mạng tế bào

5/1/2010

1

1. Mạng t ế bào2. Cell3. Cluster & Cell4. Nhiễu ñồng kênh

THÔNG TIN DI ðỘNG

Chương 3: Mạng Tế Bào

5. Nhiễu kênh li ền kề6. Tách Cell7. Erlang, Erlang-B8. ða truy c ập: theo kênh (c ố ñịnh)9. ða truy c ập: Theo khung/gói (Ng ẫu nhiên)10.Tóm t ắt

Thông Tin Di ðộng Trang 1Chương 3: Mạng Tế Bào

08:5

9:52

5/1/2010

2

1. Mạng tế bào (Cellular Network) (1)

� Ý tưởng từ Bell lab những năm 1950

� Thực hiện ñầu tiên vào những năm 1970

� Phổ vô tuyến là một nguồn tài nguyên có giới hạn.

� Làm cách nào ñể quản lý một số lượng lớn user trênmột diện tích rộng lớn với tài nguyên phổ có giới hạn?

� Giải pháp là phải chia nhỏ diện tích ñể có thể tái sử� Giải pháp là phải chia nhỏ diện tích ñể có thể tái sửdụng tần số.

� Thuật ngữ “Tế bào - cell” là thực hiện chia vùng phụcvụ mặt ñất thành những vùng nhỏ “tế bào - cell”, mỗicell này sẽ có 1 anten phát có chiều cao thích hợp vàvới công suất thấp.


08:5

9:52

5/1/2010

3

1. Mạng tế bào (2)

� Trong mỗi cell có một trạm gốc (BTS – Base Station) có chứcnăng kết nối vô tuyến với các thuê bao (trạm di ñộng – MS – Mobile Station)

� Sử dụng nhiều tần số sóng mang.

� Các cell kề nhau sử dụng tần số khác nhau.

� Thực tế ñường kính cell biến ñổi từ 100m ñến 35km � Thực tế ñường kính cell biến ñổi từ 100m ñến 35km phụ thuộc vào mật ñộ thuê bao, ñịa hình và công suất thu phát của trạm gốc

� Khi một thuê bao di chuyển từ cell này sang cell khác, trạm gốc ở cell mới sẽ tiếp quản (handover) thuê bao này từ trạm gốc ở cell cũ.


08:5

9:52

5/1/2010

4

1. Mạng tế bào

� Công su ất phát l ớn� Vùng ph ục vụ cao

� Công su ất phát th ấp� Vùng ph ục vụ nhỏ� Tái sử dụng t ần số


· Macro-cellular: 1 - 30 km· Micro-cellular: 200 - 2000 m· Pico-cellular: 4 - 200 meter

08:5

9:53

5/1/2010

5

S=

2. Cell: Khái ni ệm chung (1)

R

32

R

Diện tích c ủa Cell là S

Chu vi c ủa Cell là 6R

Cell là 1 hình l ục giác ñều có chi ều dài c ạnh là R

Cấu trúc lý t ưởng và th ực tế của cell


08:5

9:53

5/1/2010

6

2. Cell: Khái ni ệm chung (2)

� Các cell phân thành nhóm gọi là Cluster

� Thông thường 1 cluster có 1, 3, 4, 7, 9,… Cell

� Vùng bao phủ của 1 cluster gọi là footprint

� Cluster ñược lặp lại trong toàn mạng.

� Các kênh tần số sẽ ñược tái sử dụng trong các cluster.

� Mỗi cluster sẽ sử dụng toàn bộ phổ tần số của mạng� Mỗi cluster sẽ sử dụng toàn bộ phổ tần số của mạng

� Mỗi một Base station ñược cấp phát một nhóm các kênh ñể sử dụng trong một vùng ñược bao phủ bởi cell.

� Những BS kề nhau ñược cấp phát các kênh hoàn toàn khác nhau.

