Đề tài Kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS

mỗi UE chỉ được ấn định một DPCCH. Kênh được sử dụng để điều khiển lớp vật lý của DPCH. DPCCH là kênh đi kèm với DPDCH chứa: các ký hiệu hoa tiêu, các ký hiệu điều khiển công suất (TPC: Transmission Power Control), chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải. Các ký hiệu hoa tiêu cho phép máy thu đánh giá hưởng ứng xung kim của kênh vô tuyến và thực hiện tách sóng nhất quán. Các ký hiệu này cũng cần cho hoạt động của anten thích ứng (hay anten thông minh) có búp sóng hẹp. TPC để điều khiển công suất vòng kín nhanh cho cả đường lên và đường xuống. TFCI thông tin cho máy thu về các thông số tức thời của các kênh truyền tải: các tốc độ số liệu hiện thời trên các kênh số liệu khi nhiều dịch vụ được sử dụng đồng thời. Ngoài ra TFCI có thể bị bỏ qua nếu tốc độ số liệu cố định. Kênh cũng chứa thông tin hồi tiếp hồi tiếp (FBI: Feeback Information) ở đường lên để đảm bảo vòng hồi tiếp cho phân tập phát và phân tập chọn lựa. PRACH (Physical Random Access Channel: Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên) Kênh chung đường lên. Được sử dụng để mang kênh truyền tải RACH PCPCH (Physical Common Packet Channel: Kênh vật lý gói chung) Kênh chung đường lên. Được sử dụng để mang kênh truyền tải CPCH CPICH (Common Pilot Channel: Kênh hoa tiêu chung) Kênh chung đường xuống. Có hai kiểu kênh CPICH: P-CPICH (Primary CPICH: CPICH sơ cấp) và S-CPICH (Secondary CPICH: CPICH thứ cấp). P-CPICH đảm bảo tham chuẩn nhất quán cho toàn bộ ô để UE thu được SCH, P-CCPCH, AICH và PICH vì các kênh nay không có hoa tiêu riêng như ở các trường hợp kênh DPCH. Kênh S-CPICH đảm bảo tham khảo nhất quán chung trong một phần ô hoặc đoạn ô cho trường hợp sử dụng anten thông minh có búp sóng hẹp. Chẳng hạn có thể sử dụng S-CPICH làm tham chuẩn cho S-CCPCH (kênh mang các bản tin tìm gọi) và các kênh DPCH đường xuống. P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel: Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp) Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có một kênh để truyền BCH S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel: Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp) Kênh chung đường xuống. Một ô có thể có một hay nhiều S-CCPCH. Được sử dụng để truyền PCH và FACH SCH (Synchrronization Channel: Kênh đồng bộ) Kênh chung đường xuống. Có hai kiểu kênh SCH: SCH sơ cấp và SCH thứ cấp. Mỗi ô chỉ có một SCH sơ cấp và thứ cấp. Được sử dụng để tìm ô PDSCH (Physical Downlink Shared Channel: Kênh vật lý chia sẻ đường xuống) Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có nhiều PDSCH (hoặc không có). Được sử dụng để mang kênh truyền tải DSCH AICH (Acquisition Indication Channel: Kênh chỉ thị bắt) Kênh chung đường xuống đi cặp với PRACH. Được sử dụng để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên của PRACH. PICH (Page Indication Channel: Kênh chỉ thị tìm gọi) Kênh chung đường xuống đi cặp với S-CCPCH (khi kênh này mang PCH) để phát thông tin kết cuối cuộc gọi cho từng nhóm cuộc gọi kết cuối. Khi nhận được thông báo này, UE thuộc nhóm kết cuối cuộc gọi thứ n sẽ thu khung vô tuyến trên S-CCPCH AP-AICH (Access Preamble Acquisition Indicator Channel: Kênh chỉ thị bắt tiền tố truy nhập) Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên cho PCPCH CD/CA-ICH (CPCH Collision Detection/ Channel Assignment Indicator Channel: Kênh chỉ thị phát hiện va chạm CPCH/ấn định kênh) Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH. Được sử dụng để điều khiển va chạm PCPCH CSICH (CPCH Status Indicator Channel: Kênh chỉ thị trạng thái CPCH) Kênh chung đường xuống liên kết với AP-AICH để phát thông tin về trạng thái kết nối của PCPCH Hình 1. 12: Sự chuyển đổi từ kênh truyền tải sang kênh vật lý 1.5.4 Cấu trúc kênh vật lý riêng Hình 1.13 thể hiện cấu trúc kênh vật lý riêng cho đường lên và đường xuống. Từ hình vẽ ta thấy, cấu trúc khung bao gồm một chuỗi các khung vô tuyến, mỗi khung bao gồm 15 khe (dài 10 ms, chứa 38400 chip) và mỗi khe chứa 2560 chip (dài 0,667 ms) bằng một chu kỳ điều khiển công suất (tần số điều khiển công suất là 1500 lần trong một giây). Ở cấu trúc kênh vật lý đường lên cho một khe (một chu kỳ điều khiển công suất). Thông tin về số liệu người sử dụng và báo hiệu được tạo ra ở các lớp cao (từ lớp 2 trở lên) được mang bởi DPDCH đường lên và thông tin điều khiển tạo ra bởi lớp 1 (lớp vật lý) được mang bởi DPCCH. DPCCH bao gồm các ký hiệu hoa tiêu quy định trước (được sử dụng để ước tính kênh và tách sóng nhất quán), các lệnh điều khiển công suất (TPC: Transmit Power Control), thông tin phản hồi (FBI: Feedback Information) cho phân tập phát vòng kín và kỹ thuật phân tập chọn trạm (SSDT: Site Selection Diversity Technique), TFCI (tùy chọn). Có thể không có, một hay một số (nhiều nhất là 6) kênh DPDCH trên một liên kết vô tuyến, nhưng chỉ có một DPCCH cho liên kết này. DPDCH (hoặc các DPDCH) và DPCCH được ghép chung theo mã I/Q với ngẫu nhiên hóa phức. Ở cấu trúc đường kênh vật lý đường xuống thì kênh DPDCH đường xuống và DPCCH đường xuống ghép theo thời gian với ngẫu nhiên hóa phức. Số liệu riêng được tạo ra tại các mức cao hơn trên DPDCH được ghép theo thời gian với các bit hoa tiêu, các lệnh TPC và các bit TFCI (tùy chọn) được tạo ra tại lớp vật lý. Hình 1. 