MỤC LỤC
Chương 1 1
Chương 2 20
2.1 Giới thiệu chương 20
2.2. Một số lý thuyết sử dụng trong thuật toán 20
2.2.1. Hệ số tái sử dụng tần số (Frequency Reuse Factor) 20
2.2.2. Nhiễu đồng kênh 22
2.2.3. Nhiễu kênh lân cận 23
2.2.4. Hiệu ứng gần xa (Near-Far Effect) 24
2.2.5. Tải lưu lượng 26
2.2.6. Cấp độ phục vụ GoS (Grade of Service) 27
2.2.7. Hiệu quả sử dụng kênh 28
2.3. Thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC 29
2.3.1. Tổng quan 29
2.3.2. Thuật toán điều khiển công suất bước động DSSPC 30
2.3.2.1. Khái niệm và lợi ích của độ dự trữ công suất (cửa sổ công suất) 30
2.3.2.2.Sự hoạt động của mạng 31
2.3.2.4.Sự hoạt động của UE 32
Tiêu chuẩn so sánh SIR 34
2.4. Phương pháp điều khiển công suất phân tán ( DPC - Distributed Power
Control) 35
2.4.1. Mô hình hệ thống 35
2.4.3. Thuật toán điều khiển công suất phân tán ( DPC ) 36
2.5. Kết luận 37
3.1. Giới thiệu chương 37
3.2. Tổng quan 37
3.3. Quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên trong hệ thống WCDMA 37
3.4.1. Thông số đầu vào 40
3.4.2. Các công thức tính toán trong chương trình [2] 41
3.4.3. Tính toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC 43
3.4.3.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển 43
C/I Carrier to Interference Ratio - Tỷ số sóng mang trên nhiễu
CD/CA-ICH Collision Detection/Channel Assignment- Indication Channel
Kênh chỉ thị phát hiện tranh chấp/ ấn định kênh
D
DCCH Dedicated Control Channel - Kênh điều khiển dành riêng
ii
DPCCH Dedicated Physical Control Channel - Kênh điều khiển vật lý riêng
DPCH Dedicated Physical Channel - Kênh vật lý riêng
DPC Distributed Power Control - Điều khiển công suất phân tán
DPDCH Dedicated Physical Data Channel - Kênh số liệu vật lý riêng
DL Down Link - Đường xuống
DTCH Dedicated Traffic Channel - Kênh lưu lượng riêng
DSCH Downlink Share Channel - Kênh dùng chung đường xuống
DSSPC Dynamic Step-Size Power Control
Điều khiển công suất theo bước động
DSSS Direct Sequence Spread Spectrum - Trải phổ chuỗi trực tiếp
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
Tốc độ bit tăng cường sử dụng cho nhánh tiến hoá GSM
EIR Equipment Indentification Register - Thanh ghi nhận dạng thiết bị
FACH Forward Access Channel - Kênh truy nhập đường xuống
FCCCH Forward Common Control Channel
Kênh điều khiển chung đường xuống
FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum - Trải phổ nhảy tần
FDD Frequency Division Duplexing
Ghép kênh song công phân chia theo tần số
FDMA Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo tần số
FDCCH Forward Dedicated Control Channel
Kênh điều khiển riêng đường xuống
FOMA Freedom of Mobile Multimedia Access- Truy nhập đa phương tiện tự do
GOS Grade Of Service - Cấp độ phục vụ
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OPC Open-loop Power Control - Điều khiển công suất vòng hở
P
PCCH Paging Control Channel - Kênh điều khiển tìm gọi
PDCP Packet Data Convergence Protocol - Giao thức hội tụ số liệu gói
PN Pseudo Noise - Nhiễu giả ngẫu nhiên
PS Packet Switch - Chuyển mạch gói
PLMN Public Land Mobile Network - Mạng di động công cộng mặt đất
PSTN Public Switched Telephone Network
Mạng chuyển mạch thoại công cộng
Q
QAM Quadrature Amplitude Modulation- Điều biên cầu phương
QoS Quality of Service - Chất lượng dịch vụ
(Q)PSK (Quadrature) Phase-Shift Keying - Khóa dịch pha (vuông góc)
iv
R
RACH Random Access Channel - Kênh truy cập ngẫu nhiên
RRM Radio Resource Management - Quản lý tài nguyên vô tuyến
RNC Radio Network Control - Bộ điều khiển mạng vô tuyến
RLB Radio Link Budgets - Quỹ năng lượng đường truyền vô tuyến
RLC Radio Link Control - Điều khiển kết nối vô tuyến
S
SNR Signal to Noise Ratio - Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu
SCH Synchronization Channel - Kênh đồng bộ
SDCCH Stand alone Dedicated Control Channel - Kênh điều khiển dành riêng
T
TDMA Time Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo thời gian
TDD Time Division Duplexing - Ghép song công phân chia thời gian
THSS Time Hopping Spread Spectrum - Trải phổ nhảy thời gian
WCDMA”. Trong chương này sẽ tập trung đi sâu vào tìm hiểu ý nghĩa, nguyên lý
cũng như cách phân loại về chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA.