� Anten của BTS ñược thiết kế sao cho chỉ bao phủ trong một vùng nhất ñịnh �tái sử dụng tần số trong mạng.


08:5

9:53

5/1/2010

7

3. Cluster-Cellular: T ổng quát

Gọi N là số cell c ủa 1 clusterGọi D là khỏang cách giữa

Bắt ñầu bằng cell ñầu tiên, di chuy ển i cell theo tr ục x, sau ñó j cell theo tr ục y.

Gọi D là khỏang cách giữa2 cell k ế nhau s ử dụngchung 1 t ần số.

3N RD =

N = i2 +ij + j 2

Với i, j là s ố nguyên d ương (0, 1, 2…) th ỏa: i>=1 và i>=jThông Tin Di ðộng Trang 7Chương 3: Mạng Tế Bào

08:5

9:53

5/1/2010

8

3. Quan hệ giữa N và D

i j N D

1 0 1 sqrt(3)R

1 0 3 3R

2 0 4 sqrt(12)R

3N RD = N = i2 +ij + j 2 i>=1, j>=i

2 0 4 sqrt(12)R

2 1 7 …

2 2 9

3 0 12

3 1 13

3 2 …

3 3


08:5

9:53

5/1/2010

9

3. Cluster v ới 1 cell

R

3

2R

Khỏang cách gi ữa 2 cell li ền nhau là D= 3 R

Nhiễu giữa các kênh r ất cao.


08:5

9:53

5/1/2010

10

3. Cluster v ới 3 cell

Khỏang cách gi ữa 2 cell li ền nhau là D=3R F1

F2

F3F1

F2

F1

F2

F3F3F1

F2

ClusterF2F3

F1F2

F2F3

F1F3

Cluster

Cluster: T ập hợp các t ần số khác nhau s ử dụng trong 1 nhóm các cell. Cluster l ặp lại bằng cách di chuy ển i cell theo tr ục x, sau ñó j cell theo tr ục y.Thông Tin Di ðộng Trang 10Chương 3: Mạng Tế Bào

08:5

9:53

5/1/2010

11

3. Cluster v ới 7 Cell

Khỏang cách gi ữa 2 cell li ền nhau là D =

F7

F2

F3

F5

F3

F1

F2

F7

21 R

F4

F7

F1

F6

F5

F3F4

F2

F3

F5

F1

F7

F6


08:5

9:53

5/1/2010

12

Ví dụ

1) Tính kh ỏang cách nh ỏ nhất giữa 2 cell s ử dụng cùngbăng t ần biết cell có bán kính 1Km và h ệ số sử dụng N = 12?

3N RD =

2) Vẽ cấu trúc cell v ới N = 3


08:5

9:53

5/1/2010

13

Vẽ cấu trúc cell v ới N=9 ?

16

5

7

89

N = i2 +ij + j 2

3N RD =

14 2

3

7


08:5

9:53

5/1/2010

14

4. Nhiễu trong thông tin di ñộng

Trong thông tin di ñộng có các ngu ồn nhi ễu chính sau:� Nhiễu ña ñường

� Ảnh hưởng của môi trường

� Ảnh hưởng bởi tốc ñộ di chuyển (dropler)

� Nhiễu giữa những phone trong cùng một cell

� Nhiễu giữa những phone khác cell� Nhiễu giữa những phone khác cell

� Những BTS hoạt ñộng ở cùng tần số


08:5

9:53

5/1/2010

15

4. Nhiễu ñồng kênh (Co-channel Interference )

Nhiễu ñồng kênh (Co-channel Interference) là ảnhhưởng gi ữa các cell dùng chung t ần số.Với cấu trúc cell hình l ục giác, h ệ số tái sử dụng ñồng kênh Q ñược ñịnh ngh ĩa là:

Q nhỏ: dung l ượng cao, Q l ớn: ch ất lượng truy ền tốtQ nhỏ: dung l ượng cao, Q l ớn: ch ất lượng truy ền tốtGọi S là công suất thu từ BTS mong muốn, Ii là công suấtthu từ các BTS ñồng kênh, SIR là tỉ lệ của S/I, ta có:

SIR =


08:5

9:53

5/1/2010

16

4. Nhiễu ñồng kênh

R

3

2R

4.5R

Q = D/RTrường hợp N = 7 ta có:Q = D/R = sqrt(3x7)=4.58

S là công su ất tín hi ệu thumong muốn:

R

Dkmong muốn: S = P0 x R- αααα

Ik là công su ất của BTS thứ k, ta có:

Ik = P0 x Dk-αααα

R

Pow

er

S = P0 x R- αααα

Ik = P0 x Dk-αααα

Pow

er

BTS phát công su ất như nhauαααα Là hệ số suy hao theo hàmmũ. 2<αααα<5Thông Tin Di ðộng Trang 16Chương 3: Mạng Tế Bào

08:5

9:53

5/1/2010

17

Downlinks: 1 l ớp của 6 Interference

6 nhiễu ñồng kênh li ền kề

I

S

∑1

6S

=Ik

S = P0 x R- αααα Ik = P0 x Dk-αααα

SIR = R- αααα

= 1

Giả sử Dk ~ D với mọi k, ta có:

∑ Dk

R

-αααα1

6SIR = R

∑ Dk-αααα

1

6 = 1

6

1

∑ Q-αααα

1

6 = Qαααα

I

S=SIR= =

6Q = (6xSIR)

1αααα

3N αααα

5/1/2010

18

Ví dụ 1

Hệ thống AMPS sử dụng ñiều chế FM có SIR = 18dB. Tínhhệ số tái sử dụng tần số N. Giả sử hệ số suy hao ñườngtruyền α = 4

Ta có: SIR = 10log10(S/I) = 18 � S/I = 101.8 = 63.1

Q = (6xSIR)1αααα = (6x63.1)0.25 = 4.41 Q = (6xSIR) αααα = (6x63.1)0.25 = 4.41

N = Q2/3 = (4.41)2/3 = 6.48 ~ 7


08:5

9:53

5/1/2010

19

5. Nhiễu kênh li ền kề

� Nhiễu kênh kề (Adjacent Channel Interference) gây ra bởi tín hiệu từ các cell kế cận (sử dụng khác tần số) ñối với MS trong cell ñang xét.

� Nhiễu này xuất hiện do chất lượng bộ lọc tần số không tốt.

� Cách giải quyết: dùng bộ lọc có hệ số phẩm chất cao hoặc tăng khoảng cách tần số giữa các cell kế cận.hoặc tăng khoảng cách tần số giữa các cell kế cận.

�� Tỷ số SIR trong th ực tế sẽ còn nh ỏ hơn do tác ñộng của nhiễu kênh k ề


08:5

9:53

5/1/2010

20

Ví dụ 2

Một hệ thống có 70 kênh, trong ñó có 6 kênh ñược sử dụngñể ñiều khiển. Mỗi cell ñược cấp 16 kênh. Xác ñịnh SIR (dB) của hệ thống giả sử α = 5.

Số kênh sử dụng thực tế = 70 – 6 = 64

N = 64/16 = 4

6

1

∑ Q-αααα

1

6 = Qαααα

I

S=SIR= =

6Q = (6xSIR)

1αααα

3N αααα

S/I = (sqrt(3x4))5/6 = 83

SIRdB = 10log10(S/I) = 10log10(83) = 19.1 dB


5/1/2010

21

6. Tách Cell

Khi số user trong một cell tăng lên vượt quá dung lượngthiết kế ban ñầu � không có khả năng ñáp ứng các dịch

vụ � tách cell.