13: Cấu trúc kênh vật lý riêng cho đường lên và đường xuống 1.6 Kết luận chương Sau khi kết thúc Chương 1 thì các vấn đề được đặt ra ở đầu chương đã được giải quyết. Nguồn gốc của hệ thống UMTS đã được làm rõ, hệ thống UMTS được đề xuất bởi tổ chức ETSI của Châu Âu và ARIB của Nhật và được IMT-2000 định chuẩn. Các vấn đề cơ bản về hệ thống UMTS cũng được trình bầy một cách rõ ràng. Như vấn đề về trải phổ đa truy nhập phân chia theo mã, giao diện vô tuyến, các loại kênh,quy hoạch tần số, các loại lưu lượng và dịch vụ QoS. Và quan trọng nhất là các kiến trúc R3,R4,R5 của hệ thống UMTS, qua đó ta thấy được sự phát triển và tiến bộ của mạng UMTS từ việc sử dụng cả hai miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trong R3. Ở R4 miền chuyển mạch kênh trở thành chuyển mạch mềm và kết nối giữa các nút mạng hoàn toàn bằng IP. Đến R5 thì hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện IP hoàn toàn dựa trên chuyển mạch gói. Chương 2: CÁC KỸ THUẬT QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG UMTS 2.1 Giới thiệu chương Mục đích của chương 2 là hiểu được mục đích của việc quản lý tài nguyên vô tuyến và tìm hiểu khái quát về các kỹ thuật quản lý tài nguyên với hai kỹ thuật chính là điều khiển chuyển giao và điều khiển công suất. 2.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM : Radio Resource Management) chịu trách nhiệm về việc quản lý các tài nguyên của giao diện vô tuyến một cách hiệu quả, để có thể đảm bảo được những yêu cầu về chất lượng của dịch vụ, duy trì vùng phủ sóng đã được quy hoạch và cung cấp các dịch vụ chất lượng cao. Các kỹ thuật RRM : Điều khiển chuyển giao ( Handover control). Điều khiển công suất ( Power control). Điều khiển cho phép ( Admission control). Điều khiển tải ( Load control). Các chức năng lập biểu gói ( Packet scheduling functionalities) Điều khiển công suất được sử dụng để duy trì mức nhiễu tối thiểu trên giao diện vô tuyến và đảm bảo các yêu cầu về chất lượng của dịch vụ. Điều khiển chuyển giao thì được sử dụng để xử lý tính di động của thiết bị sử dụng ( UE : User equipment) khi nó chuyển động từ vùng phủ sóng của ô này sang vùng phủ sóng của ô khác. Các kỹ thuật điều khiển cho phép, điều khiển tải và chức năng lập biểu gói được sử dụng thêm để có thể đảm bảo được những yêu cầu về chất lượng dịch vụ đã đề ra và để đạt được thông lượng cực đại với các tốc độ bít khác nhau, các dịch vụ khác nhau và các yêu cầu chất lượng khác nhau Các vị trí điển hình của các thuật toán RRM ở một mạng UMTS được thể hiện ở hình 2.1 Hình 2. 1:Vị trí điển hình của các thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) 2.3 Điều khiển công suất Hệ thống thông tin di động đa năng UMTS là một hệ thống chịu ảnh hưởng nhiều của nhiễu do việc sử dụng chung một tần số cho tất cả các thuê bao và ảnh hưởng của hiệu ứng gần xa. Do đó vấn đề điều khiển công suất trong hệ thống UMTS là hết sức quan trọng nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu lên dung lượng của hệ thống (duy trì tỉ số tín hiệu trên nhiễu SIR ở mức cho phép) để chống lại hiệu ứng gần xa đồng thời kéo dài tuổi thọ của pin. Hình 2. 2: Điều khiển cống suất trong UMTS 2.3.1 Phân loại điều khiển công suất Tồn tại hai kiểu điều khiển công suất: Điều khiển công suất vòng hở : Cho các kênh chung. Điều khiển công suất vòng kín: Cho các kênh riêng DPDCD/DPCCH và chia sẻ DSCH. Điều khiển công suất vòng hở thường được UE (trước khi truy nhập mạng) và nút B (trong quá trình thiết lập đường truyền vô tuyến) sử dụng để ước lượng công suất cần phát trên đường lên dựa trên các tính toán tổn hao đường truyền ở đường xuống và tỷ số tín hiệu trên nhiễu yêu cầu. Điều khiển công suất vòng kín có nhiệm vụ giảm nhiễu trong hệ thống bằng cách duy trì chất lượng thông tin giữa UE và UTRAN ( đường truyền vô tuyến) gần nhất với mức chất lượng tối thiểu yêu cầu đối với kiểu dịch vụ mà người sử dụng đòi hỏi. Điều khiển công suất vòng kín được chia thành đường lên và đường xuống, với mỗi đường lại được chia tương ứng thành 2 loại: Điều khiển công suất nhanh vòng trong tốc độ 1500 Hz. Điều khiển công suất chậm vòng ngoài tốc độ 10 – 100 Hz. 2.3.2 Kỹ thuật điều khiển công suất vòng hở Điều khiển công suất vòng hở thường được UE (trước khi truy nhập mạng) và nút B (trong quá trình thiết lập đường truyền vô tuyến) sử dụng để ước lượng công suất cần phát trên đường lên dựa trên các tính toán tổn hao đường truyền ở đường xuống và tỷ số tín hiệu trên nhiễu yêu cầu. Trong hệ thống CDMA trước đây người ta sử dụng phương pháp này kết hợp với điều khiển công suất vòng kín, còn ở hệ thống UMTS phương pháp điều khiển công suất này chỉ được sử dụng để thiết lập công suất gần đúng khi truy nhập mạng lần đầu. Điều khiển công suất vòng hở được chia làm 2 đường là lên và xuống. Điều khiển công suất vòng hở đường lên cho PRACH Chức năng điều khiển công suất (PC: Power Control) được thực hiện cả ở đầu cuối và UTRAN. Chức năng này đòi hỏi một số thông số điều khiển được phát quảng bá trong ô và công suât mã tín hiệu thu được (RSPC: Received Signal Code Power) được đo tại UE trên P-CPICH tích cực. Dựa trên tính toán của điều khiển công suất vòng hở UE thiết lập các công suất ban đầu cho tiền tố kênh truy nhập vật lý PRACH. Trong thủ tục truy nhập ngẫu nhiên, UE thiết lập công suất phát tiền tố đầu tiên như sau: Preamble_Initial_power = CPICH_Tx_power – CPICH _RSCP + UL_interference + UL_required_CI (2.1) Trong đó: CPICH_Tx-power là công suất phát của P-CPICH. CPICH _RSCP là công suất P-CPICH thu được tại UE. CPICH_Tx_power – CPICH _RSCP là ước tính suy hao đường truyền từ nút B đến UE. UL_interferrence (được gọi là ‘tổng công suất thu băng rộng’) được đo tại nút B và được phát quảng bá trên BCH. UL_required_CI là hằng số tương ứng với tỷ số tín hiệu trên nhiễu được thiết lập trong quá trình quy hoạch mạng vô tuyến. Khi tính toán DPCCH lần đầu thì UE bắt đầu điều khiển công suất vòng ngoài tại công suất : DPCCH_Initial_Power = DPCCH_Power _Offset – CPICH_RSCP (2.2) Trong đó: CPICH_RSCP là công suất mã tín hiệu của P_CPICH đo tại UE. DPCCH_Power _Offset là dịch công suất được tính toán bởi bộ điều khiển cho phép AC ở RNC và được cung cấp đến UE trong suốt quá trình vật mang vô tuyến hay khi cấu hình lại kênh vật lý. DPCCH_Power_Offset = CPICH_Tx_Power + UL_interference + SIRDPCCH - 10×log10(SFDPDCH) (2.3) SIRDPCCH là SIR đích được khởi đầu