Cải thiện chất lượng phục vụ của mạng bằng hình thức mượn kênh

CHƯƠNG 4 CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG PHỤC VỤ CỦA MẠNG BẰNG HÌNH THỨC MƯỢN KÊNH Nội dung chính của Chương 4 sẽ gồm các phần sau: trước tiên khái niệm về chất lượng mạng cũng như các yếu tố quyết định đến chất lượng phục vụ của mạng sẽ được tìm hiểu. Trong hệ thống thông tin di động, truyền dẫn vô tuyến đóng một vai trò rất quan trọng, do đó, tìm hiểu những yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn vô tuyến sẽ là nội dung tiếp theo. Ở nội dung này, ảnh hưởng của nhiễu cùng kênh, nhiễu cận kênh đã nhắc đến ở Chương 3, ảnh hưởng của tạp âm, và các mô hình truyền sóng cũng sẽ được tìm hiểu. Nội dung tiếp theo của chương sẽ đề cập đến các phương pháp cải thiện chất lượng phục vụ của mạng. Phần cuối cùng của chương sẽ đưa ra một mô hình cụ thể trong đó có sử dụng phương thức mượn kênh để tăng chất lượng phục vụ của hệ thống. 4.1. Các chỉ tiêu chất lượng phục vụ của mạng 4.1.1. Khái niệm Chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Services) của một mạng viễn thông thể hiện mức độ hài lòng của người sử dụng các dịch vụ trên mạng đó. Ta không thể đo được mức độ hài lòng này. Tuy nhiên, ta biết rằng, chất lượng dịch vụ được đảm bảo nhờ chất lượng mạng, [29]. Theo định nghĩa của ITU tại khuyến nghị E.800, chất lượng mạng là năng lực của một mạng (hoặc một phần của mạng) thực hiện các chức năng có khả năng truyền thông giữa những người sử dụng. Theo quan điểm công nghệ, chất lượng mạng là các tham số thể hiện năng lực của mạng, nó có thể được tính toán, đo lường, điều khiển để đảm bảo chất lượng các dịch vụ cung cấp trên mạng, [29]. 4.1.2. Các yếu tố quyết định đến chất lượng phục vụ của mạng Chất lượng mạng thể hiện qua chất lượng chuyển mạch, chất lượng truyền dẫn và độ tin cậy của mạng, [29]. 4.1.2.1. Chất lượng chuyển mạch Chất lượng chuyển mạch được thể hiện thông qua thời gian cần thiết để thiết lập kết nối và chất lượng của kết nối. Trong các mạng viễn thông, một số lượng lớn người sử dụng cùng chia sẻ một số lượng hữu hạn các phần tử mạng. Nhu cầu người sử dụng xuất hiện ngẫu nhiên nên sinh ra hiện tượng xếp hàng đợi, dẫn đến trễ, tắc nghẽn và tổn thất cuộc gọi. Chất lượng chuyển mạch được quyết định bởi cấu trúc mạng, khả năng xử lý của các nút mạng và lưu lượng phát sinh trên mạng. Thông thường, chất lượng chuyển mạch được thể hiện qua tổn thất và trễ, [29]. Tổn thất là các cuộc gọi hoặc gói dữ liệu bị mất do tắc nghẽn lưu lượng tại trường chuyển mạch hoặc trên các nhóm trung kế hay người được gọi bận. Tổn thất thường được diễn tả bởi xác suất tổn thất (tỷ lệ mất cuộc gọi). Về mặt lý thuyết, xác suất tổn thất cuộc gọi có thể xác định qua công thức Erlang B, [29]. Trễ là khoảng thời gian mà các cuộc gọi phải chờ để được thiết lập kết nối do nhu cầu cần được xử lý lớn hơn năng lực của hệ thống. Trong mạng chuyển mạch kênh, đó là khoảng thời gian từ khi người gọi bắt đầu cuộc gọi đến khi nhận được âm quay số, thời gian từ khi quay số đến khi gửi đi tín hiệu chuông nghe rõ (trễ quay số), hay thời gian từ khi kết thúc cuộc gọi đến khi trạng thái sẵn sàng cho cuộc gọi khác (trễ khôi phục). Trong mạng chuyển mạch gói, trễ bao gồm trễ chuyển mạch, trễ tháo/đóng gói. Trễ được đặc trưng bởi thời gian trễ trung bình hay xác suất trễ. Về mặt nguyên tắc, nó được tính bằng công thức Erlang C hay đo thử nghiệm, [29]. Trong các hệ thống có tổn thất, khi các cuộc gọi đến lớn hơn khả năng xử lý của hệ thống sẽ lập tức bị từ chối (hiện tượng tổn thất xảy ra). Ngược lại, trong các hệ thống có trễ, khi các cuộc gọi đến lớn hơn khả năng xử lý của hệ thống thì cuộc gọi sẽ được đưa vào hàng đợi tại các bộ đệm (cuộc gọi bị trễ chứ không bị mất). Tuy nhiên, nếu các cuộc gọi xếp hàng quá nhiều và lớn hơn dung lượng bộ đệm tại hàng đợi thì vẫn có hiện tượng tổn thất xảy ra, [29]. 4.1.2.2. Chất lượng truyền dẫn Chất lượng truyền dẫn biểu thị mức độ chính xác của việc truyền dẫn thông tin trên mạng, là yếu tố chính quyết định độ trung thực của tín hiệu tại đầu thu so với đầu phát. Trong mạng thoại, chất lượng truyền dẫn quyết định đến chất lượng tiếng, bao gồm độ rõ và âm lượng âm thanh. Trong các hệ thống truyền dẫn số, chất lượng truyền dẫn được thể hiện bằng các tham số như: tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate), tỷ lệ lỗi gói PER (Packet Error Rate), phần trăm giây lỗi ES% (Errored Second), hay phần trăm giây lỗi nghiêm trọng SES% (Severely Errored Second), [29]. 4.1.2.3. Độ ổn định của mạng Độ ổn định của mạng chỉ ra độ tin cậy của mạng, tức là khả năng mạng thực hiện được các chức năng theo yêu cầu. Trong các mạng viễn thông, độ tin cậy của các tổng đài, các đường truyền dẫn cũng như các thiết bị ngoại vi khác quyết định độ ổn định của mạng. Việc phân tích, tính toán độ ổn định của mạng có thể thực hiện dựa trên các nguyên lý của hệ thống và lý thuyết về độ tin cậy, [29]. 4.1.3. Các tham số đặc trưng cho chất lượng phục vụ của mạng Theo các khuyến nghị của ITU-T và các tiêu chuẩn trong nước, khi phân tích, đánh giá chất lượng mạng viễn thông, chúng ta thường quan tâm đến các tham số sau: các tham số chất lượng chuyển mạch, các tham số chất lượng truyền dẫn, và các tham số của độ ổn định. 4.1.3.1. Các tham số chất lượng chuyển mạch Xác suất tổn thất bên trong tổng đài là xác suất không thể thiết lập một kết nối giữa một trung kế vào và bất kỳ trung kế ra nào đó của tổng đài, [29]. Trễ đáp ứng vào là khoảng cách thời gian tính từ thời điểm có một tín hiệu đến đầu vào tổng đài tới thời điểm tổng đài bị gọi gửi tổng đài gọi một tín hiệu sẵn sàng nhận, [29]. Trễ thiết lập cuộc gọi là khoảng thời gian tính từ thời điểm tổng đài bị gọi nhận được thông tin địa chỉ cần thiết cho việc thiết lập cuộc gọi tới thời điểm tín hiệu báo chiếm hoặc thông tin địa chỉ tương ứng được gửi tới tổng đài kế tiếp, [29]. Trễ chuyển mạch là khoảng thời gian tính từ thời điểm hoàn thành việc gửi tín hiệu quay số tới khi thiết lập đường liên lạc qua tổng đài giữa các trung kế vào và ra, [29]. 