Chương 2: “Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và điều khiển
công suất phân tán DPC”. Do đó trong chương này sẽ giới thiệu về lưu đồ thuật
toán cũng như nguyên lý cơ bản của hai phương pháp này.
vi
Chương 3: “Tính toán và đưa ra kết quả”. Đây là chương quan trọng nhất
của tiểu luận. Nội dung chương này sẽ kiểm chứng lại lý thuyết về hai thuật toán
điều khiển công suất DSSPC và DPC.
Việc tính toán và vẽ đồ thị theo từng bước lặp giúp cho chương trình điều
khiển hoạt động theo bước động, đồ thị được vẽ liền nét liên tục, giá trị điều khiển
(SIR, P
dk
) được điều chỉnh liên tục đến khi đạt giá trị tối ưu, các thông số điều
khiển không phải là mặc định mà người điều khiển có thể thiết lập lại cho phù hợp
với hệ thống.
vii
Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA
Chương 1
KỸ THUẬT CHUYỂN GIAO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG
SUẤT TRONG HỆ THỐNG WCDMA
1.1 Giới thiệu
Ở trong chương này chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu về kỹ thuật chuyển giao,
đặc biệt là chuyển giao mềm cũng như các phương pháp điều khiển công suất trong
hệ thống WCDMA. Bởi kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất là những vấn
đề quan trọng nhằm đảm bảo cho các dịch vụ vô tuyến, giữ vững chất lượng QoS
yêu cầu, hạn chế nhiễu giao thoa.
Nội dung chương này sẽ đề cập đến mục đích, các tiêu chuẩn, trình tự cũng
như các loại chuyển giao, đồng thời sẽ phân tích ý nghĩa của việc điều khiển công
suất và các phương pháp của nó trong hệ thống WCDMA.
Loại chuyển giao khác là chuyển giao lưu thông (Traffic Handover). Do
điều kiện nào đó mà dung lượng của một cell tăng đột ngột, khi đó sự tắc nghẽn sẽ
xảy ra. Để giải quyết vấn đề này, người ta chuyển giao sang cell kế cận vì thường
vùng biên của các cell sẽ trùng lên nhau một cách đáng kể.
1.2.2. Tiêu chuẩn khi thực hiện chuyển giao
Tiêu chuẩn chuyển giao phụ thuộc vào loại chuyển giao, vào cell được dự
định chuyển giao đến và kết quả chuyển giao được dự kiến. Đối với chuyển giao
giải cứu, tiêu chuẩn chuyển giao là:
Sai lỗi truyền dẫn.
Suy hao đường truyền.
Trễ truyền dẫn.
Trong quá trình thông tin giữa UE và BS thì các thông tin về chất lượng
truyền dẫn, mức tín hiệu sẽ được UE đo lường liên tục một cách định kỳ. Sau đó,
dựa vào các yếu tố trên đưa ra dự đoán về suy hao đường truyền. UE truyền số liệu
đo lường về BS một đến hai lần trong một giây.