bởi bộ điều khiển cho phép AC ở RNC cho kết nối đặc biệt. SFDPDCH là hệ số trải phổ đối với DPDCH tương ứng. Kỹ thuật điều khiển công suât vòng hở đường xuống Điều khiển công suất vòng hở được sử dụng để thiết lập công suất khởi đầu của các kênh cơ sở đường xuống trên cơ sở báo cáo được đo từ UE. Chức năng này được thực hiện cả ở UTRAN và UE. Giải thuật để tính toán giá trị công suất khởi đầu DPCCH khi dịch vụ mạng đầu tiên được thiết lập: PTxInitial = - (2.4) Trong đó: R là tốc độ bít của người sử dụng. (Eb/No)DL là giá trị được quy hoạch của đường xuống trong quá trình quy hoạch mạng vô tuyến. W là tốc độ chip. (Eb/No)CPICH là được báo cáo từ UE. α là hệ số trực giao đường xuống. PtxTotal là công suất sóng mang tại Node B được báo cáo cho RNC 2.3.2 Kỹ thuật điều khiển công suất vòng kín đường lên Sơ đồ về nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường lên được thể hiện trên hình 2.3 Hình 2. 3: Nguyên lý hoạt động của phương pháp điều khiển công suất vòng kín đường lên Phương pháp điều khiển công suất vòng trong đường lên Nút B thường xuyên ước tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR= Signal to Interference Ratio) thu được trên hoa tiêu đường lên trong UL DPCCH và so sánh nó với tỷ số SIR đích (SIRđích). Nếu SIRướctính cao hơn SIRđích thì nút B thiết lập bit điều khiển công suất trong DPCCH TPC = 0 để lệnh UE hạ thấp công suất phát (Tùy vào thiết lập cấu hình: chẳng hạn là 1dB) , trái lại nó thiết lập bit điều khiển công suất trong DPCCH TPC = 1 để ra lệnh UE tăng công suất phát (chẳng hạn là 1dB). Chu kỳ đo-lệnh-phản ứng này được thực hiện 1500 lần trong một giây (1,5 KHz) ở W-CDMA. Tốc độ này sẽ cao hơn mọi sự thay đổi tổn hao đường truyền và thậm chí có thể nhanh hơn phađinh nhanh khi MS chuyển động tốc độ thấp. Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên thực hiện điều chỉnh giá trị SIRđích ở nút B cho phù hợp với yêu cầu của từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng các đường truyền vô tuyến là như nhau. Chất lượng của các đường truyền vô tuyến thường được đánh giá bằng tỷ số bit lỗi (BER: Bit Error Rate) hay tỷ số khung lỗi (FER= Frame Error Rate). Chẳng hạn SIR yêu cầu chất lượng của các đường truyền vô tuyến là FER=1%. Phụ thuộc vào tốc độ của MS và đặc điểm truyền nhiều đường nếu ta đặt SIRđích đích cho trường hợp xấu nhất (cho tốc cao độ nhất) thì sẽ lãng phí dung lượng cho các kết nối ở tốc độ thấp. Như vậy tốt nhất là để SIRđích thả nổi xung quanh giá trị tối thiểu để vẫn có thể đáp ứng được yêu cầu chất lượng mà lại có thể không lãng phí dung lượng. Để thực hiện điều khiển công suất vòng ngoài, mỗi khung số liệu của người sử dụng được gắn chỉ thị chất lượng khung là CRC (Cyclic Redundance Check : kiểm tra độ dư vòng). Nếu kiểm tra CRC cho thấy BLERướctính> BLERđích thì SIRđích sẽ bị giảm đi một nấc bằng DSIR, trái lại nó sẽ được tăng lên một nấc bằng DSIR. Lý do đặt điều khiển vòng ngoài ở RNC vì chức năng này thực hiện sau khi thực hiện kết hợp các tín hiệu ở chuyển giao mềm. 2.3.3 Điều khiển công suất vòng kín đường xuống Điều khiển công suất nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu lên dung lượng của hệ thống (duy trì tỉ số tín hiệu trên nhiễu SIR ở mức cho phép) để chống lại hiệu ứng gần xa. Đối với điều khiển công suất đường xuống thì không cần điều khiển ở đơn vị cell vì trong một cell thì UE chỉ nhận tín hiệu từ một Node B duy nhất nên trong điều khiển công suất đường xuống được sử dụng để giảm nhiễu từ nhiều cell khác nhau. Sơ đồ về nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường lên được thể hiện trên hình 2.4 Hình 2. 4: Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường xuống Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống UE nhận được BLER đích từ lớp cao hơn do RNC thiết lập cùng với các thông số điều khiển khác. Dựa trên BLER đích nhận được từ RNC nó thực hiện điều khiển công suất vòng ngoài bằng cách tính toán SIR đích cho điều khiển công suất vòng trong. Nếu BLER ước tính lớn hơn BLER đích thì SIR đích sẽ được giảm đi một lượng ∆SIR, ngược lại khi BLER ước tính < BLER đích thì SIR đích sẽ được tăng lên một lượng ∆SIR. Điều khiển công suất vòng trong đường xuống UE ước tính SIR đường xuống từ các ký hiệu hoa tiêu của DL DPCCH. SIR ước tính này được so sánh với SIR đích. Nếu SIR ước tính này lớn hơn SIR đích, thì UE thiết lập TPC = 0 trong UL DPCCH và gửi nó đến Node B, trái lại UE thiết lập TPC = 1. Tốc độ điều khiển công suất vòng trong là 1500Hz 2.4 Điều khiển chuyển giao 2.4.1 Giới thiệu về chuyển giao Chuyển giao là một khái niệm cơ bản về sự di chuyển của UE trong cấu trúc cell của mạng. Nguyên nhân của việc khởi đầu một tiến trình chuyển giao là do chất lượng đường truyền, sự thay đổi dịch vụ, sự thay đổi tốc độ, do lưu lượng hoặc do sử điều hành và bảo dưỡng. Mục đích của chuyển giao là đảm bảo sự liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi UE di chuyển qua ranh giới các cell của mạng tế bào, giữ vững và đảm bảo yêu cầu về chất lượng, hạn chế tối đa nhiễu giao thoa của toàn hệ thống bằng cách kết nối di động đến một hoặc các node B mạnh nhất. Ngoài ra còn đảm bảo liên lạc di động ( roaming) giữa các mạng khác nhau và phân bố tải tại các vùng điểm nóng. 2.4.2 Các kiểu chuyển giao trong hệ thống UMTS Có bốn dạng chuyển giao trong hệ thống UMTS : Trong đó có ba kiểu chuyển giao mềm và chuyển giao cứng Chuyển giao cứng (Hard Handoff) Chuyển giao mềm (Soft Handoff) Chuyển giao mềm hơn (Softer Handoff) Chuyển giao mềm-mềm hơn (Soft-Sofrer Handoff) Chuyển giao mềm Chuyển giao mềm là chuyển giao trong đó thiết bị người sử dụng UE bắt đầu thông tin với một Node B mới mà vẫn chưa cắt kết nối với Node B cũ, UE phát và thu tín hiệu đồng thời đến hai node B. Ở đường lên thông tin phát đi từ UE được các node B thu lại rồi chuyển đến RNC để được kết hợp chung. Hình 2. 