4.1.3.2. Các tham số chất lượng truyền dẫn Tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) là tỷ số giữa tổng số bit bị lỗi trên tổng số bit gửi đi, [29]. Tỷ lệ mất gói PLR (Packet Loss Rate) là tỷ số giữa tổng số gói bị mất trên tổng số gói gửi đi (trong chuyển mạch gói), [29]. Tỷ lệ chèn gói PIR (Packet Insertion Rate) là tỷ lệ giữa tổng số gói chèn vào đích nhầm trên tổng số gói gửi đi (trong chuyển mạch gói), [29]. Tỷ lệ lỗi gói PER (Packet Error Rate) là tỷ số giữa số gói bị lỗi trên tổng số gói gửi đi (trong chuyển mạch gói). Trong các mạng hoạt động dựa theo nguyên lý chuyển mạch gói, một nhóm các lỗi có thể xảy ra làm cho các gói thông tin bị mất hoặc bị định tuyến nhầm, [29]. Giây bị lỗi ES (Errored Second) là giây trong khoảng thời gian khả dụng có tỷ lệ lỗi bit nhỏ hơn 10-3, [29]. Giây bị lỗi nghiêm trọng SES (Severely Errored Second) là giây trong khoảng thời gian khả dụng có tỷ lệ lỗi bit lớn hơn hoặc bằng 10-3, [29]. Phút suy giảm chất lượng DM (Degrated Minute) là khoảng thời gian được tính như sau: trong khoảng thời gian khả dụng, tất cả các giây bị lỗi nghiêm trọng được loại bỏ, các giây còn lại được nhóm liên tiếp thành từng khối 60 giây và các khối này được gọi là “phút”. Một phút suy giảm chất lượng là phút có tỷ lệ lỗi bit lớn hơn 10-6, [29]. Rung pha (Jitter) là hiện tượng mà trong đó pha của chuỗi xung trở nên không ổn định trong một thời gian ngắn. Rung pha phát sinh từ sự thay đổi đầu vào của các mạch đối với việc tách xung thời gian, hay từ sự đồng bộ bit/ khung của các thiết bị trạm đầu cuối. Sự tích lũy của rung pha sẽ dẫn tới lỗi bit, [29]. Lệch pha (Wander) là hiện tượng mà trong đó pha của chuỗi xung trở nên không ổn định một thời gian tương đối dài hơn so với rung pha, [29]. Trượt bit (Bits Slip) là hiện tượng mà trong đó thông tin liên lạc của chuỗi thông tin được nhắn bị biến mất hay gối lên nhau, [29]. 4.1.3.3. Các tham số của độ ổn định Độ khả dụng của các kênh điện thoại: cho biết toàn bộ các kênh điện thoại bao gồm phương tiện truyền dẫn, các tổng đài có khả năng hoàn thành các chức năng của chúng tại bất kỳ thời điểm nào, [29]. Độ khả dụng thiết bị tổng đài điện thoại cho biết mức độ hoạt động bình thường (không có sự cố) của tổng đài điện thoại, [29]. Độ khả dụng mạng cáp ngoại vi cho biết mức độ hoạt động bình thường (không có sự cố tính từ giá phối dây chính của tổng đài tới các hộp đấu dây) của mạng ngoại vi, [29]. Thời gian khắc phục sự số là thời gian tính từ thời điểm phát hiện sự cố trên mạng tới thời điểm sửa chữa xong sự cố, [29]. Thời gian khả dụng là thời gian hệ thống có khả năng thực hiện chức năng quy định. Các khoảng thời gian 1 giây được tính là thời gian đơn vị để xem xét tỷ lệ lỗi bit. Sự chuyển đổi từ thời gian khả dụng sang thời gian không khả dụng được bắt đầu bởi 10 giây liên tiếp, trong mỗi giây đó có tỷ lệ lỗi bit lớn hơn 10-3. 10 giây này sẽ thuộc về thời gian không khả dụng. Sự chuyển đổi từ thời gian không khả dụng sang thời gian khả dụng được bắt đầu bởi 10 giây liên tiếp, trong mỗi giây đó có tỷ lệ lỗi bit nhỏ hơn 10-3. 10 giây này sẽ thuộc về thời gian khả dụng, [29]. 4.1.4. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng phục vụ của mạng Trong mạng viễn thông, để truyền thông tin một cách tin cậy, mạng phải đảm bảo hai chỉ tiêu là tính trong suốt về mặt nội dung và tính trong suốt về mặt thời gian. Tính trong suốt về mặt nội dung: tính trong suốt về mặt nội dung đảm bảo cho mạng khả năng truyền thông tin một cách chính xác từ nguồn tới đích với số lỗi cho phép, [29]. Tính trong suốt về mặt thời gian: tính trong suốt về mặt thời gian đảm bảo độ trễ đủ nhỏ cho các dịch vụ thông tin trên mạng, đặc biệt là các dịch vụ thời gian thực. Tính trong suốt về mặt thời gian chủ yếu phụ thuộc vào chất lượng truyền dẫn của mạng, [29]. Hai chỉ tiêu trên được cụ thể hóa thành các chỉ tiêu chất lượng. Tiêu chuẩn chất lượng chỉ rõ mục tiêu của chất lượng dịch vụ được cung cấp cho người sử dụng. Nó biểu thị sự thực hiện mà mạng lưới viễn thông phải có để hoàn thành dịch vụ của nó. Thông thường, tiêu chuẩn chất lượng quy định giá trị tối thiểu (hoặc tối đa) mà các tham số đặc trưng của mạng phải đạt được để làm cơ sở đánh giá chất lượng mạng. Tiêu chuẩn chất lượng còn là tiêu chí để quy hoạch, thiết kế và quản lý mạng viễn thông. Ngoài ra, các doanh nghiệp cung cấp dịch vụ viễn thông phải thống nhất với nhau về chất lượng kết nối mạng tại điểm kết nối để đảm bảo chỉ tiêu chất lượng mạng trên diện rộng. Để đảm bảo chất lượng mạng viễn thông, các tiêu chuẩn quốc tế về chất lượng mạng đã được xác định bởi liên minh viễn thông quốc tế ITU-T và ủy ban tư vấn quốc tế về vô tuyến CCIR (Comité Consultatif International de Radio et Television), nó được chỉ ra dưới dạng khuyến nghị. Trên cơ sở các tiêu chuẩn quốc tế và các điều kiện thực tế ở mỗi nước, các cơ quan quản lý nhà nước về mạng ban hành các tiêu chuẩn phù hợp để quản lý chất lượng của quốc gia mình, [29]. 4.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn vô tuyến Thông tin di động sử dụng môi trường vô tuyến để truyền dẫn, đây là môi trường truyền dẫn hở nên có nhiều yếu tố làm suy giảm chất lượng truyền dẫn. 4.2.1. Ảnh hưởng của tạp âm Có thể coi tạp âm là những quấy rối không mong muốn trong băng tần sử dụng từ những nguồn khác nhau với những đặc tính khác nhau; tạp âm được chia làm 2 loại là tạp âm cộng và tạp âm nhân. Cách phân loại này dựa vào cách mà nó ảnh hưởng đến tín hiệu lan truyền trong môi trường, [25]. 4.2.1.1. Tạp âm cộng Tạp âm cộng được cộng chồng lên tín hiệu lan truyền. Có nhiều loại tạp âm cộng khác nhau, nhưng ở đây, chúng ta chỉ chú ý đến loại tạp âm vô tuyến, trong đó, quan trọng hơn cả là tạp âm khí quyển, tạp âm vũ trụ, tạp âm nhân tạo và tạp âm trong máy thu, [25]. Tạp âm khí quyển chủ yếu là do các hiện tượng phóng điện gây ra và chỉ ảnh hưởng mạnh ở dải tần dưới 20Mhz. Tạp âm vũ trụ có nguồn gốc ngoài trái đất, chủ yếu là do bức xạ mặt trời và ảnh hưởng mạnh trong dải tần từ 15MHz - 100MHz. Còn tạp âm nhân tạo là do các hoạt động hàng ngày như moto điện, đèn huỳnh quang, nó chỉ ảnh hưởng trong vùng đông dân cư như các thành phố lớn, các công trình xây dựng, [25]. 