Đối với chuyển giao kiêng kị nhiễu, tiêu chuẩn là kết quả so sánh chất lượng
truyền dẫn với các cell kế cận. Thường chỉ đo được suy hao truyền dẫn giữa các UE
và BS ở đường xuống mà thôi.
2
Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA
Còn đối với chuyển giao lưu thông, tiêu chuẩn là tải lưu lượng của mỗi BS
do MSC và BSC biết được.
1.2.3. Trình tự của chuyển giao
Trình tự của chuyển giao gồm ba giai đoạn chính:
Giai đoạn đánh giá.
Giai đoạn quyết định.
Giai đoạn thực thi.
Nhiệm vụ của ba giai đoạn trong quá trình chuyển giao được minh họa qua
hình vẽ 1.1.
Hình 1.1 Các trình tự của chuyển giao
(1) Cường độ tín hiệu A bằng với mức ngưỡng giới hạn dưới. Còn tín hiệu B
sẽ được RNC nhập vào tập tích cực. Khi đó UE sẽ thu tín hiệu tổng hợp của hai kết
nối đồng thời đến UTRAN.
4
Ngưỡng trên
Tín hiệu tổng
Giới hạn chuyển giao
Thời gian
Tín hiệu B
Ngưỡng dưới
Tín hiệu A
Cường độ tín hiệu
(1)(2)(3)
Hình 1.2 Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao
Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA
(2) Tại vị trí này, chất lượng tín hiệu B tốt hơn tín hiệu A nên nó được coi là
điểm khởi đầu khi tính toán giới hạn chuyển giao.
(3) Cường độ tín hiệu B bằng hoặc tốt hơn ngưỡng giới hạn dưới. Tín hiệu A
bị xóa khỏi tập tích cực bởi RNC.
Kích cỡ của tập tích cực có thể thay đổi được và thông thường ở trong khoảng
từ 1 đến 3 tín hiệu.
1.2.4. Các loại chuyển giao trong hệ thống WCDMA
Chuyển giao trong hệ thống WCDMA phân thành bốn loại:
Chuyển giao trong cùng hệ thống.
Chuyển giao ngoài hệ thống.
Chuyển giao cứng.
Chuyển giao mềm và mềm hơn
Hình 1.3 Các loại chuyển giao trong hệ thống WCDMA
1.2.4.1. Chuyển giao trong cùng hệ thống (Intra-system Handover)
Chuyển giao trong cùng hệ thống bao gồm hai loại: chuyển giao cùng tần số,
r
không còn
hiệu lực. Trường hợp chuyển giao này có thể phát sinh nếu chuyển giao gồm hai
RNC được cung cấp bởi các hãng sản xuất khác nhau. Trong chuyển giao cứng
cùng tần số, UE truyền trong phạm vi dải tần số bằng nhau, nhưng kết nối cũ kết
thúc trước khi kết nối mới có thể được thiết lập, do đó gây ngắt quãng kết nối trong
khoảng thời gian ngắn.
6
Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA
Hình 1.4 Chuyển giao cùng tần số
Chuyển giao cứng khác tần số
Đây là kiểu chuyển giao giống chuyển giao GSM, giữa hai tần số WCDMA f
1
và f
2
. Trong trường hợp chuyển giao này, kết nối qua cell cũ (cell A) bị xoá và kết
nối đến mạng vô tuyến vẫn được duy trì qua cell mới (cell B). Chuyển giao khác tần
số cũng có thể thực hiện giữa hai tần số trong giới hạn của cùng một cell.
Trong chuyển giao khác tần số cần thiết phải đo cường độ tín hiệu và chất
lượng ở các tần số khác trong khi vẫn có các kết nối với tần số hiện tại.