5: Chuyển giao mềm hai đường Chuyển giao mềm chỉ có thể thực hiện được khi cả node B cũ lẫn node B mới đều làm việc ở cùng một tần số. UE thông tin với 2 sector của 2 cell khác nhau (chuyển giao 2 đường) hoặc với 3 sector của 3 cell khác nhau (chuyển giao 3 đường) Hình 2. 6: Chuyển giao mềm 3 đường Node B điều khiển trực tiếp quá trình xử lý cuộc gọi trong quá trình chuyển giao gọi là node B sở cấp. Node B sơ cấp có thể khởi đầu bản tin điều khiển đường xuống. Các node B khác không điều khiển quá trình cuộc gọi được gọi là các node B thứ cấp. Chuyển giao mềm kết thúc khi node B sơ cấp hoặc node B thứ cấp bị loại bỏ. Nếu node B sở cấp bị loại, thì node B thứ cấp trở thành node B sở cấp cho cuộc gọi này. Chuyển giao ba đường có thể kết thúc bằng cách loại bỏ một trong số các nút B và chuyển thành chuyển giao 2 đường Chuyển giao mềm hơn Chuyển giao mềm hơn xảy ra giữa hai hay nhiều sector thuộc cùng một node B. Thiết bị người sử dụng UE thông tin với 2 sector. Hình 2. 7: Chuyển giao mềm hơn Trong chuyển giao mềm hơn UE ở vùng chồng lấn giữa 2 hay nhiều sector của cùng một node B. Thông tin giữa UE và node B xảy ra đồng thời trên hai kênh của giao diện vô tuyến. Vì thế cần sử dụng hai mã khác nhau ở đường xuống để UE có thể phân biệt được tín hiệu. Dữ liệu bị chia nhỏ tại node B và được định tuyến tới các anten khác nhau. Máy thu của UE nhận tín hiệu bằng phương pháp xử lý RAKE. Ở đường lên cũng xảy ra quá trình tương tự, node B thu được kênh mã của UE ở từng sector sau đó chuyển chúng đến cùng máy thu RAKE và kết hợp chúng để được tín hiệu tốt nhất. Chuyển giao mềm – mềm hơn UE thông tin với hai sector cùng thuộc node B thứ nhất và một sector của node B thứ hai. Các tài nguyên mạng cần cho kiểu chuyển giao này gồm tài nguyên cho chuyển giao mềm hai đường giữa node B thứ nhất và node B thứ hai cộng với tài nguyên cho chuyển giao mềm hơn tại node B thứ hai Hình 2. 8: Chuyển giao mềm – mềm hơn Chuyển giao cứng Chuyển giao cứng có thể xảy ra trong một số trường hợp như: chuyển giao từ một cell này sang cell khác khi hai cell có các tần số sóng mang khác nhau hoặc từ một cell này sang cell khác khi các cell này được nối đến hai RNC khác nhau và không tồn tại giao diện Iur giữa hai RNC này. Chuyển giao cứng cùng tần số: Chuyển giao cứng cùng tần số có thể thực hiện khi giao diện Iur 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 suất 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. Chuyển giao cứng khác tần số Đây là kiểu chuyển giao giống chuyển giao GSM, giữa hai tần số WCDMA f1 và f2. Ở trường hợp chuyển giao này, kết nối qua cell cũ (cell A) bị xóa 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 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 2. 9: Chuyển giao cùng tần số Hình 2. 10: Chuyển giao khác tần số 2.5 Điều khiển cho phép Nếu tải của giao diện vô tuyến được cho phép kết nối quá lớn thì vùng phủ sóng của ô sẽ bị giảm đến thấp hơn các giá trị đã được quy hoạch ban đầu và chất lượng dịch vụ của các kết nối hiện có có thể không được đảm bảo. Nên phải thực hiện quá trình điều khiển cho phép. Trước khi cho phép một kết nối mới, điều khiển cho phép phải kiểm tra để kết nối cho phép sẽ không làm thiệt hại diện tích vùng phủ đã quy hoạch của các kết nối hiện có. Điều khiển cho phép đồng ý hoặc từ chối yêu cầu thiết lập một vật mang truy nhập vô tuyến ở mạng truy nhập vô tuyến. Thuật toán điều khiển cho phép được thực hiện khi thiết lập hoặc thay đổi một vật mang. Chức năng của điều khiển cho phép được đặt ở RNC nơi có thể nhận được thông tin về tải từ nhiều ô. Thuật toán điều khiển cho phép đánh giá sự tăng tải gây ra ở một mạng vô tuyến khi xảy ra sự thiết lập vật mang. Đánh giá cần được thực hiện riêng biệt cho đường xuống và đường lên. Yêu cầu vật mang chỉ được tiếp nhận khi cả điều khiển cho phép đường xuống và đường lên tiếp nhận, trái lại nó sẽ bị từ chối về nếu không sẽ xảy ra nhiễu quá lớn trong mạng. Các giới hạn của điều khiển cho phép được thiết lập bởi quá trình quy hoạch mạng. 2.6 Điều khiển tải (điều khiển ứ nghẽn) Một nhiệm vụ quan trọng của quản lý tài nguyên vô tuyến là đảm bảo hệ thống không bị quá tải và duy trì ổn định. Nếu hệ thống được quy hoạch đúng đắn và bộ lập biểu cho các gói làm việc tốt, thì tình trạng quá tải sẽ là ngoại lệ. Tuy nhiên nếu xuất hiện quá tải, điều khiển tải nhanh chóng và có trật tự đưa hệ thống trở lại tải đích được định nghĩa trong quá trình quy hoạch. Các hành động điều khiển tải để giảm tải: Điều khiển tải nhanh đường xuống: Từ chối lệnh tăng công suất đường xuống được nhận từ UE . Điều khiển nhanh đường lên: Giảm Eb/No đích được sử dụng bởi điều khiển công suất nhanh đường lên. Giảm thông lượng của lưu lượng số liệu gói. Chuyển giao đến sóng mang WCDMA khác. Giảm các tốc độ bit của các thuê bao thời gian thực, như codec tiếng AMR. Loại bỏ các cuộc gọi một cách có điều khiển. Hai hành động đầu tiên là các hành động nhanh được thực hiện ở nút B. Các hành động này có thể xảy ra trong một khe thời gian nghĩa là với tần số 1,5 KHz và đảm bảo ưu tiên nhanh các dịch vụ khác nhau. Tỷ số khung lỗi tức thời của các kết nối không nhậy cảm với trễ có thể được tăng để duy trì chất lượng của các dịch vụ không cho phép phát lại. Các hành động này chỉ gây ra tăng trễ đối với các dịch vụ số liệu gói trong khi chất lượng của các dịch vụ thoại và điện thoại có hình vẫn duy trì. Các hành động khác thông thường chậm hơn. Lưu lượng gói được giảm bởi bộ lập biểu gói. Một thí dụ về kết nối thời gian thực có thể giảm tốc độ bit là codec tiếng đa tốc độ AMR. Các chuyển giao giữa tần số và giữa các hệ thống cũng có thể được sử dụng để cân bằng tải và như là các thuật toán điều khiển tải. Hành động cuối cùng là loại bỏ các thuê bao thời gian thực (chẳng hạn như thoại hay các thuê bao số liệu chuyển mạch theo kênh) để giảm