4.2.1.2. Tạp âm nhân Tạp âm nhân lại được xem như là quá trình điều biến tín hiệu bởi nhiễu. Đối với môi trường di động, tạp âm thường được thể hiện dưới dạng tạp âm nhân, và lúc đó, tín hiệu được xem như bị điều chế bởi tạp âm hay người ta gọi đó là Fading. Fading là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần tại anten thu do có sự thay đổi không đồng đều về chỉ số khúc xạ của khí quyển, các phản xạ của đất và nước trên đường truyền sóng vô tuyến, [25]. Người ta chia Fading thành hai loại là Fading chậm và Fading nhanh. Fading chậm làm tín hiệu bị suy hao và các đặc tính suy hao của cường độ trường phụ thuộc vào các tham số truyền dẫn. Fading nhanh thường là kết quả của các hiện tượng đa đường, tín hiệu tổng hợp thu được tại phía thu là tổng các tín hiệu đến máy di động từ các hướng khác nhau, các tín hiệu này có biên độ và pha thay đổi ngẫu nhiên và ở mỗi thời điểm nó có thể được tăng cường hoặc bị suy giảm mạnh. Đối với Fading nhanh, người ta chia thành hai loại: khi tín hiệu tổng hợp là tổng của các tia không trực tiếp thì đó là Fading Rayleigh; khi tín hiệu tổng hợp bao gồm cả tia trực tiếp và không trực tiếp thì đó là Fading Rice, [25]. Bên cạnh tạp âm thì nhiễu vô tuyến là một trong những vấn đề quan trọng bậc nhất trong thiết kế, khai thác và bảo trì các hệ thống thông tin di động. Do sự tăng trưởng nhanh chóng về số lượng các hệ thống thông tin vô tuyến, nên không thể đảm bảo là một hệ thống nào đó không gây nhiễu hoặc bị nhiễu từ các hệ thống khác. 4.2.2. Ảnh hưởng của can nhiễu Một đặc điểm của hệ thống thông tin di động tế bào là các kênh tần số đang sử dụng ở cell này có thể được sử dụng ở các cell khác trong một khoảng cách nhất định, do đó, sẽ xuất hiện hai loại nhiễu chính trong thông tin di động là nhiễu cùng kênh CCI (Co-channel Interference) và nhiễu kênh lân cận ACI (Adjacent Channel Interference). 4.2.2.1. Ảnh hưởng của nhiễu cùng kênh Nếu hai tần số được sử dụng trong hai cell khác nhau mà hai cell này gần nhau về mặt địa lý thì điều này có thể gây ra nhiễu vô tuyến, làm méo các tín hiệu. Hiện tượng này được gọi là nhiễu cùng kênh, nó có thể làm giảm tỷ số tín hiệu trên tạp âm tới một mức độ mà tín hiệu không còn phân biệt với tạp âm được nữa. Nhiễu cùng kênh xảy ra khi cả hai máy phát phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh. Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát, [3]. Tỉ số sóng mang trên nhiễu được định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu. C/I = 10log(Pc/Pi) (4.1) Trong đó: Pc là công suất tín hiệu thu mong muốn Pi là công suất nhiễu thu được, [3]. Theo khuyến nghị của GSM giá trị C/I bé nhất mà máy di động vẫn có thể làm việc tốt là 9 dB. Trong thực tế, người ta nhận thấy rằng giá trị này cần thiết phải lên đến 12 dB ngoại trừ nếu sử dụng kỹ thuật nhảy tần thì mới có thể làm việc ở mức C/I là 9dB. Ở mức C/I thấp hơn thì tỷ lệ lỗi bit BER sẽ cao không chấp nhận được và mã hoá kênh cũng không thể sửa lỗi một cách chính xác được, [3]. Tỉ số C/I được dùng cho các máy di động phụ thuộc rất lớn vào việc quy hoạch tần số và mẫu tái sử dụng tần số, [3]. Trong thông tin di động, không chỉ có nhiễu đồng kênh ảnh hưởng nhiều đến chất lượng thoại mà nhiễu kênh lân cận cũng có tác động không ít. 4.2.2.2. Ảnh hưởng của nhiễu cận kênh Nhiễu kênh lân cận xảy ra khi sóng vô tuyến được điều chỉnh và thu riêng kênh C, song lại chịu nhiễu từ kênh lân cận C-1 hoặc C+1. Mặc dù thực tế, sóng vô tuyến không được chỉnh để thu kênh lân cận đó, nhưng nó vẫn cho phép kênh lân cận gây nhiễu không đáng kể tới kênh mà máy thu đang điều chỉnh. Tỉ số sóng mang trên kênh lân cận được định nghĩa là cường độ của sóng mang mong muốn trên cường độ của sóng mang kênh lân cận, [3]. C/A = 10.log(Pc/Pa) (4.2) Trong đó: Pc là công suất thu tín hiệu mong muốn. Pa là công suất thu tín hiệu của kênh lân cận. Mặc dù mã hoá kênh GSM bao gồm việc phát hiện lỗi và sửa lỗi, nhưng để việc đó thành công thì cũng có giới hạn đối với nhiễu. Theo khuyến nghị của GSM, để cho việc quy hoạch tần số được tốt thì giá trị C/A nhỏ nhất nên lớn hơn - 9 dB, [3]. Cả hai tỉ số C/I và C/A đều có thể được cải thiện bằng việc sử dụng quy hoạch cấu trúc tần số. Vùng phủ sóng của trạm gốc sẽ bị giới hạn bởi nhiễu hơn là do tạp âm thông thường. Một vấn đề trong thiết kế hệ thống tổ ong là điều khiển các loại nhiễu này ở mức chấp nhận được. Điều này được thực hiện một phần bởi việc điều khiển khoảng cách sử dụng lại tần số. Khoảng cách này càng lớn thì nhiễu càng bé. Để chất lượng thoại luôn được đảm bảo, thì mức thu của sóng mang mong muốn C phải lớn hơn tổng mức nhiễu đồng kênh và mức nhiễu kênh lân cận. Một số biện pháp khắc phục nhiễu cùng kênh Vấn đề nhiễu cùng kênh là một thách thức lớn với hệ thống thông tin di động tế bào. Có các phương pháp để giảm nhiễu cùng kênh như: tăng cự ly sử dụng lại tần số, hạ thấp độ cao anten trạm gốc, hoặc sử dụng anten định hướng ở BTS. Với phương pháp thứ nhất: việc tăng cự ly sử dụng lại tần số sẽ làm giảm nhiễu cùng kênh, tuy nhiên, khi đó, số cell trong mỗi mẫu sẽ tăng, tương ứng với số kênh tần số dành cho mỗi cell sẽ giảm và như vậy, dung lượng phục vụ sẽ giảm xuống. Phương pháp thứ hai, việc hạ thấp anten trạm gốc làm cho ảnh hưởng giữa các cell dùng chung tần số sẽ được giảm bớt và như vậy, nhiễu cùng kênh cũng được giảm bớt. Tuy nhiên, việc hạ thấp anten sẽ làm ảnh hưởng của các vật cản tới chất lượng của hệ thống trở nên nghiêm trọng hơn. Phương pháp thứ 3 có hai ích lợi: một là biện pháp làm giảm nhiễu cùng kênh trong khi cự ly sử dụng lại tần số không đổi, hai là tăng dung lượng hệ thống. Phương pháp này sẽ được trình bày trong phần sau. Ngoài ra, các kỹ thuật khác như: điều khiển công suất phát sóng kiểu động, truyền phát gián đoạn, hay nhảy tần cũng làm cải thiện thêm đáng kể tỷ số C/ I của hệ thống, [3]. 4.2.3. Tổn hao đường truyền sóng vô tuyến Do đặc điểm của hệ thống thông tin di động là các trạm di động luôn di chuyển, nên địa hình truyền sóng luôn thay đổi; điều này làm cho việc dự đoán tổn hao đường truyền sóng trong thông tin di động luôn gặp khó khăn. Người ta phải tính toán làm cách nào để các trạm di động sẽ phải ở vào những vị trí tốt nhất để có thể thu được các tia phản xạ. 4.2.3.1. Tính toán lý thuyết Cách đơn giản, ta coi không gian truyền sóng là không gian tự do. Giả thiết rằng, không có tia phản xạ và sóng vô tuyến được truyền trong không gian tự do. Với anten vô hướng, Công thức (4.3) được dùng để tính suy hao đường truyền trong không gian tự do: Lf = 20log(4pd /l) [dB] (4.3) Công thức (4.3) có thể được viết lại như sau: Lf = 32,5 + 20logd + 20logf [dB] (4.4) Trong đó: d là khoảng cách từ anten phát đến anten thu (km). f là tần số làm việc (MHz). Những công thức lý thuyết đơn giản trên không còn phù hợp trong môi trường di động nữa, nơi mà truyền sóng do nhiều đường là chủ yếu. Những sóng này cũng bị tán xạ, nhiễu xạ, suy giảm do nhiều trạng thái khác nhau của cả vật thể cố định và vật thể chuyển động. Hơn nữa, sự khúc xạ tầng đối lưu làm đường truyền sóng bị uốn cong. Mô hình mặt đất được trình bày như trong Hình 4-1 cho thấy tổng tín hiệu đến trong máy thu bao gồm thành phần đến trực tiếp cộng với thành phần phản xạ từ mặt đất, [3]. Nguồn: Hoàng Anh Dũng, “Tối ưu hóa và quy hoạch mạng GSM”, đồ án tốt nghiệp, ĐH BK Hà Nội Hình 4-1. Truyền sóng trong trường hợp coi mặt đất là bằng phẳng. Ta có Công thức (4.5) để tính suy hao đường truyền: L = 20.log(d2 /h1.h2 ) (4.5) Nhưng trong thực tế, khoảng không gian giữa máy thu và máy phát thường có các vật chắn được trình bày như trong Hình 4-2. Theo lý thuyết về truyền sóng vô tuyến, một chướng ngại vật sẽ làm suy giảm cường độ của tín hiệu truyền thẳng. Nguồn: Hoàng Anh Dũng, “Tối ưu hóa và quy hoạch mạng GSM”, đồ án tốt nghiệp, ngành Điện tử-viễn thông, ĐH Bách khoa Hà Nội Hình 4-2. Vật chắn trong tầm nhìn thẳng. Trên thực tế, các loại địa hình truyền sóng rất phức tạp, không một công thức nào có thể đề cập được hết các loại địa hình này. Vì vậy, đã xuất hiện những mô hình truyền sóng nhờ những đo đạc thực tế của các nhà khoa học. Những kết quả từ những phép đo được chuyển thành những đồ thị chỉ ra mối quan hệ giữa cường độ trường và khoảng cách với một số biến như: chiều cao anten, hay loại địa hình, [3]. 