� Áp dụng cho khu vực� Áp dụng cho khu vựccó mật ñộ thuê bao cao

� Tách cell làm tăng dung lượng của hệ thống

� Tăng BTS � sẽ tăng chi phí


08:5

9:53

5/1/2010

22

6. Cell trong th ực tế

Nội thành

ðường trục

Thành phố Nông thôn


08:5

9:53

5/1/2010

23

7. Tính lưu lượng cu ộc gọi: Erlang� BHCA (Busy Hour Call Attempts) : Số cuộc gọi phát sinh

trong giờ cao ñiểm của ngày� BHCC (Busy Hour Call Completion): Số cuộc gọi thành

công trong giờ cao ñiểm� GOS (Grade Of Service) : Cấp ñộ dịch vụ

Số cuộc gọi không thành côngGOS =

� Erlang là một ñại lượng không ñơn vị ñược sử dụng trong mạng ñiện thoại ñể ño lưu lượng của mạng.� λ là số cuộc gọi trung bình trong một ñơn vị thời gian� h là thời gian trung bình của cuộc gọi (average call-

holding time) � A là lưu lượng, Ta có:


số cuộc gọi phát sinh

A = λλλλ.h

GOS =

08:5

9:53

5/1/2010

24

7. Erlang: Ví d ụ

� Một kênh thông tin hoạt ñộng 30 phút trong 1 giờ, nhưvậy lưu lượng là A = 0.5 Erlang

� Tổng ñài PABX Có hai trung kế, xác suất sử dụng mỗikênh vào giờ cao ñiểm là 50%, như vậy lưu lượng củaPABX này là A = 1 Erlang

� Tổng ñài PABX trên, nhưng vào giớ cao ñiểm có 2 thuê� Tổng ñài PABX trên, nhưng vào giớ cao ñiểm có 2 thuêbao sử dụng liên tục trong 1 giờ� A = 2 Erlang

� Một cell có 30 cuộc gọi mỗi giờ, thời gian của mỗi cuộcgọi là 1 phút. Xác ñịnh lưu lượng của cell ?

A = λ.h = 30x(1/60) = 0.5 Erlang


08:5

9:53

5/1/2010

25

7. Erlang-B

� Gọi Au là lưu lượng của 1 thuê bao� Gọi A là lưu lượng của tòan bộ thuê bao tương ứng của 1

ñơn vị thông tin� Gọi U là số lượng thuê bao tương ứng của 1 ñơn vị

thông tinU =

AAu


� P là xác xuất nghẽn� N là số tài nguyên (mạch, …)� A = λh Tổng lưu lượng của mạch

� Erlang-B là công thức tính xác suất yêu cầu 1 tài nguyênsẽ bị từ chối vì thiếu tài nguyên (Xác suất nghẽn mạch(blocking) vì thiếu thiết bị

08:5

9:53

5/1/2010

26

7. Bảng tra Erlang-B: n s ố mạch, B % block


5/1/2010

27

7. Bảng tra Erlang-B: n s ố mạch, B % block


5/1/2010

28

7. Ví dụ

Mỗi thuê bao trung bình có 2 cuộc gọi trong 1 giờ, 1 cuộcgọi có thời gian trung bình là 3 phút. Giả sử cell ñược trangbị 16 channel và GOS=1%. Xác ñịnh lưu lượng của 1 Cell và tính số lượng thuê bao tối ña 1 Cell có thể cung cấp?

Lưu lượng 1 user:


Au = λ.h = 2x(3/60) = 0.1 Erlang

GOS = 1% = 0.01, N=16

�Tra bảng ta có: A = 5.4Erlang

Số lượng thuê bao/cell = A/Au = 54 thuê bao

08:5

9:53

5/1/2010

29

8. ða truy c ập

MA

C p

roto

col

Fixed access

Channel based

� FDMA

� TDMA

� CDMA

� SDMA

� OFDMA

� Aloha

MA

C p

roto

col

Random acess

Packet based

Collision recovery

Collision Avoid

Collision Free

� CSMA/CD

� ISMA

� MACA

� Token


08:5

9:53

5/1/2010

30

8. ða truy c ập cố ñịnh

� FDMA: Frequency Division Multiple Access

� TDMA: Time Division Multiple Access

ða truy c ập (Multiple access) : H ỗ trợ nhiều hơn 1 kênhthông tin trên 1 tài nguyên vô tuy ến