tải của hệ thống. Hành động này chỉ được thực hiện nếu tải của hệ thống vẫn giữ nguyên quá cao thậm chí sau khi đã thực hiện các hành động điều khiển tải khác. Giao diện vô tuyến của WCDMA thế hệ thứ ba và sử tăng trưởng lưu lượng phi thời gian thực ở các mạng thế hệ thứ ba sẽ đưa ra khả năng lựa chọn rộng rãi các hành động để xử lý các tình trạng quá tải và vì thế sự cần thiết phải loại bỏ các người sử dụng thời gian thực để giảm quá tải sẽ rất ít khi xảy ra. 2.7 Lập biểu gói Chức năng của bộ lập biểu gói: Phân chia dung lượng của giao diện vô tuyến giữa các người sử dụng gói. Phân chia các kênh truyền tải để sử dụng cho truyền dẫn số liệu của từng người sử dụng. Giám sát các phân bố gói và tải hệ thống. Thông thường bộ lập biểu gói được đặt ở RNC, vì tại đây việc lập biểu có thể thực hiện hiệu quả cho nhiều ô, ngoài ra ở đây cũng xem xét các kết nối chuyển giao mềm. Node B đảm nhiệm việc đo tải lưu lượng cho bộ lập biểu gói. Nếu tải lưu lượng vượt quá mức cho phép, bộ lập biểu lưu lượng có thể giảm tải bằng cách giảm tốc độ bit của các vật mang gói, nếu tải thấp hơn mức cho phép nó có thể tăng tải bằng cách phân bố nhiều số liệu hơn. Bộ lập biểu gói cũng là một phần của bộ điều khiển tải mạng vì nó có thể tăng tải mạng. Bộ lập biểu gói có thể quyết định các tốc độ bit được phân bố và thời gian phân bổ. Trong WCDMA điều này có thể thực hiện bằng hai cách: Theo mã hoặc theo thời gian. Trong thực tế quá trình lập biểu gói là kết hợp của hai phương pháp phân chia theo thời gian và theo mã. 2.8 kết luận chương Các kỹ thuật điều khiển tài nguyên vô tuyến là điều khiển công suất, điều khiển chuyển giao, điều khiển tải, điều khiển cho phép và lập biểu gói đã được tìm hiểu một cách khái quát thông qua chương 2 này. Qua đó chúng ta có thể thấy được tầm quan trọng của các kỹ thuật điều khiển tài nguyên vô tuyến đặc biệt là hai kỹ thuật điều khiển công suất và điều khiển chuyển giao trong việc sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến để có thể đảm bảo được các yêu cầu về chất lượng dịch vụ và cung cấp các dịch vụ chất lượng cao. Chương 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THEO BƯỚC ĐỘNG DSSPC VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUÂT PHÂN TÁN DPC 3.1 Giới thiệu chương Ở chương 2 chúng ta đã được giới thiệu một cách khái quát về kỹ thuật điều khiển công suất. Đến chương 3 này chúng ta sẽ tìm hiểu về hai phương pháp hay hai thuật toán được sử dụng để nâng cao khả năng điều khiển công suất. Một là thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC (Dynamic Step-Size Power Control thuật toán điều khiển công suất phân tán DPC (Distributed Power Control). 3.2 Thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC Thuật toán DSSPC (Dynamic Step Size Power Control ) là phương pháp điều khiển công suất hướng lên thông minh dựa trên việc sử dụng dữ liệu gốc vòng lặp kín và sự tương thích với những nhân tố quản lý tài nguyên vô tuyến Mục đích của thuật toán DSSPC là điều khiển công suất phát ở UE sao cho SIR nhận được ở node B sẽ hội tụ về SIR đích một cách nhanh nhất khi nó bị thay đổi đi do kênh truyền hoặc trạng thái của UE thay đổi. Thuật toán DSSPC sử dụng khái niệm ngưỡng nhiều mức SIR để có thể hội tụ SIR nhanh hơn với điều khiển công suất bình thường. Với trường hợp SIR bị lệch nhiều so với SIR đích thì cần điều khiển công suất thay đổi nhiều hơn. 3.2.1 Khái niệm và lợi ích của độ dự trữ, cửa sổ công suất Độ dự trữ SIR nhiều mức là những giả thiết ban đầu về sự biến đổi của kênh vô tuyến và phải được xác định theo kết quả của phép đo vô tuyến thời gian thực. Giới hạn trên và dưới của độ dự trữ công suất tùy thuộc vào tải/nhiễu của mạng trong truy cập vô tuyến hay tại mức tế bào. Bằng việc xác định độ dự trữ công suất mà hệ thống có thể đạt được các mục tiêu về độ ổn định và chất lượng của mạng. Hình 3. 1: Dự trữ SIR đối với các chất lượng dịch vụ khác nhau Do mạng vô tuyến là môi trường động luôn thay đổi nên vùng dự trữ công suất cũng có thể dao động lên hoặc xuống theo khi mức tải và nhiễu có sự thay đổi. Khi kênh mang vô tuyến được thiết lập, DSSPC sẽ điều khiển mức công suất truyền trong dự trữ công suất để tối ưu mạng. Điều này có thể đạt được nhờ sử dụng thông tin chất lượng dịch vụ QoS của kênh mang cũng như mức nhiễu mà nó gây ra cho mạng và phần dung lượng mạng liên quan đến nhiễu. Để cung cấp chất lượng dịch vụ tốt nhất với mức tối thiểu công suất truyền (hay SIR) cần cân bằng giữa chất lượng dịch vụ QoS, dung lượng mạng, quản lý cước kênh mang,… Tuy nhiên kết quả điều khiển công suất không tất yếu là ở mức thấp nhất có thể. Hình 3.3 là đồ thị mức công suất truyền của trạm di động dưới dạng nhiều mức SIR, được điều khiển để SIR hội tụ đến mức tối ưu. Thay vì chỉ có một ngưỡng của SIR đích, SIR nhiều mức có nhiều ngưỡng, bao gồm giới hạn trên và dưới được xác định. Do đó mỗi dịch vụ như thoại, dữ liệu hay hình ảnh có mức công suất truyền tối ưu đặc biệt mà công suất của UE từ ở mức trên hay ở mức dưới được hội tụ về. 3.2.2 Sự hoạt động của mạng Hình 3. 