4.2.3.2. Các mô hình truyền sóng trong hệ thống thông tin di động Một số mô hình thực nghiệm đã được đề xuất và được sử dụng để dự đoán các tổn hao truyền sóng. Ta xét một số mô hình được sử dụng rộng rãi như sau: Mô hình truyền sóng Hata [2] Lp(đô thị ) = 69,55 + 26,16.lg(f) – 13,82.lg(hb) – a(hm) + [44,9 – 6,55lg(hb)].lg(d) (4.6) Trong đó: Lp(đô thị) : suy hao đường truyền đối với đô thị đông dân [dB] f : tần số sóng mang (150¸1500) MHz hb : chiều cao của anten trạm gốc (30¸200) m a(hm) : hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten máy di động (1¸10) m d : khoảng cách từ trạm gốc đến máy di động (1¸20) km Hệ số hiệu chỉnh anten a(hm) được tính : Đối với thành phố nhỏ và trung bình: a(hm) = (1,1.lgf – 0,7).hm – (1,56.lgf – 0,8) (dB) (4.7) Đối với thành phố lớn: a(hm) = 8,29(lg1,54hm)2 – 1,1 (dB) (4.8) với f ≤ 200 MHz Hay: a(hm) = 3,2(lg11,75hm)2 – 4,97 (dB) (4.9) với f ≥ 400 MHz Và công thức tính suy hao cho vùng ngoài đô thị: Lp(ngoại ô) = Lp(đô thị) – 2.[lg(f/28)]2 – 5,4 (4.10) Lp(nông thôn) = Lp(đô thị) – 4,78(lgf)2 + 18,33.lgf – 40,49 (4.11) Mô hình Hata được sử dụng rộng rãi, nhưng trong các trường hợp đặc biệt, như nhà cao tầng phải sử dụng Microcell với anten lắp đặt dưới mái nhà cần phải sử dụng mô hình khác được giới thiệu tiếp theo, [3]. Mô hình COST 231 Cộng tác nghiên cứu khoa học và công nghệ COST (Collaborative studies in Science and Technology) được sự bảo trợ của EU; một Microcell được COST231 định nghĩa là một cell nhỏ với phạm vi từ 0,5 đến 1 km, trong phạm vi này, anten gốc nói chung được đặt thấp hơn độ cao của toà nhà cao nhất. Anten trạm gốc của cell lớn hoặc cell nhỏ nói chung đều được đặt phía trên của tòa nhà cao nhất. Cell nhỏ của GSM được giới hạn trong phạm vi bán kính khoảng 1¸3 km, trái lại cell lớn có thể mở rộng phạm vi bán kính lên tới 35 km. Dựa trên cơ sở này, COST đưa ra mô hình Hata COST231, [3]. Mô hình Hata COST231 Mô hình này được thiết kế để hoạt động trong dải tần từ 1500¸2000 MHz ở đô thị hoặc ngoại ô, ta có Công thức (4.12) Lp = 46,3 + 33,9.logf –13,82.loghb – a(hm) + (44,9 – 6,55.loghb).logd + Cm (4.12) Trong đó: Lp : suy hao đường truyền ( dB ) f : tần số hoạt động ( MHz ) hb : độ cao anten trạm gốc ( m ) hm : độ cao anten máy di động ( m ) a(hm) : hệ số hiệu chỉnh anten d : khoảng cách từ trạm gốc đến máy di động ( km ) Cm = 0 dB đối với thành phố cỡ trung bình hoặc trung tâm ngoại ô = 3 dB đối với trung tâm đô thị , [3]. Mô hình SAKAGAMIKUBOL Đây là mô hình được phát triển dựa trên kết quả của mô hình Okumura. Công thức của mô hình này là: Lp = 100 – 7,1.lg(W) + 0,023.f + 1,4.lg(hs) + 6,1.lg(H) – [24,37 –3,7.(H/hb)2]. lg(hb) + (43,42 – 3,1.lg(hb).lg(d) + 20lg(f) + exp[13(lg(f) – 3,23)] (4.13) Trong đó: Lp : suy hao [dB] W : bề rộng của đường tại điểm thu ( 5¸50 m ) f : góc giữa trục của đường với đường thẳng nối từ anten trạm gốc đến máy di động hs : độ cao của tòa nhà có đặt anten trạm gốc phía điểm thu (5¸80 m) H : độ cao trung bình của các toà nhà xung quanh điểm thu (5¸50 m) hb : độ cao của anten trạm gốc tại điểm thu (20¸100 m) H : độ cao trung bình của các tòa nhà xung quanh trạm gốc (H > hb) d : khoảng cách giữa trạm gốc và điểm thu (0,5¸10 km) f : tần số hoạt động (450¸2200 MHz) [3] 4.3. Các phương pháp cải thiện chất lượng phục vụ của mạng Trong thời đại công nghệ thông tin hiện nay, yêu cầu đối với các dịch vụ thông tin di động liên tục tăng lên nhanh chóng cả về chất lượng dịch vụ lẫn dung lượng hệ thống. Điều này bắt buộc các nhà cung cấp dịch vụ phải tìm kiếm các công nghệ mới nhằm sử dụng một cách hiệu quả nhất phổ tần của họ và nâng cao dung lượng hệ thống cũng như chất lượng dịch vụ. Hai phương pháp để nâng cao chất lượng phục vụ của mạng được sử dụng phổ biến sẽ được trình bày trong nội dung tiếp sau đây. 4.3.1. Phương pháp tích cực Trong phương pháp tích cực, chúng ta sẽ tìm hiểu về phương thức tách cell và phương thức sử dụng anten định hướng. 4.3.1.1.Tách cell Khi số lượng thuê bao tăng lên, sẽ đòi hỏi nhiều cell nhỏ hơn để phục vụ nhu cầu ngày càng tăng trong một số vùng, như là trung tâm của thành phố. Ta thấy rằng, nếu thay thế toàn bộ cơ sở hạ tầng của hệ thống bằng một hệ thống các cell có bán kính nhỏ hơn thì sẽ rất tốn kém, do đó, người ta nghĩ đến việc chia các cell có bán kính lớn thành các cell có bán kính nhỏ hơn. Tách cell là một phương pháp được sử dụng nhằm làm tăng dung lượng của hệ thống. Khi một cell đã đạt đến điểm không thể phục vụ được lưu lượng tăng thêm thì các máy phát mới với công suất thấp hơn được thiết lập và mỗi máy phát này sẽ phủ sóng một khu vực nhỏ hơn bên trong cell trước đây. Khi cell lớn được chia tách thành các cell nhỏ, máy phát của cell lớn không bị bỏ đi mà nó được sử dụng để phục vụ phạm vi mới bằng cách giảm công suất phát. Bằng việc chia cell thành các cell nhỏ hơn, các kênh có thể được tái sử dụng một cách hiệu quả hơn, do đó, số lượng người sử dụng sẽ tăng lên đáng kể. Với phương thức tách cell, hệ thống có thể bắt đầu với một số ít các cell và sự đầu tư thiết bị ban đầu có thể là rất thấp. Khi số lượng người dùng tăng lên, các cell mới và thiết bị có thể được bổ sung, hơn nữa, việc bổ sung các cell nhỏ hơn sẽ chỉ cần thiết trong các khu vực có mật độ lưu lượng cao. Việc tách cell được thể hiện như trong Hình 4-3. Giả sử cell cần tách là cell A, có bán kính phủ sóng là R. Ta tách cell A thành các cell nhỏ hơn có bán kính là r =R/2 và đánh số như Hình 4-3 (cell A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7). Trong các cell nhỏ này, có một cell nằm tại trung tâm của cell cũ (cell A1), còn các cell khác (từ A2 đến A7) có tâm nằm trên các trung điểm của các cạnh thuộc cell A. Như vậy, từ cell A ban đầu tách được 7 cell mới và các cell mới này phủ sang 6 cell lân cận của cell A một nửa diện tích của mình. Nên có thể xem từ một cell A, ta có