tục mặc dù không có cuộc gọi nào đang được thực hiện trên nó cả. Ngược lại trong một số trường hợp ta lại thấy MHT rất thấp (15 s chẳng hạn), khi đó nhất định là ta có vấn đề với cell - hoặc giả là chất lượng quá kém (do nhiễu hoặc phần cứng) hoặc vùng phủ sóng quá hẹp (do công suất tụt hay hỏng anten). Các chỉ tiêu chất lương cần đạt được trong mạng GSM: Các chỉ tiêu chất lượng mạng theo khuyến nghị của GSM cần phải đạt được các yêu cầu đề ra trong bảng sau: Thông số Khuyến nghị Alcatel Tỷ lệ rớt cuộc gọi (Drop Call Rate) Ê 4 % Tỷ lệ chuyển giao HO in # 90 % Tỷ lệ chuyển giao HO out # 90 % Tỷ lệ rớt SDCCH Ê 6 % Tỷ lệ nghẽn TCH Ê 2 % Tỷ lệ nghẽn SDCCH Ê 0,5 % Tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công CSSR # 92 % KẾT LUẬN Đồ án tốt nghiệp đã trình bày những nội dung cơ bản nhất về mạng thông tin di động GSM cùng một số phân tích, tính toán, thiết kế hệ thống trong việc thực hiện tối ưu hoá mạng vô tuyến GSM. Tối ưu hoá là một công việc khó khăn và đòi hỏi người thực hiện phải nắm vững hệ thống, ngoài ra cũng cần phải có những kinh nghiệm thực tế cùng với sự trợ giúp của nhiều phương tiện hiện đại để có thể giám sát, kiểm tra rồi từ đó mới đưa ra các công việc thực hiện tối ưu hoá. Sau thời gian nghiên cứu và hoàn thành đồ án em thấy tối ưu hoá là một mảng đề tài rộng, khó khăn trong thực tế do tính phức tạp của công việc và luôn cần thiết cho các mạng viễn thông hiện tại nói chung cũng mạng thông tin di động nói riêng. Khả năng ứng dụng của đề tài rất có ích cho những người làm công tác tối ưu hoá mạng, là cơ sở lý thuyết để phân tích và tiến hành, từ đó hoàn toàn có thể tìm ra giải pháp tối ưu khoa học nhất. Về phần mình, em tin tưởng rằng trong tương lai nếu được làm việc trong lĩnh vực này, em sẽ tiếp tục có sự nghiên cứu một cách sâu sắc hơn nữa về đề tài này. Bản luận án tốt nghiệp của em hiểu biết các vấn đề dựa trên lý thuyết là chính nên có thể có những thiếu sót. Em rất mong có được những ý kiến đánh giá, góp ý của các thầy cô và các bạn để thấy được những thiếu sót cũng như hạn chế của mình. Một lần nữa, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới Thầy giáo:. Nguyễn Tiến Khải đã trực tiếp hướng dẫn cùng các thầy cô giáo Khoa Công nghệ Điện tử - Thông tin, Viện Đại học Mở Hà Nội đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Hà Nội, ngày tháng năm 2010 Sinh viên thực hiện: Đoàn Thị Ngọc TàI LIệU THAM KHảO [1] TS Nguyễn Quốc Bình, Thông tin di động, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội 2008. [2] PTS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động GSM, Nhà xuất bản Bưu điện, Hà Nội 1999. [3] PTS Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động, Nhà xuất bản Bưu điện, Hà Nội 2002. [4] Phạm Công Hùng, Nguyễn Hoàng Hải, Tạ Vũ Hằng, Vũ Thị Minh Tú, Đỗ Trọng Tuấn, Vũ Đức Thọ, Nguyễn Văn Đức, Thông tin di động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 2007. [5] Vũ Đức