2: Thuật toán tạo lập TPC trong DSSPC Hình 3.4 là giản đồ hoạt động căn bản của phương pháp DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên. Trong điều khiển công suất đường lên điều khiển truy cập vô tuyến và node B là cơ sở cho điều khiển công suất từng phần của tiến trình điều chỉnh công suất. Điều khiển cho phép và điều khiển công suất của bộ điều khiển truy cập vô tuyến thiết lập các đích chất lượng tín hiệu gồm SIR_max, SIR_opt_max, SIR_opt_min và SIR_min. Điều này có thể dựa trên thông tin lưu lượng sẵn có trong AC (Admission Control) như (cường độ tín hiệu, SIR, các độ ưu tiên truy cập, thông tin hỗ trợ định vị, … Như trong hình 3.4 trạm gốc phát lệnh công suất truyền (TPC : Transmit Power Comand) bằng việc so sánh SIR nhận được tương ứng công suất của kênh đường lên với các ngưỡng xác định của SIR tương ứng với độ dự trữ công suất. 3.2.3 Sự hoạt động của UE Đầu tiên UE nhận lệnh điều khiển công suất từ node B. Nó ghi lệnh điều khiển công suất tiếp theo vào thanh ghi lệnh. Việc thay đổi dữ liệu gốc đuợc lưu trữ ở đây bao gồm dữ liệu về những lệnh điều khiển công suất gần đây nhất, kích cỡ bước (step-size) và tọa độ của UE. UE kiểm tra giá trị của lệnh điều khiển công suất, kích cỡ bước và thông tin hỗ trợ định vị bao gồm sự thay đổi dữ liệu gốc. Nếu lệnh điều khiển công suất hay chuỗi kích thước bước là chẵn, nghĩa là mức công suất không hoàn toàn thay đổi nhưng giữ ổn định và không có sự thay đổi đáng kể công suất truyền. Bước điều khiển công suất DSS (Dynamic Step Size) là kết quả kết hợp của giá trí không đổi và giá trị thay đổi của điều khiển công suất. Do đó UE điều chỉnh công suất truyền của nó bằng cách thêm DSS vào công suất tín hiệu ban đầu Po như sau Ptrx(dB) = Po(dB) + DSS (dB) DSS (dB) = α . β . γ và γ = 1 khi ΔSIR 0 (3.1) Trong phương trình (3.1) α là kích thước bước cố định đã được xác định trước và β là thành phần động của DSS được định nghĩa dựa trên giá trị thực và đích của SIR tương ứng với kết nối vô tuyến. Mục đích của DSS là để bù vào sự suy giảm công suất vì kênh truyền không ổn định. Chúng ta phải định nghĩa giá trị của thông số β và SIR đích. Tuy nhiên, thông tin này đã có sẵn tại trạm gốc. Do đó, việc điều chỉnh công suất truyền đường lên có hai khả năng thực hiện : Thông tin liên quan đến SIR được truyền đến trạm di động bằng cách dùng tín hiệu kênh chuyên dụng hay kênh chung. Bộ phân tích dữ liệu gốc (HDLA: History Data Analyzer Logic) của trạm di động tính toán giá trị của β dựa trên bảng dò tìm (bảng 3.1). Giá trị của β được tính toán tại trạm gốc bằng việc dùng tiêu chuẩn được định nghĩa trong bảng dò tìm. Như một kết quả, thông tin được truyền đến trạm di động thật ra là β. γ . Trong trường hợp trạm di động không cần tính tham số liên quan đến SIR, giảm bớt sự phức tạp và sự tiêu thụ pin của nó. Trong bảng (3.1) ki = ( 0,…,kn+1 ) là số nguyên, có thể tối ưu dựa trên những phép đo thực tế liên quan đến môi trường mạng vô tuyến. Do đó, nó có thể thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổi thời gian thực trong chất lượng tín hiệu vì fading và SIR đích cho kênh mang yêu cầu ánh xạ bởi mạng. Trong ví dụ này các giá trị nhiều mức của SIR đích được định nghĩa là : SIR_max, SIRopt_ max, SIRopt_ min, SIR_min. Bảng 3. 1: Bảng tra cứu ứng dụng DSSPC Tiêu chuẩn so sánh SIR SIRopt_min SIRreal SIRopt_max 0 X SIRopt_max SIRreal SIRmax K1 1 SIRreal > SIRmax K2 1 SIRmin SIRreal SIRopt_min K1 -1 SIRreal < SIRmin K2 -1 Hình 3.3 là mô hình chung của DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên. Node B nhận tín hiệu được truyền bởi UE và hướng tới giữ cường độ tín hiệu nhận được không thay đổi bằng cách gửi lệnh điều khiển đến UE. Hình 3. 3: Mô hình chung của DSSPC với điều khiển công suất đường lên Node B chịu trách nhiệm để đo SIR nhận được và một phần của những phép đo đó yêu cầu thiết lập thông số dự trữ công suất và các SIR đích. Các phép đo được thực hiện sau máy thu phân tập RAKE, nơi kết nối nhiều nhánh khác nhau của tín hiệu nhận được. Tại khối trạm gốc, các giá trị đích và giá trị đo được của SIR được so sánh. Trạm gốc cũng tính toán giá trị tương ứng cho β và γ như định nghĩa trong bảng (3.1) . Để xác định lệnh công suất truyền, bộ phát Node B gửi các lệnh công suất phát (TPCs) đến trạm di động để tăng, giảm hoặc giữ công suất truyền không thay đổi. Tại UE, các lệnh điều khiển công suất được tập hợp thành một vector mà trạm di động ghi vào bộ phân tích dữ liệu gốc (HDLA). HDLA phân tích vector bit lệnh nhận được khi đưa ra giá trị thích ứng của DSS. HDLA đưa ra thành phần thích ứng của DSS dựa trên thông tin nhận được từ trạm gốc dưới dạng luồng bit TPC. Cuối cùng, phần tử điều khiển điều chỉnh công suất truyền của trạm di động dựa trên phương trình (3.1). 3.3 Phương pháp điều khiển công suât phân tán DPC (Distributed Power Control) 3.3.1 Điều khiển công suất phân tán và điều khiển công suất tập trung Thuật toán điều khiển công suất được phân thành điều khiển phân tán và tập trung. Nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển phân tán được thực hiện nhiều hơn đối với điều khiển tập trung bởi vì điều khiển công suất tập trung chịu ảnh hưởng lớn về điều khiển dữ liệu và phải chịu tình trạng mạng không được bảo vệ. Trong kỹ thuật điều khiển công suất phân tán (DPC), tại mỗi trạm sử dụng công suất truyền hiện thời của nó. Kỹ thuật phân tán cũng đơn giản hơn và sử dụng ít thông tin hơn kỹ thuật tập trung. Kỹ thuật phân tán chỉ yêu cầu đo nhiễu đường truyền tại mỗi trạm và tiếp tục truyền đến máy di động tương ứng. Tuy nhiên kỹ thuật phân tán cần nhiều thời gian hơn để tối thiểu hoá mức SIR. Kỹ thuật điều khiển công suất sử dụng theo dạng tập trung yêu cầu thông tin về cường độ tín hiệu của tất cả các kết nối vô tuyến đang hoạt động mà không chú ý khả năng điều chỉnh công suất truyền. Phương pháp này gia tăng sự phức tạp mạng vì thông tin chi tiết trong các mạng di động nhiều ô liên quan được yêu cầu của kênh vô tuyến tập trung là không sẵn sàng trong thời gian thực. Ngược lại, kỹ thuật điều khiển công suất phân tán không yêu cầu thông tin trạng thái tập trung tất cả các kênh riêng lẻ. Thay vào đó, nó có thể thích nghi các mức công suất nhờ sử dụng các phép đo vô tuyến cục bộ, chú ý tới thay đổi chất lượng dịch vụ động thời giải quyết hiệu ứng tồn tại trong hệ thống tế bào. Tuy nhiên, phương pháp này không xét đến sự liên quan giữa các kết nối mới cho QoS của các kết nối hiện hữu. Điều khiển công suất phân tán chỉ sử dụng thông tin SIR và sử dụng kỹ thuật lặp để điều khiển công suất truyền. Thuật toán có khả năng đạt được mức SIR yêu cầu và tối ưu hoá hoạt động của mạng. 3.3.2 Thuật