thể tách được 4 cell mới. C D F G B A2 A3 A4 A6 A7 A A1 A E A5 Nguồn: Ngô Thế Anh, Bài giảng “tận dụng tài nguyên tần số trong mạng thông tin di động”- Trường ĐH GTVT-CSII Hình 4-3. Nguyên lý tách cell. Tại cell A1 có hai anten: một anten dùng để phát cho mẫu cũ (mẫu N= 7 với các cell là A,B,C,D,E,F,G); và một anten được sử dụng để phát cho các cell mới (với các cell A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7). Hay có thể nói, nhóm kênh phân bổ cho A được chia thành 2 nhóm: một nhóm được sử dụng cho mẫu cũ, một nhóm được sử dụng cho các cell mới. Việc tách cell phải đảm bảo chất lượng và chi phí trên cơ sở hạ tầng cũ. Mặc dù tách cell có thể làm tăng dung lượng của hệ thống, cải thiện được vấn đề lưu lượng tại những nơi có mật độ lưu lượng cao, nhưng nó cũng tồn tại một số hạn chế: khó khăn trong việc tìm vị trí để đặt các trạm BTS mới và chi phí của việc lắp đặt thêm nhiều máy phát nhỏ; khi chia tách cell như vậy thì phải tính toán lại việc phân chia tần số trong mạng. Ngoài ra, với nhiều cell nhỏ trong mạng thì hệ thống sẽ trở nên khó khăn hơn cho việc quản lý. Việc tách cell làm tăng dung lượng của hệ thống bằng cách chia nhỏ các cell với bán kính cell mới bằng ½ bán kính cell cũ; có một phương pháp làm tăng dung lượng của hệ thống mà không phải chia tách cell, đó chính là phương pháp sử dụng anten định hướng hay còn gọi là sectoring. 4.3.1.2. Sử dụng anten định hướng Anten đẳng hướng là loại anten đơn giản dùng để phát và thu sóng đồng đều đối với tất cả các hướng. Loại anten này thích hợp cho việc tìm kiếm một máy điện thoại di động khi không biết chính xác ở vị trí nào, tuy nhiên, nó làm phân tán năng lượng nên cường độ tín hiệu đến được MS chỉ bằng một phần nhỏ của tổng năng lượng tín hiệu phát ra. Để khắc phục nhược điểm này, người ta phải nâng công suất phát, nhưng điều này lại làm tăng sự xuyên nhiễu giữa các kênh. Nhìn chung, anten đẳng hướng có nhiều hạn chế về độ tăng ích, hiệu năng sử dụng phổ tần và khả năng tái sử dụng các kênh tần số, [30]. Anten định hướng cũng là loại anten đơn giản, nhưng khác với anten đẳng hướng, nó được thiết kế để phát và thu tín hiệu tập trung về một hướng nhất định. Trong các hệ thống thông tin di động, đặc tính phủ sóng của anten định hướng thường hình quạt với góc mở là 1200. So với anten đẳng hướng, anten định hướng có độ tăng ích và hiệu năng tín hiệu cao hơn nhờ sự tập trung tín hiệu, [30]. Phương pháp sectoring được hiểu là việc dùng anten định hướng để phân mảnh các cell thành các vùng khác nhau mà mỗi vùng sẽ sử dụng một nhóm tần số nhất định. Đặc tính của anten định hướng là vùng phát xạ của anten được điều chỉnh để chỉ tác động vào một khu vực nhất định. Anten định hướng không bị mất công suất phát theo chiều ngang như anten đẳng hướng và thông thường nó có xu hướng hướng xuống. Do đó, việc sử dụng anten định hướng sẽ làm giảm ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh, vì vậy, khoảng cách tái sử dụng tần số được thu hẹp lại. Điều này tương đương với việc các tần số được sử dụng lại nhiều lần hơn và làm cho dung lượng của hệ thống tăng lên. Ta có thể hình dung nguyên lý của sectoring qua mô hình sau đây: Ở đây, ta xét loại sectoring 1200. Giả sử rằng, một cell A1 được chia thành 3 vùng là: A11, A12, A13; băng tần được cấp cho mạng là BW Với mẫu sử dụng N=7, thì dung lượng của một cell sẽ là : Nc= BW7 (4.14) Nếu giả sử rằng các nhóm tần số được chia như nhau, sau khi sectoring thì dung lượng của một phần trong cell (phần vùng A1, A2, A3) sẽ là : Nc(sector)= Nc3 (4.15) Trước khi sử dụng sectoring thì một cell sẽ chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh của 6 cells cùng tên trong 6 clusters xung quanh, đây cũng là trường hợp khi sử dụng anten đẳng hướng. Nhưng khi sử dụng anten định hướng thì một cell chỉ còn chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh của 2 cells cùng tên theo hướng sector. Nguyên lý sectoring được trình bày như trong Hình 4-4. Trong Hình 4-4, ta thấy rằng, khi chưa sử dụng sectoring thì cell A1 sẽ chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh của các cell A2, A3 , A4 , A5 , A6 , A7 Khi sử dụng anten định hướng thì ví dụ như theo hướng yOz, A13 chỉ chịu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh của A43, A33. A43 y z x A12 A11 A3 A2 A7 A6 A5 A4 A13 A33 Nguồn: Ngô Thế Anh, Bài giảng “tận dụng tài nguyên tần số trong mạng thông tin di động”- Trường ĐH GTVT-CSII Hình 4-4. Nguyên lý sectoring. Như vậy, khi sử dụng sectoring thì ta có thể sử dụng lại tần số với khoảng cách tái sử dụng nhỏ hơn. Anten định hướng có thể cải thiện một cách đáng kể về hoạt động cũng như tính kinh tế của các hệ thống thông tin di động ở những nơi có mật độ người sử dụng cao. Nó làm cho các nhà cung cấp dịch vụ có khả năng nâng cao chất lượng tín hiệu, dung lượng mạng cũng như vùng phủ sóng. Tách cell và sử dụng anten định hướng là các phương thức làm tăng dung lượng mà tác động một cách tích cực đến hệ thống. Nhưng bên cạnh đó, ta có thể làm tăng dung lượng của hệ thống bằng cách xử lý lưu lượng theo cách tĩnh. Khi một cell vượt quá mức phục vụ cho phép của nó và không thể đáp ứng nhu cầu thêm được nữa, trong khi đó, các kênh của cell lân cận nó lại rỗi thì lưu lượng từ “hot” cell đó sẽ được chia sẻ hay chuyển bớt sang cho các cell lân cận. Khi tải được chia sẻ giữa các cell thì khả năng đáp ứng của hệ thống sẽ tăng lên; như vậy, có nghĩa là dung lượng và chất lượng của hệ thống cũng được cải thiện. Sau đây, ta sẽ tìm hiểu về các hình thức mượn kênh trong phương thức phân bổ kênh cố định để thấy được các cell chia sẻ tải với nhau như thế nào. 4.3.2. Phương pháp thụ động Như ta đã biết, trong phương thức phân bổ kênh cố định FCA, các kênh tần số được phân bổ một cách đồng đều và cố định. Điều này dẫn đến việc sử dụng tài nguyên mạng không hiệu quả, chất lượng dịch vụ không cao, vì ở những cell có lưu lượng lớn thì tỷ lệ cuộc gọi bị khóa hay rớt là rất lớn. Do đó, việc phải có các biện pháp để khắc phục tình trạng này là hoàn toàn cần thiết; phương thức đầu tiên được nghĩ tới là các cells rảnh có thể cho các cells bận mượn kênh như hình thức mượn kênh đơn giản sau. 4.3.2.1. Hình thức mượn kênh đơn giản (Simple Borrowing) Trong phương thức mượn kênh đơn giản, các kênh được gán cho một cell như trong phương thức mượn kênh cố định FCA. Mượn kênh đơn giản được hiểu là các cells bận sẽ mượn các kênh rỗi của các cells rỗi lân cận khi có một yêu cầu kết nối cuộc gọi mới trong cell bận, mà các kênh trong cell này đã dùng hết. Để một kênh có thể cho các cell khác mượn, kênh đó phải không gây nhiễu