Multiple Access

� CDMA: Code Division Multiple Access

� SDMA: Space Division Multiple Access

� OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access


08:5

9:53

5/1/2010

31

8.1 ða truy c ập: Tổng quan

� Phổ hiệu quả? Bps/Hz/Cell ?� Linh họat : Multi-rate, -cell, -dịch vụ ?


08:5

9:53

5/1/2010

32

8.2 ða truy c ập: FDMA


08:5

9:53

5/1/2010

33

8.2 ða truy c ập: FDMA (2)

f

User4f4

Usernfn

…

� Chia phổ tần số thành các kênhcó băng thông bằng nhau

� Tách kênh bằng cách: Mạchlọc, và khỏang bảo vệ giữa cáckênh

� 1 user/1 tần số tại 1 thời ñiểm

User1

time

User2

User3

User4

f1

f2

f3

f4� 1 user/1 tần số tại 1 thời ñiểm� Cần có kênh báo hiệu ñể chọn

kênh cho thuê bao� Giới hạn cho việc tái sử dụng

tần số� Giới hạn số lượng thuê bao

trên vùng phủ sóng


08:5

9:53

5/1/2010

34

8.3 ða truy c ập: TDMA

� Kênh sẽ sử dụng tòan bộ phổ tần số cho 1 timeslot � Mỗi user sẽ gán tới 1 timeslot, Timeslot ñược lặp lại bởi

frame� Ưu: Chỉ cần 1 sóng mang cho tòan thời gian� Nhược: Cần ñồng bộ chính xác

Use

r1

time

f

f1

…U

ser2

Use

r3

Use

r4

Use

r5

Use

r6

Use

r7

Use

r1

Use

r2

Use

r3

Use

r4

Use

r5

Use

r6

Use

r7

frame timeslot


08:5

9:53

5/1/2010

35

8.4 ða truy c ập: CDMA

� Mỗi User ñược gán cho duy nhất mã giả ngẫu nhiên� Mã ñược sử dụng tại MS và BTS ñể phân biệt tín hiệu của

các user khác nhau� Các user có thể phát tín hiệu ñộng thời trên cùng 1 tần số� Ưu: Sử dụng phổ tần số hiệu quả

time

f

code


08:5

9:53

5/1/2010

36

8.5 OFDMA

� Orthogonal Frequency Division Multiple Access

� Mỗi user có 1 nhóm phụ của các nhóm sóng mang sửdụng 1 vài timeslot

� Hệ thống OFDM sử dụng TDMA

� OFDMA sử dụng Time+Freq DMA ⇒ Mô hình 2D� OFDMA sử dụng Time+Freq DMA ⇒ Mô hình 2D


08:5

9:53

5/1/2010

37

9. ða truy c ập ngẫu nhiên

� Nhiều users thông tin với 1 trạm gốc

� Users gửi dữ liệu không thường xuyên

� Dữ liệu gửi tại thời ñiểm bất kỳ/theo slot

t0

BTS

t1

t2

t1


08:5

9:53

5/1/2010

38

9.1 ALOHA

� Phát triển vào những năm70 tạiðH Hawaii

� Bất kỳ thiết bị ñầu cuối nào ñềucó quyến phát data mà khôngcần xem trước kênh truyền rỗihay bận

� Nếu gói phát là ñúng thì BTS sẽ

Packaging

Idle

Start

� Nếu gói phát là ñúng thì BTS sẽphát xác nhận = gói ACK

� Nếu Tx không nhận ñược ACK:

� Tx giả sử là gói vừa phát bịmất

� Tx phát lại sau khi chờ 1 khỏang thời gian ngẫu nhiên

NhậnACK?