toán điều khiển công suất Mỗi UE điều khiển công suất truyền của nó trong giới hạn cực đại dựa trên thông tin mức công suất của nó và phép đo SIR. Thuật toán DPC điều khiển mức SIR của tất cả các thuê bao để đạt được SIR yêu cầu nếu có thể. Chúng ta đề xuất thuật toán điều khiển công suất phân tán mới sử dụng tham số thay đổi từ thuật toán truyền thống để cải thiện hiệu quả của nó. Hàm công suất mới là vấn đề chính cần thiết để đạt được mức SIR tối thiểu. Nếu SIR của thuê bao trên mức cực tiểu trong suốt thời gian điều khiển công suất thì ít nhất một kết nối UE-Node B sẽ bị cắt. Do vậy, tốc độ hội tụ liên quan đến dung lượng hệ thống. Thuật toán có thể được mô tả như sau : Pi(0) = Pi Pi(n+1) = ek(γT – γi(n))*Pi(n) hay Pi(n+1) (dbm) = ek(γT – γi(n)) (dbm) + Pi(n) (dbm) (3.2) Trong đó k là tham số dương theo kinh nghiệm chọn k = 0,04 là tốt cho cho hầu hết các hệ thống. Nếu k quá lớn tốc độ hội tụ sẽ chậm, nếu k quá nhỏ SIR sẽ dao động. Chúng ta có thể đạt được tốc độ hội tụ nhanh hơn bằng cách tối ưu hoá k. Pi(0) là công suất truyền ban đầu của thuê bao, Pi(n+1) là công suất truyền của thuê bao thứ i trong vòng lặp thứ n, γi(n) (dbm) là SIR của thuê bao thứ i tại vòng lặp thứ n. Theo các kết quả thực nghiệm n được chọn trong khoảng 10-20 là tối ưu. Có các trường hợp sau : Trường hợp 1 : γi(n) < γT Pi(n+1) < Pi(n) (3.3)  Trường hợp 2 γi(n) > γT Pi(n+1) > Pi(n) (3.3)  Trường hợp 3 : γi(n) = γT Pi(n+1) = Pi(n) (3.4) Mục đích chính của thuật toán này là tăng hay giảm công suất truyền của UE dựa trên SIRi (γi) nhận được. Bằng cách điều chỉnh thông số k trong hàm điều khiển công suất, hệ thống sẽ thoả mãn các yêu cầu vận hành khác nhau. 3.4 Công thức tính toán SIRreal từ Pđk Tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm đường lên SIR đối với một thuê bao được xác định như sau: (3.4) Trong đó: SF là hệ số trãi phổ (spreading factor). Pr là công suất thu tại Node B. là hệ số giảm trực giao (0££1). Iintra là nhiễu do tín hiệu từ các UE khác nhau trong cùng một Node B gây ra. Iinter là nhiễu do tín hiệu từ các UE ở các Node B khác gây ra. PN là công suất nhiệt tạp âm (nhiễu nền). Đối với đường lên, không có trực giao nên = 1, trước khi nén phổ SIR được tính theo phương trình sau : (3.5) Sau khi nén phổ tổng công suất can nhiễu I0 = Iintra + Iinter +PN , vì vậy SIR được viết lại như sau : (3.6) với : I = I0 . Bw Viết lại công thức theo dB: SIR = SF (dB) +Pr (dB) – Io – 10. lg(Bw) (dB) (3.7) Hệ số trải phổ Hay (dB) (3.8) Trong đó: Rt là tốc độ dữ liệu (Mbps) Công suất tín hiệu thu được của một UE tại Node B: Pr = Pme + Lp + Al + Gt + Lt (dBm) (3.9) Trong đó: Pr : Công suất tín hiệu thu được của một UE tại Node B (dBm) Lp: Tổn hao truyền sóng cho phép đối với vùng phủ của ô (dB) Al: Dự trữ phadinh log chuẩn (dB) Gt: Hệ số khuyếch đại anten trạm gốc (dBi) Lt: tổn hao conector và cáp thu ở Node B (dB) Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE khác trong cùng một Node B gây ra: Iintra = Pr + 10 lg(Nt - 1) + 10 lgCa – 10 lgBw (dBm/Hz) (3.10) Trong đó: Iintra: Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE khác trong cùng một Node B gây ra (dBm/Hz). Ca: Hệ số tích cực thoại kênh lưu lượng (0,4 ÷ 0,6). Nt: Số kênh lưu lượng trong cell đang xét. Bw : Độ rộng băng tần (Hz) Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE ở các Node B khác gây ra: Iinter = Iintra + 10. lg(1/ fr -1 ) (dBm/Hz) (3.11) Ictr: Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE ở các Node B khác gây ra (dBm/Hz). fr: Hệ số tái sử dụng tần số. Mật độ tạp âm nhiệt (nhiễu nền): N0 = 10 lg (290 * 1,38 . 10 -23) + Nf + 30 (dBm/Hz) (3.12) Trong đó: No: Mật độ tạp âm nhiệt tại nhiệt độ 290 (K). Nf: Hệ số tạp âm của máy thu Node B (dB). Mật độ phổ công suất nhiễu: I0 = 10 lg ( 10 0,1.Iintra + 100,1.Iinter + 10 0,1. N0 ) (dBm/Hz) (3.13) 3.5 Kết luận chương Trong chương này chúng ta đã tìm hiểu về hai kỹ thuật hay thuật toán điều khiển công suất là điều khiển theo bước động DSSPC và điều khiển công suất phân tán DPC. DSSPC thực hiện điều khiển công suất bằng cách sử dụng khái niệm ngưỡng nhiều mức SIR, tạo điều kiện để đưa công suất truyền của UE giảm đến mức tối ưu trong khi vẫn duy trì thông tin (tỷ số SIR) đạt được các yêu cầu về chất lượng. Trong khi đó, phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC cũng dùng thông tin về tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa SIR nhưng mức ngưỡng SIR(i) được điều chỉnh cho phù hợp với từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng đường truyền tốt nhất. Do đó DPC có khả năng đạt được mức SIR yêu cầu và hệ thống hoạt động ổn định hơn các phương pháp điều khiển công suất truyền thống. Tuy nhiên DPC cần nhiều thời gian hơn để tối thiểu hoá mức SIR. Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng, tuy nhiên cả hai phương pháp đều điều chỉnh công suất truyền hiệu quả hơn các phương pháp điều khiển công suất truyền thống. Do đó cả hai phương pháp này hi vọng sẽ là cơ sở để nghiên cứu nhằm điều khiển công suất cho một số hệ thống thông tin di động thế hệ ba hiện nay. Chương 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 4.1 Giới thiệu chương Ở chương 3 chúng ta đã nghiên cứu kỹ về hai thuật toán điều khiển công suất thông minh là DSSPC và DPC. Đến chương 4 này chúng ta sẽ thực hiện tính toán với quỹ công suất và viết lưu đồ thuật toán cũng như kết quả mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng Matlab. 4.2 Phần mềm mô phỏng Matlab Matlab (Matric Laboratory) là phần mềm của công ty Math Works thuộc cộng hòa Séc. Với nhiều phiên bản khác nhau, Matlab cho phép chạy trên các máy tính có hệ điều hành khác nhau như DOS, UNIX, APPLE, WINDOW, LINUX…Là phần mềm rất mạnh để tính toán và mô phỏng các bài toán kỹ thuật. Giao diện thân thiện và tập lệnh cũng như hàm con phong phú giúp người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện công việc. 4.3 Quỹ đường truyền cho hệ thống UMTS được sử dụng để tính toán Bảng 4. 