với các kênh đang được sử dụng cho các cuộc gọi hiện thời. Mặc dù việc mượn kênh có thể làm giảm tỷ lệ khóa cuộc gọi, nhưng nó có thể gây nhiễu bên trong của các cell mượn kênh và có thể làm cho các cuộc gọi đến trong các cells này bị chặn, [24]. Phương thức mượn kênh đơn giản cho tỷ lệ khóa cuộc gọi thấp hơn so với phương thức FCA trong trường hợp lưu lượng tải thấp và trung bình. Lý do là vì trong thực tế, khi lưu lượng tải thấp hoặc trung bình thì việc mượn các kênh là giải pháp để phục vụ sự biến động của lưu lượng; nhưng trong trường hợp tải cao, tần suất các kênh mượn sẽ tăng đến mức làm khóa kênh. Khi đó, hiệu quả sử dụng kênh giảm mạnh, gây ra sự gia tăng tỷ lệ khóa cuộc gọi và giảm hiệu suất sử dụng kênh, [24]. Kênh đi mượn phải thỏa mãn khoảng cách tái sử dụng cũng như các yêu cầu về nhiễu. Việc mượn kênh đơn giản được minh họa như trong Hình 4-5. A B1 C1 B C A2 B4 A3 B2 C2 Giả sử cell A2 là cell đã dùng hết các kênh của mình, khi có một cuộc gọi mới được thiết lập bên trong cell A2 thì nó không thể phục vụ được; do đó nó sẽ đi hỏi mượn các kênh rỗi từ các cell lân cận. Nguồn: Ngô Thế Anh, Bài giảng “tận dụng tài nguyên tần số trong mạng thông tin di động”- Trường ĐH GTVT-CSII Hình 4-5. Nguyên lý mượn kênh đơn giản. Giả sử cell B4 còn rỗi kênh tần số f1. Lúc này sẽ xảy ra hai trường hợp: Nếu kênh tần số f1 ở B1 và B2 đã được dùng thì kênh tần số f1 của B4 sẽ không thể cho A2 mượn vì sẽ gây ra nhiều cùng kênh. Khi đó, cuộc gọi mới trong A2 bị khóa. Nếu kênh tần số f1 ở B1 và B2 rỗi (chưa được dùng) thì kênh tần số f1 của B4 sẽ cho cell A2 mượn vì đảm bảo các yêu cầu về nhiễu. Và khi A2 đã sử dụng kênh tần số f1 rồi, thì các cells lân cận sẽ không được sử dụng nữa. Các kênh cho mượn trong một cell có thể nhiều hơn một kênh và cách mà một kênh được chọn trong tập hợp các kênh có thể cho mượn đóng một vai trò quan trọng trong việc làm nên hiệu quả của phương thức mượn kênh. Mục tiêu của tất cả các phương thức là giảm được số kênh bị khóa gây nên bởi việc mượn kênh và sự khác nhau giữa chúng là các thuật toán được sử dụng để chọn một trong số các kênh có thể cho mượn, [24]. Sau đây, ta xét một hình thức mượn kênh có tính đến việc chọn kênh cho mượn. 4.3.2.2. Hình thức mượn kênh rỗi nhất (Borrow from the Richest - SBR) Trong phương thức này, các kênh danh định cũng được gán cho các cells như trong phương thức mượn kênh cố định FCA. Cell bận sẽ mượn các kênh rỗi của các cells rỗi lân cận khi có một yêu cầu kết nối cuộc gọi mới trong cell bận, mà các kênh trong cell này đã dùng hết; khi đó, nếu có nhiều hơn một cell lân cận có sẵn kênh cho mượn thì một kênh được mượn sẽ là kênh rỗi nhất ở các cells. Việc mượn kênh rỗi nhất được thể hiện như trong Hình 4-6. A B C4 A2 B2 C A1 B1 C2 C1 A3 Giả sử rằng cell B1 là “hot” cell. Khi có một cuộc gọi mới được thiết lập bên trong cell B1thì nó không thể phục vụ được; do đó nó sẽ đi hỏi mượn các kênh rỗi từ các cell lận cận. Nguồn: Ngô Thế Anh, Bài giảng “tận dụng tài nguyên tần số trong mạng thông tin di động”- Trường ĐH GTVT-CSII Hình 4-6. Nguyên lý mượn kênh rỗi nhất. Giả sử rằng, khi cell B1 hỏi mượn thì các cell A đáp ứng (cell A1, A2, A3). Khi đó sẽ xảy ra việc lựa chọn kênh cho mượn như sau: Cell A1 có một bộ tần số dư và muốn cho cell B1 mượn kênh, lúc này cell A1 sẽ gửi các tần số dư của mình cho MSC biết. Bộ tần số dư của A1 sẽ được MSC thông báo cho các cell A2 và A3 biết để các cell này phân bổ lại kênh sao cho tần số dư của A2 và A3 trùng với các tần số dư của cell A1. Sau khi tổ hợp các kênh rảnh của các cell A1, A2, A3 thì kênh rảnh nhất của cell A1 (kênh ít được sử dụng nhất) sẽ cho B1 mượn. Và kênh tần số này không được dùng ở cell A2 và A3 nữa để tránh nhiễu đồng kênh. Như đã nói ở trên, kênh đi mượn có thể gây ra việc khóa kênh; nhưng phương thức mượn kênh rỗi nhất không làm cho kênh bị khóa khi lựa chọn một kênh để cho mượn. Hình thức mượn kênh rỗi nhất tránh được hiện tượng nhiễu cùng kênh nhưng hiệu quả không cao vì có một số kênh rỗi không được mượn. 4.3.2.3.Hình thức mượn kênh theo thứ tự và sắp xếp lại (On Demand Channel Assignment-ODCA) Trong hình thức mượn kênh theo thứ tự và sắp xếp lại, tần số trong các cells sẽ được chia thành hai nhóm, các kênh trong mỗi nhóm sẽ được đánh số và xếp theo thứ tự tùy thuộc vào mức ưu tiên: một nhóm kênh làm nhiệm vụ phục vụ các cuộc gọi nội bộ trong cell; một nhóm kênh còn lại được sử dụng để cho các cells lân cận mượn khi có yêu cầu. Khi một cuộc gọi yêu cầu phục vụ, trạm gốc của các cells sẽ kiểm tra xem có còn kênh rỗi nào không; nếu có kênh rỗi, người sử dụng sẽ được gán một kênh như yêu cầu, các kênh rỗi có số thứ tự thấp nhất sẽ được lựa chọn. Nếu tất cả các kênh danh định đều bận, cell có thể mượn một kênh từ cells lân cận. Khi một kênh được gán, danh sách các kênh có trong các cells sẽ được cập nhật để kiểm tra xem kênh được gán có gây ra nhiễu hay không. Và bất cứ khi nào kênh được mượn được trả về thì danh sách các kênh sẽ được cập nhật cho phù hợp. Nguyên lý của việc mượn kênh theo thứ tự và sắp xếp lại cũng như việc sử dụng và trả kênh sẽ được minh họa như trong Hình 4-7. B3 C3 A4 B C A1 B4 C4 A2 B1 C1 A Các kênh tần số cho các cell lân cận mượn khi có yêu cầu. Các kênh tần số phục vụ cho các cuộc gọi trong cell. Nguồn: Ngô Thế Anh, Bài giảng “tận dụng tài nguyên tần số trong mạng thông tin di động”- Trường ĐH GTVT-CSII Hình 4-7. Nguyên lý sử dụng kênh ODCA. Xét cell A1; giả sử lúc này có một cuộc gọi yêu cầu phục vụ trong cell A1. Các trường hợp xảy ra như sau: Trường hợp thứ nhất là các kênh của cả 2 nhóm trong cell A1 đều rỗi. Lúc này, cuộc gọi sẽ được phục vụ bởi nhóm kênh dùng để phục vụ lưu lượng trong cell A1 và kênh có số thứ tự thấp nhất sẽ được chọn. Trường hợp thứ hai là các kênh trong nhóm được sử dụng để phục vụ lưu lượng trong cell A1 đã hết. Lúc này, cuộc gọi sẽ được phục vụ bởi nhóm kênh được sử dụng để cho các cell lân cận mượn khi có nhu cầu và tương tự thì kênh có số thứ tự thấp nhất sẽ được sử dụng. Trường hợp thứ ba là các kênh trong cả hai nhóm đều bận, lúc này, cell A1 sẽ đi mượn kênh của các cell lân cận và giả sử cell A1 mượn của cell B1. A1 sẽ mượn một kênh rỗi trong nhóm kênh cho phép mượn của cell B1, nhưng trước khi mượn, nó phải xem xét kênh này đã được dùng ở cell B3 và B4 hay chưa để tránh nhiễu. Danh sách các nhóm kênh rảnh sẽ được cập nhật để việc mượn kênh không gây ra nhiễu cùng kênh hay nhiễu cận kênh. Nếu trong cell A1 có một kênh được giải phóng thì A1 sẽ trả lại kênh đang mượn của B1 để tăng khả năng cho mượn kênh của cell B1. Nếu có một kênh trong