Hình 1.5 Chuyển giao cứng khác tần số
1.2.4.4. Chuyển giao mềm (Soft HO) và mềm hơn (Softer HO)
Chuyển giao mềm và mềm hơn dựa trên nguyên tắc kết nối “nối trước khi
cắt” (“Make before Break”). Chuyển giao mềm hay chuyển giao giữa các cell là
chuyển giao được thực hiện giữa các cell khác nhau. Chuyển giao mềm hơn hay
chuyển giao giữa các đoạn cell là chuyển giao giữa các đoạn cell của cùng một cell.
7
Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA
Chuyển giao mềm
UE phát đến và thu từ hai BS này đồng thời. UE thu đồng thời thông tin từ các
Lợi ích của chuyển giao mềm là quá trình thông tin trên kênh lưu lượng
hướng đi và hướng về. Hệ số thu phải
đủ lớn để đảm bảo thu được vì công
suất phát thấp được yêu cầu trên kênh
lưu lượng hướng đi và hướng về. Điều
này có ý nghĩa là tổng nhiễu của hệ
thống giảm và kết quả là dung lượng
của hệ thống tăng lên, đồng nghĩa với
chất lượng cuộc thoại tốt hơn. Ngoài ra
công suất phát thấp từ UE cũng làm
tăng tuổi thọ và thời gian làm việc của pin. Trong chuyển giao mềm, nếu một trạm
di động thu được tín hiệu điều khiển công suất tăng từ một trạm gốc và thu được tín
hiệu điều khiển công suất giảm từ một trạm gốc khác thì UE sẽ giảm công suất phát
của nó. Để thực hiện điều này có hiệu quả thì phải đảm bảo có một tuyến liên kết
thông tin tin cậy từ trạm gốc thứ hai.
Chuyển giao mềm hơn
Chuyển giao mềm hơn xảy ra giữa
hai hay nhiều sector thuộc cùng một BS.
Trong trường hợp này chỉ có một vòng
điều khiển công suất do BS điều khiển để
phục vụ cả hai đoạn cell.
Trong chuyển giao mềm hơn, UE ở
vùng chồng lấn giữa hai vùng phủ của hai
đoạn cell của BS. Thông tin giữa UE và
BS xảy ra đồng thời trên hai kênh giao
diện vô tuyến. Vì thế, cần sử dụng hai mã khác nhau ở đường xuống để UE có thể
phân biệt được hai tín hiệu. Dữ liệu bị chia nhỏ tại BS và được định tuyến tới các
anten khác nhau. Máy thu của UE nhận hai tín hiệu này bằng phương pháp xử lý
RAKE.
9
cứng và mềm là chuyển giao cứng xảy ra trong một điểm thời gian trong khi chuyển
giao mềm kết thúc sau một giai đoạn thời gian.
10
Hình 1.9 Chuyển giao mềm - mềm hơn
γ
β
α
α
γ
β
Cell thuộc BS A Cell thuộc BS B
Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA
Hình 2.10 Nguyên lý của chuyển giao mềm
Ở đường lên, di động truyền tín hiệu lên không trung qua một anten đa
hướng. Hai BS đang thiết lập hiện hành có thể đồng thời cùng lúc nhận tín hiệu. Do
đó tín hiệu được truyền thẳng tới RNC để kết hợp lựa chọn. Khung tốt hơn sẽ được
lựa chọn, khung còn lại sẽ bị loại bỏ. Do đó ở đường lên không cần thêm kênh để
chuyển giao mềm.
Ở đường xuống, các tín hiệu giống nhau được truyền qua cả hai BS và di
động có thể dễ dàng kết hợp các tín hiệu từ các BS khác nhau do nó xem chúng chỉ
là các thành phần đa đường phụ thêm. Phương án kết hợp hệ số cực đại thường
được sử dụng sẽ cung cấp một lợi ích gọi là sự đa dạng vĩ mô (macrodiversity). Tuy
nhiên để hỗ trợ chuyển giao mềm trong đường xuống ta cần thêm ít nhất một kênh
đường xuống (chuyển giao mềm hai đường). Với những thuê bao khác, kênh đường
xuống thêm vào này tựa như nhiễu thêm trong giao diện vô tuyến. Như thế để hỗ trợ
chuyển giao mềm trong đường xuống cần thêm nhiều tài nguyên. Kết quả là ở
phương đường xuống hoạt động của chuyển giao mềm phụ thuộc vào độ lợi đa dạng
vĩ mô và độ tiêu tốn thêm tài nguyên.