Thọ, Tính toán mạng thông tin di động số CELLULAR, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội 1999. [6] J. Dahlin, Ericsson´s Multiple Reuse Pattern For DCS 1800, in Mobile Communications International, Nov., 1996. [7] Asha K. Mehrotra, GSM System Engineering, Artech House, Inc Boston London 1996. [8] Mục lục BảNG DANH SáCH Từ VIếT TắT 2 PHầN Mở ĐầU 5 Phần I . khái quát chung về mạng GSM 6 Chương I . cấu trúc địa lý của mạng GSM 6 Vài nét về lịch sử mạng GSM 6 Cấu trúc tổng thể 7 Vùng phục vụ GSM (Global System for Mobile Communications) 8 Vùng phục vụ PLMN (Public Land Mobile Network) 8 Vùng định vị LA (Location Area) 9 Tế bào (Ô - Cell) 9 Chương II. Hệ thống thông tin di động GSM 10 Mô hình hệ thống thông tin di động GSM 10 Các thành phần của mạng 10 Phân hệ trạm gốc BSS (Base Station Subsystem) 11 Phân hệ chuyển mạch SS (Switching Subsystem) 13 Phân hệ khai thác và bảo dưỡng OSS (Operation and Support System) 16 Trạm di động MS (Mobile Station): 17 Giao diện vô tuyến số (Air Interface) 18 Kênh vật lý 18 Kênh logic 19 Các mã nhận dạng sử dụng trong hệ thống GSM 21 Phần II. Công tác tối ưu hoá trong mạng GSM 26 Chương III. Dung lượng và chất lượng phủ sóng trong mạng gsm 26 Lý thuyết dung lượng và cấp độ dịch vụ 26 Lưu lượng và kênh vô tuyến đường trục 26 Cấp độ dịch vụ – GoS (Grade of Service) 27 Hiệu suất sử dụng trung kế (đường trục) 28 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng phủ sóng: 29 3.2.1 Tổn hao đường truyền sóng vô tuyến 29 3.2.2 Vấn đề Fading 34 3.2.3 ảnh hưởng nhiễu C/I và C/A 34 3.2.4 Phân tán thời gian 38 Chương IV. PHƯƠNG THỨC VÀ SỐ LIỆU HỆ THỐNG THễNG TIN DI ĐỘNG 42 Hệ thống thông tin di động tế bào 42 Quy hoạch Cell 44 Khái niệm tế bào (Cell): 44 Kích thước Cell và phương thức phủ sóng 44 Chia Cell (Cell Splitting): 46 Quy hoạch tần số: 51 Tái sử dụng tần số 51 Các mẫu tái sử dụng tần số: 54 Thay đổi quy hoạch tần số theo phân bố lưu lượng: 58 Thiết kế tần số theo phương pháp MRP (Multiple Reuse Patterns): 61 Antenna 67 Kiểu loại anten: 67 Độ tăng ích anten (Gain of an Antenna): 68 Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương – EIRP: 68 Độ cao và góc nghiêng (down tilt) của anten: 69 Chuyển giao cuộc gọi (Handover): 71 Phân loại Handover 72 Khởi tạo thủ tục Handover: 74 Quy trình chuyển giao cuộc gọi: 75 Chương V. Những chỉ tiêu chất lượng trong mạng GSM 79 Khái niệm về chất lượng dịch vụ QoS 79 Các đại lượng đặc trưng: 79 Tỷ lệ thiết lập cuộc gọi thành công CSSR (Call Setup Successful Rate) 79 Tỷ lệ rớt cuộc gọi trung bình (Average Drop Call Rate - AVDR): 79 Tỷ lệ rớt mạch trên TCH (TCH Drop Rate - TCDR): 80 Tỷ lệ nghẽn mạch TCH (TCH Blocking Rate - TCBR): 80 Tỷ lệ rớt mạch trên SDCCH (SDCCH Drop Rate - CCDR) 83 Tỷ lệ nghẽn mạch trên SDCCH (SDCCH Blocking Rate - CCBR): 83 Một số đại lượng đặc trưng khác: 83 Các chỉ tiêu chất lương cần đạt được trong mạng GSM: 86 KẾT LUẬN 87 TàI LIệU THAM KHảO 88