nhóm kênh dùng cho lưu lượng trong cell được giải phóng thì một kênh trong nhóm kênh cho phép mượn sẽ sử dụng kênh đó; và giải phóng một kênh trong nhóm kênh dùng cho các cells khác mượn để tăng khả năng cho mượn của cell. 4.3.2.4. Hình thức mượn kênh không khóa (Channel Borrowing Without Locking - CBWL) Trong mô hình mượn kênh không khóa, tần số trong một cell sẽ được chia thành 7 nhóm: một nhóm dùng để phục vụ cho lưu lượng trong cell, 6 nhóm còn lại sẽ được dùng để cho các cell lân cận mượn khi có yêu cầu. Khi một cuộc gọi yêu cầu phục vụ, trạm gốc của các cell sẽ kiểm tra xem có còn kênh rỗi nào không; nếu có kênh rỗi, người sử dụng sẽ được gán một kênh như yêu cầu. Nếu tất cả các kênh danh định đều bận, cell có thể mượn một kênh từ một cell lân cận cùng hướng và kênh được mượn phải có công suất phát giảm để tránh nhiễu đồng kênh. Để hiểu hơn về nguyên lý của mượn kênh không khóa, ta xét mô hình các cell như trong Hình 4-8. Giả sử xét cell A. Tần số trong cell A được chia thành 7 nhóm tần số từ 0 đến 7. Nhóm kênh “0” được sử dụng để phục vụ cho lưu lượng bên trong cell A; 6 nhóm kênh còn lại được chia và đánh số (từ 1 đến 6) như Hình 4-8 Như vậy tổng số kênh trong cell là sẽ là: Nc(A)= GR(0) + i=16GR(i) (4.16) Khi một nhóm GR(i) cho mượn thì nó sẽ cho cell ở hướng thứ i mượn bằng cách cắt GR(i) đưa lên MSC để phân bổ lại cho cell thứ i. A B C D E F G 0 0 0 0 0 0 0 1 2 1 2 3 4 5 6 4 5 6 3 Nguồn: Ngô Thế Anh, Bài giảng “tận dụng tài nguyên tần số trong mạng thông tin di động”- Trường ĐH GTVT-CSII Hình 4-8. Nguyên lý mượn kênh không khóa. Ví dụ như trong Hình 4-8 trên: nhóm kênh thứ 2 của cell A có thể cho cell D mượn khi có yêu cầu, và ngược lại, cell A có thể mượn nhóm kênh thứ 5 của cell D ở cùng hướng đó. Hay cell A có thể cho cell F mượn nhóm kênh thứ 4 của mình và mượn nhóm kênh thứ nhất của cell F khi có nhu cầu. Việc mượn kênh và cho mượn kênh ở các nhóm và các hướng khác cũng tương tự. Và khi các kênh trong GR(i) cho mượn ở cell thứ i thì sẽ có công suất phát thấp hơn để tránh nhiễu đồng kênh. Sau đây, ta sẽ xét mô hình các cells có sử dụng hình thức mượn kênh để thấy được sự cải thiện về chất lượng phục vụ của hệ thống. 4.4. Chất lượng phục vụ của các hệ thống sử dụng phương pháp mượn kênh Việc quản lý và chia sẻ phổ tần cho người sử dụng một cách hiệu quả là một vấn đề hết sức quan trọng; kênh tần số phải được sử dụng một cách tối ưu nhất để hỗ trợ hàng nghìn cuộc gọi đồng thời trong hệ thống truyền thông di động. Việc chia sẻ phổ tần nếu không xử lý tốt sẽ là nguyên nhân làm giảm dung lượng phục vụ của hệ thống. Phương thức mượn kênh sẽ giải quyết vấn đề chia sẻ phổ tần bằng cách tối đa số kênh mà một cell nóng có thể mượn được, từ đó, làm cho tình trạng tắc nghẽn ở cell nóng giảm xuống và dung lượng của cell sẽ được cải thiện. Do băng tần được cấp phát sẽ được sử dụng toàn bộ trong một cluster nên nếu việc mượn kênh chỉ diễn ra trong một cluster, thì phải tính đến nhiễu giữa các kênh lân cận và nếu việc mượn kênh diễn ra ở phạm vi hai hay nhiều cluster thì khi các cell thực hiện mượn kênh thì phải tính đến cả nhiễu đồng kênh. Ta giả sử rằng, trong phương pháp mượn kênh này, nhiễu đã được tính toán và ta chỉ quan tâm đến số lượng kênh có thể vay - mượn giữa các cell. 4.4.1. Chỉ số cấp độ phục vụ (Grade of Service – GoS) Cấp độ phục vụ (GoS) là thước đo dùng để chỉ khả năng của người sử dụng truy nhập vào hệ thống trong suốt một giờ bận nhất. Qua chỉ số GoS, có thể ước tính được dung lượng yêu cầu tối đa và đó cũng là căn cứ để phân bổ số lượng kênh phù hợp nhằm đáp ứng chỉ số cấp độ phục vụ yêu cầu, [19]. GoS thường được coi là khả năng một cuộc gọi bị khóa, hoặc thời gian trễ của một cuộc gọi lớn hơn một thời gian đợi nhất định, [19]. Chỉ số cấp độ phục vụ GoS được tính theo Công thức (4.17) (4.17) Trong đó: T: Lưu lượng (Erlang). N: Dung lượng (số kênh). k: Số kênh. Lưu lượng là một biến thay đổi nên lưu lượng đi qua một kênh sẽ thay đổi. Một cell hoạt động tốt sẽ có tỷ lệ khóa cuộc gọi thấp, tức là lưu lượng đi qua kênh ở mức chấp nhận được, điều này tương ứng với GoS thấp. Nếu lưu lượng đi qua kênh tăng lên, đến một lúc nào đó kênh sẽ không thể đáp ứng được lưu lượng yêu cầu; khi đó, sẽ xảy ra tình trạng lưu lượng bị tắc nghẽn và khả năng khóa hay rớt cuộc gọi là rất lớn, chỉ số cấp độ phục vụ GoS sẽ tăng. Theo tiêu chuẩn của GSM, chỉ số cấp độ phục vụ của mạng là 2%. 4.4.2. Phân loại cell Trước khi đi vào chi tiết của phương thức mượn kênh, ta sẽ phân loại cell theo hình thức như sau. Nhiệt độ của cell (dc): đây là một giá trị được sử dụng để chỉ tải trong một cell dựa vào số kênh rỗi. Độ của cell được tính theo Công thức (4.18) dc = Số kênh rỗiNc (4.18) Trong đó, Nc là tổng số kênh trong một cell. Một cell được gọi là cell nóng khi đã sử dụng hết các kênh của mình và cần phải đi mượn kênh, ngược lại là cell lạnh. 4.4.3. Phương thức mượn kênh 4.4.3.1. Điều kiện vay - mượn kênh Khi số kênh trong một cell đã được sử dụng hết cho các loại cuộc gọi trong cell (cuộc gọi trong cell và cuộc gọi chuyển giao), lúc này, trong cell phát sinh cuộc gọi mới nhưng cell không còn kênh tần số rỗi để đáp ứng cho cuộc gọi yêu cầu, nó trở thành cell nóng (có GoS > 2%) và có nhu cầu mượn kênh. Điều kiện để cell nóng có thể mượn kênh: Cell nóng mượn kênh của các cell lân cận. Cell lân cận có đủ kênh cho cell nóng mượn mà không ảnh hưởng đến chất lượng của nó. Nếu cell lân cận không đủ kênh cho cell nóng mượn nhưng nếu sau khi cho cell nóng mượn kênh, nó có thể đi mượn kênh từ các cells khác để đảm bảo chất lượng của nó. Như đã nói ở trên, việc cho mượn kênh đã tính đến nhiễu đồng kênh hay để không xảy ra nhiễu đồng kênh thì kênh cho mượn sẽ có công suất phát thấp hơn định mức trong cell mượn. 4.4.3.2. Các khái niệm cơ bản Số kênh cần mượn (Number of imported channles – Nic). Khi tài nguyên trong một cell đã hết, nhưng vẫn phát sinh lưu lượng mới, khi đó cell trở thành cell nóng, GoS trong cell tăng lên so với GoS chuẩn. Lúc này, trong cell cần một lượng kênh để phục vụ cho phần lưu lượng phát sinh hay số kênh cần để đưa chỉ số GoS của cell về mức chấp nhận được gọi là Số kênh cần mượn. Số kênh có thể cho mượn (Number of exported channels - Nec), đây được hiểu là số kênh dư có thể chuyển cho các cell khác mà vẫn đảm bảo GoS trong cell đó ở mức chấp nhận được. 4.4.3.3. Cân bằng lưu lượng trong hệ thống thông tin di động bằng hình thức mượn kênh 1. Xác định vùng nóng Trong một mạng, lưu lượng cuộc gọi phân bố theo một quy luật ngẫu nhiên, do đó, các cells lạnh hay cells nóng cũng phân bố theo quy luật