1.3.2. Đặc điểm cơ bản của chuyển giao mềm
Chuyển giao mềm là một hình thức phân tập đường truyền (phân tập vĩ mô).
Cung cấp chất lượng thông tin tốt hơn cho người sử dụng.
12
Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA
Số UE/cell tăng lên cùng với một giá trị E
c
/I
o
(tăng dung lượng).
Công suất phát yêu cầu cho đường lên thấp hơn nên giảm được nhiễu
đường lên.
Do trong chuyển giao mềm, UE có khả năng thông tin đồng thời với nhiều
hơn một trạm gốc (phân tập), điều này làm tăng độ tin cậy của hệ thống, đảm bảo sự
liên tục và chất lượng của tín hiệu.
Giảm thời gian thâm nhập mạng như thiết lập kênh truyền, thời gian đợi
trung bình để có một kênh mới từ BS đích sẽ dài hơn, điều này làm giảm khả năng
gây nghẽn và rớt cuộc gọi.
Một ưu điểm nữa của chuyển giao mềm là khi nó được kết hợp với điều
khiển công suất. Vì vùng chuyển giao mềm là nơi mà cường độ tín hiệu của UE yếu
và khả năng gây nhiễu của nó lên các UE của các các cell lân cận là lớn nhất nên
khi chuyển giao mềm kết hợp với điều khiển công suất sẽ làm cho nhiễu của các UE
tại các vùng này giảm xuống, tức là nhiễu của toàn bộ hệ thống giảm. Điều này sẽ
làm tăng dung lượng của hệ thống và cải thiện chất lượng cuộc thoại.
Những hạn chế của chuyển giao mềm
Thực hiện phức tạp hơn chuyển giao cứng.
Chuyển giao mềm làm giảm dung lượng đường xuống. Do trong quá trình
chuyển giao mềm, UE thông tin đồng thời với hai hay nhiều hơn các trạm gốc, tức
là cũng sẽ có hai hay nhiều hơn các kênh lưu lượng đường xuống được cấp phát cho
UE. Điều này làm giảm tài nguyên mạng, dẫn đến làm giảm dung lượng đường
xuống. Do đó, cần sử dụng thêm tài nguyên mạng ở đường xuống.
Làm tăng nhiễu đường xuống (đến những người sử dụng khác) khi chuyển
Điều khiển công suất được sử dụng cho đường lên để tránh hiện tượng “gần-
xa” và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lên dung lượng của hệ thống. Điều khiển
công suất là điều khiển công suất phát từ mỗi thuê bao sao cho công suất thu của
mỗi thuê bao ở trạm gốc là bằng nhau. Đối với đường xuống không cần điều khiển
công suất ở hệ thống đơn cell, vì nhiễu gây ra của các người sử dụng khác luôn ở
mức không đổi với tín hiệu hữu ích, các tín hiệu đều phát chung và vì thế không xảy
ra sự khác biệt về tổn hao truyền sóng như ở đường lên.
Hình 1.12 Các hiệu ứng gần xa (điều khiển công suất đường lên)
Hình 2.12 cho thấy vấn đề về hiệu ứng gần xa ở đường lên tín hiệu từ những
UE khác nhau được truyền đồng thời trên cùng một băng tần trong hệ thống
WCDMA.