Random delay

No

Yes


08:5

9:53

5/1/2010

39

9.1 ALOHA (2)

Khó khăn:

� Chọn thời gian phát lại:

� Ngắn: Tăng tải giả

� Dài: Lưu lượng giảm

� Unslotted ALOHA: Phát gói data tại bất kỳ thời ñiểm nào

� Slotted ALOHA: Phát gói data trong thời gian của slot.� Slotted ALOHA: Phát gói data trong thời gian của slot.


08:5

9:53

5/1/2010

40

9.2 CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

� Nghe trước khi gửi

� Nếu kênh “Busy”, TX phải chờ

� Giảm collision so với ALOHA

� Chỉ sử dụng khi sensing time >> transmission time (Thôngtin vệ tinh không sử dụng CSMA mà sử dụng ALOHA

� Vấn ñề: User ẩn� Vấn ñề: User ẩn

Khó khăn về giải thuật: Phân biệt tín hiệu yếu & noise


08:5

9:53

5/1/2010

41

9.2 CSMA/CD

CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection


08:5

9:53

5/1/2010

42

9.3 ISMA (Inhibit Sense Multiple Access)

� Nếu bận, BTS gửi ñi thông ñiệp “busy” ñể cấm tất cả cácusers gửi data

� Vẫn xảy ra collision: Trong khi BTS phát “busy” thì Mobile gửi,

� Chỉ sử dụng khi sensing time >> transmission time (Thôngtin vệ tinh không sử dụng CSMA mà sử dụng ALOHA

� Vấn ñề: User ẩn

Khó khăn về giải thuật: Phân biệt tín hiệu yếu & noise Thông Tin Di ðộng Trang 42Chương 3: Mạng Tế Bào

08:5

9:53

5/1/2010

43

9.4 MACA

� MACA: Multiple Access with Collision Avoidance

� Slotted, sử dụng Wireless LAN

� Nguyên tắc: Thông báo trước khi phát data

� Trước khi gửi data, Sender sẽ gửi RTS với chiều dài data muốn gửi, nếu Receiver sẵn sàng nhận, trả lời Sender tínhiệu CTS với chiều dài frame sẽ nhận. hiệu CTS với chiều dài frame sẽ nhận.

� Các Sender khác khi nhận ñược RTS thì sẽ im lặng ñểtránh collision với CTS, các sender khi nghe thấy CTS phải ngừng phát cho ñến khi Sender gửi xong � Tránhcollision.


08:5

9:53

5/1/2010

44

Một số thuật ngữ

� Noice, Interference, Co-Interference� MAC: Medium Access Control

� FDMA: Frequency Division Multiple Access

� TDMA: Time Division Multiple Access

� CDMA: Code Division Multiple Access

� SDMA: Space Division Multiple Access� SDMA: Space Division Multiple Access

� OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access

� Carrier Sense Multiple Access

� Inhibit Sense Multiple Access

� Multiple Access with Collision Avoidance

� RTS: Request To Send

� CTS: Clear To Send


08:5

9:53

5/1/2010

45

10. Tóm tắt

� Khái niệm tế bào (cell)� Macro-cellular: 1 - 30 km� Micro-cellular: 200 - 2000 m� Pico-cellular: 4 - 200 meter� Cell-Cluster: n��d� Nhiễu ñồng kênh� Nhiễu kênh liền kề� Nhiễu kênh liền kề� Erlang, Erlang-B: ðịnh nghĩa, PP tính� ða truy cập cố ñịnh (Kênh): FDMA, TDMA, CDMA,…� ða truy cập ngẫu nhiên (gói): ALOHA, CSMD/CD,…


Q &A?

08:5

9:53

mạng tế bào

Design

Transcript of mạng tế bào