ngẫu nhiên. Từ đó, hình thành nên các vùng nóng, lạnh khác nhau trong mạng. Để tăng hiệu quả của thuật toán mượn kênh, ta phải xác định và cô lập các vùng này với nhau. Mục đích của cô lập vùng nóng là không cho tình trạng ‘nóng’ lan rộng ra các vùng khác. Vùng nóng được định nghĩa là tập hợp một số lượng các cells nóng cố định. Kích thước của vùng nóng được xác định thông qua thông số d và cell trung tâm, trong đó, d là đường kính của vùng nóng, là khoảng cách lớn nhất giữa hai cells bất kỳ trong vùng nóng; cell nằm giữa đường nối của hai cells nóng nhất được gọi là cell trung tâm, [31]. Cách xác định vùng nóng được trình bày như trong Hình 4-9. Vòng n, với n=d/2 là vòng lớn nhất trong vùng nóng. Vòng (n+1) được gọi là vòng lạnh đầu tiên. Để tránh sự lan rộng của tình trạng tắc nghẽn, quá trình xử lý mượn kênh sẽ được giới hạn bởi vòng lạnh đầu tiên. Cell lạnh Cell nóng Cell trung tâm Vòng lạnh đầu tiên Nguồn: The-Anh Ngo, Sylvie Perreau and Arek Dadej, “Releasing Congestion in Next Generation Cellular Networks by using Static Channel Relaying Strategy: Analytical Approach”, 13th IEEE International Conference on, pp.87-92 Hình 4-9. Xác định vùng nóng. 2. Tính toán các thông số cần thiết [31] Độ nóng của vùng nóng là một thông số được sử dụng để phân tích hiệu quả của phương thức mượn kênh. Độ của vùng nóng được tính theo Công thức (4.19) dh= Số cell nóngTổng số cell (4.19) Số cells trong vùng nóng được tính bởi Công thức (4.20): (4.20) Trong đó, n là số thứ tự vòng ring. Tổng số kênh cần được tính bởi Công thức (4.21) NNeeded-channels= dh . [ 1+3n(n+1)]. Nic (4.21) Với Nic là số kênh cần của mỗi cell. Tổng số kênh rỗi trong các cells lạnh nằm trong vùng nóng được tính bởi Công thức (4.22): Nfree-channels = dh . [ 1+3n(n+1)]. Nec (4.22) Nếu Nfree-channels ≥ NNeeded-channels thì các kênh ở cells lạnh sẽ được chuyển đến cho các cells nóng. Nếu Nfree-channels < NNeeded-channels thì các cells lạnh vẫn cho cells nóng mượn kênh nhưng phải đảm bảo GoS của cells lạnh ở mức tiêu chuẩn. Phương thức mượn kênh ở đây chỉ nhằm mục đích hạ độ nóng trong vùng nóng chứ không làm cho độ nóng lan đều trong vùng, tức là cho mượn kênh nhưng không làm cho các cells lạnh trở thành nóng. Khi số lượng kênh cần mượn được chuyển từ cell lạnh đến cell nóng thì tổng số kênh mà cell nóng hiện có sẽ bao gồm số kênh đã được cấp phát và số kênh mới được chuyển đến. Số kênh hiện tại = Nc+Nic Tỷ lệ khóa cuộc gọi trong cell nóng sau khi được mượn kênh sẽ là: (4.23) Với Th là lưu lượng trong cell nóng, k là số kênh, [31]. 3. Mô hình hệ thống sử dụng hình thức mượn kênh để giảm tắc nghẽn và cân bằng lưu lượng Ban đầu, mỗi cell trong hệ thống được cấp phát một dung lượng như nhau. Khi lưu lượng thay đổi, trong hệ thống sẽ xuất hiện các cells nóng và các cells lạnh. Ta sẽ đưa ra ngưỡng để phân biệt giữa cell nóng và cell lạnh. Một cell được xem là cell nóng khi nó đã sử dụng hết số kênh được cấp phát và cần phải mượn kênh. Như vậy, nếu số kênh của mỗi cell được cấp ban đầu là 40 kênh thì lưu lượng lớn nhất của nó là 30.950 Erlangs (tương đương với 40 kênh đều bận). Một cell được xem là nóng và cần phải mượn kênh khi cell đó đã dùng hết 40 kênh của mình (lúc này, lưu lượng của cell lớn hơn 30.950 Erlangs). Sau đây, ta sẽ xét một mô hình gồm có 7 cells, với dh=0.5 tức trong vùng sẽ có 4 cells nóng và 3 cells lạnh. Mỗi cell được cấp 40 kênh, một cell được xem là nóng khi đã sử dụng hết 40 kênh, với GoS=2% thì lưu lượng lớn nhất của một cell sẽ là 30.950 Erlangs (tương ứng với 40 kênh đều bận). Ta giả sử rằng lưu lượng sẽ chạy từ ngưỡng Tn là 30.950 Erlangs đến lưu lượng lớn nhất Tmax là 40 Erlangs. Lưu lượng các cells trong Bảng 4-1 là kết quả trung bình của nhiều trường hợp lưu lượng ngẫu nhiên từ Tn đến Tmax Lưu lượng của các cell được phân bố giả định như trong Bảng 4-1. Bảng 4-1. Bảng phân bố lưu lượng của các cell Số cell Lưu lượng mỗi cell (Erlangs) Số kênh cần để đạt GoS 2% Số kênh có thể cho mượn tại GoS 2% GoS ban đầu (%) 1 33,54 3 0 4.0 2 37.26 7 0 8.0 3 38.44 9 0 9.5 4 35.12 5 0 5.6 5 26.76 0 4 0.4 6 24.34 0 7 0.1 7 23.29 0 8 0 Các cells nóng có lưu lượng vượt quá lưu lượng cho phép nên chỉ số cấp độ phục vụ GoS của chúng đều trên mức 2%, trong khi các cells lạnh ở GoS =2% vẫn còn dư một số kênh, tức là các cells này có khả năng cho mượn kênh. Mục đích của việc mượn kênh từ các cells lạnh là làm giảm độ nóng của các cells nóng (hay làm giảm chỉ số GoS) trong khi vẫn giữ nguyên tình trạng của các cells lạnh (tức là duy trì GoS của các cell lạnh vẫn ở mức 2%). Lưu lượng của các cell sau khi cân bằng được trình bày như trong Bảng 4-2. Bảng 4-2. GoS của cell nóng trước và sau khi cân bằng Số cell Lưu lượng mỗi cell (Erlangs) GoS ban đầu (%) GoS sau khi cân bằng (%) 1 33,54 4.0 2.4 2 37.26 8.0 2.4 3 38.44 9.5 2 4 35.12 5.6 2.9 Với số kênh có thể được mượn từ các cells lạnh thì độ nóng của vùng nóng được giảm xuống, và lúc này GoS của vùng nóng đã được cải thiện đáng kể. Ta có thể thấy được điều này trong Hình 4-10. Cell 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Các cells trong vùng nóng Cell 2 Cell 3 Cell 4 Cell 5 Cell 6 Cell 7 10 GoS trước khi mượn kênh GoS sau khi mượn kênh GoS chuẩn Xác suất block cuộc gọi Nguồn: nhóm NCKH lớp Kỹ thuật viễn thông K46- ĐH GTVT2, “Cân bằng lưu lượng trong hệ thống thông tin di động sử dụng phương thức chuyển tiếp kênh” Hình 4-10. Chỉ số cấp độ phục vụ trước và sau khi mượn kênh. Phương thức mượn kênh không chỉ làm giảm tình trạng tắc nghẽn và khả năng khóa cuộc gọi trong mạng mà còn tận dụng được các kênh rỗi trong các cells một cách hiệu quả, nhờ đó, có thể cân bằng được lưu lượng trong mạng, và chỉ số cấp độ phục vụ có thể đạt tới giá trị chấp nhận được ngay trong cả trường hợp lưu lượng tải cao, [32]. 4.5. Kết luận Bảo đảm chất lượng dịch vụ là một vấn đề khó cho các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông di động. Có những phương pháp thích hợp cho vùng này nhưng không phù hợp tại các vùng khác, thích hợp trong thời gian này nhưng lại không thích hợp tại các thời điểm khác. Nguyên nhân chính của sự không thích ứng đó chính là do sự thay đổi lưu lượng giữa các vùng khác nhau tại các thời điểm khác nhau. Bằng việc chuyển các kênh từ những vùng có lưu lượng thấp sang phục vụ cho những vùng có lưu lượng cao, phương thức mượn kênh có thể cải thiện được chất lượng mạng, tăng dung lượng của hệ thống, sử dụng hiệu quả tài nguyên tần số mà không cần can thiệp một cách tích cực như các phương thức tách cell hay sectoring. Các kết quả tính toán trong chương đã minh họa cho điều này.