Mục đích chính của kỹ thuật điều khiển công suất là sẽ làm cực đại SIR tại
mỗi kênh của hệ thống WCDMA, giữ yêu cầu tối thiểu QoS của các kênh. Hơn nữa,
điều khiển công suất còn để chống lại hiệu ứng Fading Rayleigh trên tín hiệu truyền
đi bởi việc bù cho Fading nhanh của kênh truyền. Ngoài ra việc điều khiển công
14
Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA
suất còn có tác dụng giảm nhiễu đa đường, vì công suất phát của máy di động thấp
nên làm tăng tuổi thọ của pin.
1.4.2. Phân loại điều khiển công suất
1.4.2.1. Điều khiển công suất cho đường xuống và đường lên
Điều khiển công suất cho đường lên (từ UE đến BS) là một yêu cầu hệ thống
rất quan trọng vì hiệu ứng “gần-xa”. Trong trường hợp này, cần có một dải động để
điều khiển khoảng chừng 80 dB. Ở đường xuống, không yêu cầu điều khiển công
suất trong hệ thống đơn tế bào, từ đó các tín hiệu được truyền cùng nhau và thay đổi
cùng nhau. Tuy nhiên trong hệ thống đa tế bào, nhiễu giao thoa từ các cell bên cạnh
làm giảm sự độc lập từ vị trí các cell đã cho và do đó làm giảm hiệu suất. Như vậy,
phải sử dụng điều khiển công suất trong trường hợp này để làm giảm sự giao thoa
giữa các cell.
1.4.2.2. Điều khiển công suất phân tán và tập trung
máy di động thường phải nằm trong tốc độ điều khiển công suất mạch vòng khép
kín từ trạm gốc. Bằng cách này các máy di động không thể tăng công suất phát quá
lớn cho dù có sự suy giảm đột ngột chất lượng thoại trên kênh hướng xuống. Như
vậy, trong phương pháp này trạm gốc không tham gia vào quá trình điều khiển công
suất.
Nhược điểm của phương pháp OPC là do điều kiện truyền sóng của đường
lên và đường xuống khác nhau, nhất là do fading nhanh nên sự đánh giá sẽ thiếu
chính xác. Tần số trung tâm của các đường lên và đường xuống thường nằm ở các
băng tần khác nhau nên sẽ không có sự đối xứng giữa hai đường, vì thế tổn hao
đường truyền giữa hai đường là khác nhau
Trong hệ thống WCDMA, phương pháp này chỉ được sử dụng để thiết lập
công suất gần đúng khi truy cập mạng lần đầu tiên.
Điều khiển công suất vòng kín
Điều khiển công suất vòng kín (trong hệ thống WCDMA còn gọi là điều
khiển công suất nhanh) chịu trách nhiệm kiểm soát công suất truyền của UE (đường
lên) hay là BS (đường xuống) nhằm phản ứng lại fading của kênh vô tuyến và đạt
được SIR đích do vòng ngoài thiết lập. Ở phương pháp này BS (hoặc UE) thường
xuyên ước tính tỷ số tín hiệu trên can nhiễu thu được (SIR nhận) và so sánh nó với
16
Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA
tỷ số SIR. Ví dụ ở đường lên trạm gốc sẽ so sánh SIR nhận từ UE với SIR đích mỗi
khe thời gian một lần (0,666 ms). Nếu như SIR nhận được lớn hơn SIR đích trạm
gốc sẽ truyền một lệnh điều khiển công suất phát “0” tới UE thông qua đường
xuống dành cho kênh kiểm soát. Nếu SIR nhận nhỏ hơn đích thì BS truyền một lệnh
kiểm soát công suất phát “1” đến UE. Bởi vì tần số điều khiển công suất vòng kín
nhanh nên có thể bù cho fading nhanh và fading chậm.
Hình 1.13 Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín
Kỹ thuật điều khiển công suất vòng kín như vậy (còn gọi là vòng trong) cũng
được sử dụng cho đường xuống mặc dù ở đây không có hiện tượng gần xa vì tất cả
các tín hiệu đến các UE trong cùng một cell đều bắt đầu từ một BS. Tuy nhiên lý do
18
UE không
chuyển động
SIR đích
Thời gian
Copyright: Tài liệu đại học ©