MỞ ĐẦU 1.1 GIỚI THIỆU Hệ thống thông tin di động từ khi ra đời đã phát triển không ngừng. Ngƣời ta thống kê rằng, đến thời điểm hiện tại, trên thế giới đã có khoảng bảy tỷ thuê bao di động, con số này sẽ tiếp tục tăng trƣởng và đƣợc dự đoán sẽ đạt gần tám tỷ rƣỡi thuê bao vào đầu năm 2020, [1].1: Dự báo tăng trƣởng thuê bao toàn cầu 2015 – 2019 Ở Việt Nam, sự phát triển của thuê bao đã dẫn tới nhu cầu quy hoạch mở rộng các hệ thống thông tin di động thế hệ hiện tại nhƣ GSM, UMTS. Theo đà phát triển của công nghệ, hệ thống LTE chắc chắn sẽ đƣợc triển khai trong tƣơng lai gần và đòi hỏi đƣợc quy hoạch mới hoàn toàn. Bên cạnh đó, các nhà mạng Việt Nam đang có HVTH: Tạ Hữu Việt GVHD: TS.
Hà Hoàng Kha Trang 4 Quy hoạch cell và kỹ thuật giảm can nhiễu trong hệ thống thông tin di động 2015 xu hƣớng mở rộng đầu tƣ ra nƣớc ngoài. Tại các nƣớc này, công tác quy hoạch mạng lƣới thƣờng bắt đầu từ con số không. Khi quy hoạch mạng lƣới, có hai vấn đề chính là quy hoạch vùng phủ và quy hoạch dung lƣợng. Đối với công tác quy hoạch vùng phủ mạng macrocell, dù là quy hoạch mới hoàn toàn hay quy hoạch mở rộng mạng lƣới, có hai yêu cầu cơ bản: Bảo đảm vùng phủ mạnh nhất cho các thuê bao cần phục vụ, và bảo đảm gây ảnh hƣởng xấu ít nhất cho các thuê bao khác.
Những nhu cầu thực tế đó là mục tiêu hƣớng tới của nhiều đề tài viễn thông.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN Để có thể dự đoán đƣợc vùng phủ của mạng lƣới trƣớc khi triển khai thực tế, ngƣời quy hoạch mạng cần phải hiểu rõ về môi trƣờng truyền sóng của khu vực. Điều này dẫn tới nhu cầu xây dựng một mô hình truyền sóng phản ánh đúng các đặc tính của môi trƣờng truyền. Đã có nhiều nghiên cứu về các loại mô hình phản ánh đặc tính truyền sóng của môi trƣờng. Có ba loại mô hình: Mô hình xác định, mô hình bán xác định và mô hình thực nghiệm, [2], [5], [6], [15].
Trong đó, mô hình thực nghiệm là phổ biến hơn cả. Luận văn sẽ tìm hiểu những mô hình truyền sóng đã đƣợc nghiên cứu, so sánh ƣu nhƣợc điểm và phạm vi áp dụng của chúng. Tiếp theo, hiệu chỉnh mô hình truyền sóng dựa trên tiêu chuẩn Least Square để đƣa ra một mô hình dự đoán tƣơng đối chính xác đặc tính truyền sóng của các thành phố thủ phủ các tỉnh miền Đông Nam Bộ tại Việt Nam là một mục tiêu quan trọng của luận văn. Một khu vực có vùng phủ tốt chƣa hẳn đã bảo đảm chất lƣợng dịch vụ tốt.
Với quỹ tần số hữu hạn, để bảo đảm các yêu cầu ngày càng cao của ngƣời dùng về chất lƣợng dịch vụ, hệ thống phải tái sử dụng tần số, các hệ thống LTE thậm chí dùng hệ số bằng 1. Điều này đặt ra những thách thức rất lớn về việc kiểm soát can nhiễu đồng kênh, đặc biệt là với các thuê bao ở biên của cell. Tín hiệu thu đƣợc từ cell phục vụ yếu, trong khi tín hiệu từ các cell lân cận lớn trở thành can nhiễu gây suy giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu các thuê bao này. Khác với các giải pháp truyền thống ở các mạng di động 2G và 3G, đề tài sẽ nghiên cứu một kỹ thuật mới để kiểm soát can nhiễu, kỹ thuật truyền phát đa điểm kết hợp.
HVTH: Tạ Hữu Việt GVHD: TS. Hà Hoàng Kha Trang 5 Quy hoạch cell và kỹ thuật giảm can nhiễu trong hệ thống thông tin di động 2015 Các trạm phát đƣợc phối hợp với nhau để cùng truyền phát dữ liệu tới thuê bao nhằm cải thiện hiệu năng hệ thống. Cải thiện hiệu năng hệ thống đƣợc quy về bài toán tối ƣu công suất phát tại trạm phát hoặc tối ƣu tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở thuê bao. Kỹ thuật truyền phát đa điểm kết hợp đòi hỏi điều khiển búp sóng tối ƣu để đạt đƣợc các mục tiêu này.
Bên cạnh đó, kỹ thuật này đòi hỏi các thành phần mạng phải có khả năng xử lý cao. Do khả năng xử lý là hữu hạn, nên cũng có giới hạn cho số lƣợng trạm phát cùng truyền phát dữ liệu đồng thời tới thuê bao. Điều này dẫn tới nhu cầu xác định các trạm phát phục vụ thuê bao để hiệu năng tốt nhất. Luận văn sẽ hƣớng tới một giải pháp gán trạm phát phục vụ cho thuê bao kết hợp với bài toán điều khiển búp sóng tối ƣu để tối thiểu công suất phát trạm phát với điều kiện ràng buộc là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu cuối thuê bao.
Sau khi tìm lời giải cho mục tiêu quan trọng này, luận văn sẽ kiểm chứng giải pháp trên một mô hình hệ thống gần với thực tế dựa trên mô hình truyền sóng đã đƣợc hiệu chỉnh.3 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tƣợng nghiên cứu quan trọng đầu tiên của luận văn là kênh truyền vô tuyến và các yếu tố ảnh hƣởng đến kênh truyền vô tuyến. Các yếu tố ảnh hƣởng, large–scale fading sẽ đƣợc tìm hiểu kỹ hơn, tiếp sau đó là các mô hình truyền sóng (đã đƣợc nghiên cứu và công bố) phản ánh các yếu tố này. Quá trình hiệu chỉnh mô hình truyền sóng thực nghiệm cũng đƣợc nghiên cứu, trong đó chủ yếu tập trung vào cách tiếp cận lý thuyết dựa trên tiêu chuẩn Least Square. Một mô hình truyền sóng cụ thể để dự đoán đặc tính môi trƣờng của các thành phố thủ phủ của các tỉnh miền Đông Nam Bộ cũng là đối tƣợng chính của luận văn.
Mô hình truyền sóng thực nghiệm đƣợc nghiên cứu dựa trên cơ sở tổng kết từ kết quả đo đạc tại các khu vực khác nhau trên thế giới. Luận văn tiến hành đo đạc thực tế tại một số khu vực ở Việt Nam và tìm cách xây dựng công thức toán học mô tả sự khác biệt giữa mô hình ban đầu và kết quả đo đạc thực tế. Trên cơ sở này, luận văn đƣa ra mô hình dự đoán phù hợp hơn với những khu vực khảo sát. Phần mềm đo kiểm là TEMS Investigation, ứng dụng xử lý dữ liệu dựa trên Visual Basic và kết quả hiệu chỉnh đƣợc thể hiện trên Matlab.
HVTH: Tạ Hữu Việt GVHD: TS. Hà Hoàng Kha Trang 6 Quy hoạch cell và kỹ thuật giảm can nhiễu trong hệ thống thông tin di động 2015 Đối tƣợng quan trọng tiếp theo mà luận văn nghiên cứu chính là can nhiễu đồng kênh và các kỹ thuật giảm can nhiễu. Đề tài tập trung nghiên cứu kỹ thuật truyền phát đa điểm kết hợp để kiểm soát can nhiễu trên đƣờng xuống. Trong kỹ thuật này, những đối tƣợng nghiên cứu cụ thể là phép gán trạm phát và kỹ thuật điều khiển búp sóng tối ƣu.
Phép gán trạm phát đƣợc nghiên cứu dựa trên suy hao kênh truyền đƣờng xuống, với thông tin kênh truyền đƣợc lấy từ mô hình truyền sóng phản ánh large–scale fading đã nghiên cứu trƣớc đó, giả thiết các yếu tố small–scale fading là ngẫu nhiên theo phân bố Rayleigh. Kỹ thuật điều khiển búp sóng cũng đƣợc nghiên cứu dựa trên mô hình này với mục tiêu tối thiểu hóa công suất, điều kiện ràng buộc là tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Kỹ thuật đƣợc mô hình hóa thành các biểu thức toán học, quy về bài toán tối ƣu. Bài toán đƣợc biến đổi toán học để đƣa về dạng tối ƣu lồi hình nón bậc hai trƣớc khi giải bằng ứng dụng CVX, kết quả mô phỏng sau cùng đƣợc hiển thị trên Matlab.4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN Đề tài đóng góp những hiểu biết về kênh truyền vô tuyến và các mô hình truyền sóng dựa trên các nghiên cứu trƣớc đây.
Đề tài cũng tổng hợp, so sánh ƣu nhƣợc điểm và phạm vi áp dụng của các mô hình này. Trong đó, mô hình SUI đƣợc nghiên cứu gần đây có vai trò quan trọng do mô tả khá chính xác đáp ứng truyền sóng. Tiếp theo là những nghiên cứu về những phƣơng pháp hiệu chỉnh mô hình truyền sóng, đã có nhiều nghiên cứu trƣớc đó về việc này. Sử dụng cách tiếp cận dựa trên tiêu chuẩn Least Square, đề tài hiệu chỉnh mô hình SUI cho các thành phố trung tâm của các tỉnh miền Đông Nam Bộ.
Hệ quả quan trọng là đề tài đề xuất một mô hình hiệu chỉnh dự đoán kênh truyền của các khu vực khảo sát bằng cách tiếp cận Least Square nêu trên. Nếu không hiểu biết về kênh truyền vô tuyến cũng nhƣ xác định đƣợc mô hình truyền sóng, mạng lƣới sẽ lãng phí không cần thiết nếu nhƣ đƣợc dự đoán thừa, hoặc vùng phủ sẽ bị kém nếu nhƣ dự đoán thiếu. Do đó, những hiểu biết trên là cơ sở quan trọng để ngƣời quy hoạch mạng quy hoạch vùng phủ cho các mạng di động. HVTH: Tạ Hữu Việt GVHD: TS.
Hà Hoàng Kha Trang 7 Quy hoạch cell và kỹ thuật giảm can nhiễu trong hệ thống thông tin di động 2015 Tổng hợp nhiều nghiên cứu, luận văn điểm qua những vấn đề về can nhiễu và các giải pháp giảm can nhiễu truyền thống của mạng 2G, 3G, tiếp theo là những vấn đề quan trọng của kỹ thuật truyền phát đa điểm kết hợp để kiểm soát can nhiễu, biến những hạn chế trƣớc đây trở thành ƣu điểm để tăng hiệu năng hệ thống. Luận văn khảo sát phép gán trạm phát dựa trên suy hao kênh truyền, với bài toán điều khiển búp sóng tối ƣu đƣợc giải bằng cách đƣa về dạng hình nón bậc hai. Khác với các mô hình trƣớc đó thƣờng là các mô hình lý thuyết, luận văn sẽ khảo sát một mô hình gần với thực tế để kiểm chứng hiệu quả của kỹ thuật, với mô hình kênh truyền và các thông số nhƣ nhiễu nền, Rayleigh fading, Log–normal fading gần với thực tế. Khảo sát này sẽ góp phần củng cố những tính toán lý thuyết của phép gán trạm phát kết hợp điều khiển búp sóng trong kỹ thuật đa điểm kết hợp và là cơ sở để phát triển những kỹ thuật này trong thực tế.5 NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN Trong chƣơng 2, các vấn đề cơ bản về large – scale fading và mô hình truyền sóng sẽ đƣợc trình bày: - Những cơ sở lý thuyết về kênh truyền vô tuyến, các yếu tố large – scale fading ảnh hƣởng đến tín hiệu khi tín hiệu đƣợc truyền qua kênh truyền: suy hao, phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ.
- Trên cơ sở đó, đề tài tìm hiểu các phƣơng thức mô hình hóa kênh truyền vô tuyến nhằm dự đoán đáp ứng của kênh truyền, các dạng mô hình truyền sóng đã đƣợc nghiên cứu đến thời điểm hiện tại nhƣ các mô hình xác định, bán xác định hoặc mô hình thực nghiệm.