1: Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ số liệu thời gian thực 144kbit/s (3km/giờ, người sử dụng trong nhà được phủ sóng bởi BS ngoài trời, kênh xe ô tô kiêu A, có chuyển giao mềm) Dịch vụ số liệu thời gian thực 144 kbit/s Máy phát UE Công suất phát cực đại 0,25 W (24 dBm) Hệ số khuyếch đại anten (dBi) 2,0 Tổn hao cơ thể (dB) 0.0 EIRP (dB) 26 Máy thu Node B Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) -174,0 Hệ số tạp âm máy thu Node B (dB) 5.0 Mật độ phổ tạp âm máy thu (dBm/Hz) -169,0 Công suất tạp âm máy thu (dBm) -103,2 Dự trữ nhiễu 3,0 Công suất nhiễu ở máy thu (dBm) -103,2 Tổng tạp âm hiệu dụng cộng nhiễu (dBm) -100,2 Độ lợi xử lý (dB) 14,3 Eb/N0 1,5 Độ nhậy máy thu (dBm) -113,0 Các phần tử khác Hệ số khuyếch đại anten trạm gốc (dBi) 18,0 Tổn hao cáp ở Node B (dB) 2,0 Dự trữ pha dinh nhanh 4,0 Tổn hao đường truyền cực đại 151,0 Xác suất phủ sóng (%) 80 Hằng số phadinh log chuẩn 12,0 Thừa số mô hình truyền sóng 3,52 Dự trữ pha dinh log chuẩn (dB) 4,2 Độ lợi chuyển giao mềm (dB), đa ô 2,0 Tổn hao trong nhà (dB) 15,0 Tổn hao truyền sóng cho phép đối với vùng phủ của ô (dB) 133,8 4.4 Phương pháp tính toán Hai thuật toán điều khiển công suất DSSPC và DPC đều được sử dụng để điều khiển công suất nhanh vòng trong, SIR thu được tại Node B được so sánh với SIR đích có sẵn tại Node B để có thể thay đổi công suất phát của UE một cách hợp lý. Công thức tính toán liên hệ giữa công suất phát Pt của UE và SIR thu được tại Node B được đưa ra ở chương 3. Sau đây chúng ta sẽ tính toán SIR với số liệu thực tế trong quỹ công suất của dịch vụ truyền số liệu thời gian thực 144kbit/s. Đặt Pt = Pmax = 24 (dbm) Công suất tín hiệu thu được của một UE tại Node B: Pr = Pt + Lp + Al + Gt + Lt (dbm) Trong đó: Lp: Tổn hao truyền sóng cho phép đối với vùng phủ của ô = -133,8 (db) Al: Dự trữ phadinh log chuẩn = -4,2 (db) Gt: Hệ số khuyếch đại anten trạm gốc = 18 (dbi) Lt: tổn hao conector và cáp thu ở Node B = -2 (db) Nên Pr = 24 + (-133,8) + (-4,2) + 18 + (-2) = -96 (dbm) Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE khác trong cùng một Node B gây ra: Iintra = Pr + 10 lg(Nt - 1) + 10 lgCa – 10 lgBw (dBm/Hz) Trong đó: Iintra: Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE khác trong cùng một Node B gây ra (dBm/Hz) Ca: Hệ số tích cực thoại kênh lưu lượng = 0,6 Nt: Số kênh lưu lượng trong cell đang xét = 4 Bw : Độ rộng băng tần = 3840000 (Hz) Nên Iintra = -96 + 10 lg(4 - 1) + 10 lg(0,6) – 10 lg3840000 = -159,29 (dBm/Hz) Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE ở các Node B khác gây ra: Iinter = Iintra + 10. lg(1/ fr -1 ) (dBm/Hz) Ictr: Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE ở các Node B khác gây ra (dBm/Hz). fr: Hệ số tái sử dụng tần số = 0,65 Nên Iinter = -159,29 + 10. lg(1/ 0,65 -1 ) = -161,98 (dBm/Hz) Mật độ tạp âm nhiệt (nhiễu nền): N0 = 10 lg (290 * 1,38 . 10 -23) + Nf + 30 (dBm/Hz) Trong đó: No: Mật độ tạp âm nhiệt tại nhiệt độ = 290 (K). Nf: Hệ số tạp âm của máy thu Node B = 5 (dB). Nên N0 = 10 lg (290 * 1,38 . 10 -23) + 5 + 30 = -168,98 (dBm/Hz) Mật độ phổ công suất nhiễu: I0 = 10 lg ( 10 0,1.Iintra + 100,1.Iinter + 10 0,1. N0 ) Hệ số trải phổ (dB) Trong đó Rt là tốc độ dữ liệu = 3840 (Mbps) Nên (dB) Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR SIR = SF (dB) + Pr (dB) – Io – 10. lg(Bw) = 14,25 - 96 - (-157,13) – 10. lg(3840000) = 9,53 (db) = 39,53 (dbm) 4.5 Mô phỏng thuật toán DSSPC 4.5.1 Lưu đồ thuật toán và thiết lập ban đầu cho phương pháp điều khiển công suất theo bước DSSPC Hình 4.1 thể hiện lưu đồ thuật toán của phương pháp điều khiển công suất bước động với các thông số khởi tạo ban đầu là: Công suât phát lớn nhất và nhỏ nhất của thiết bị di động UE Pmax = 24 dbm Pmin = -15 dbm Số lượng UE NUE = 3 tương ứng là UE1, UE2 và UE3 Giới hạn của vòng lặp NL = 100 ứng với 100 lần điều khiển công suất Các chỉ số SIR theo mức SIR_max =36.5 dBm SIRopt_ max =33 dBm SIRopt_ min = 27 dBm SIR_min = 19.5 dBm Công suất phát được giả thiết ban đầu của các UE được thiết lập trên giao diện mô phỏng nằm trong khoảng (Pmin,Pmax) Các đại lượng, βmax, βmin α = 0.5 βmax = 2 βmin = 1 Bắt đầu Lap = 1 i = 1 SIRreali SIRreal > SIRmax SIRopt_max SIRreal SIRmax Các thông số SIRopt_min SIRreal SIRopt_max SIRmin SIRreal SIRopt_min Lệnh giảm công suất truyền Pđki = Poi - αβmax Lệnh giảm công suất truyền Pđki = Poi - αβmin Công suất nhận là tối ưu Pđki = Poi Lệnh tăng công suất truyền Pđki = Poi + αβmin Lệnh tăng công suất truyền Pđki = Poi + αβmin Pmin ≤ Pđki ≤ Pmax Poi = Pđki i = i +1 i ≤ NUE Lap = Lap + 1 Lap ≤ NL Kết thúc Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Sai Sai Sai Sai Sai Sai Đúng Sai Hình 4. 1: Thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC 4.5.2 Kết quả mô phỏng Hình 4. 2: Mô phỏng sự thay đổi của công suất phát tại 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DSSPC Hình 4. 3: Mô phỏng sự thay đổi của tỷ số SIR thu được tại Node B tương ứng với 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DSSPC Nhận xét: Khi chưa tiến vào vùng SIR tối ưu [SIRoptmax,SIRoptmin]:Công suât phát ở UE và tỷ số SIR thu được tại Node B biến đổi tỷ lệ thuận với nhau. Sau khi hội tụ đến vùng SIR tối ưu [SIRoptmax,SIRoptmin]: Công suất phát ở UE và tỷ số SIR thu được tại Node B đạt được trạng thái ổn định không thay đổi theo thời gian. 4.6 Mô phỏng thuật toán DPC 4.6.1 Lưu đồ thuật toán và thiết lập ban đầu cho phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC Bắt đầu Lap = 1 i = 1 γi(SIRreali) γi = γT(SIRdich) Các thông số Công suất nhận là tối ưu Pđki = Poi Lệnh tăng công suất truyền Pđki = Poi + 10log(ek(γT – γi)) Pmin ≤ Pđki ≤ Pmax Poi = Pđki Lap = 1 i = i +1 Lap = 1 i ≤ NUE Lap = Lap + 1 Lap ≤ NL Kết thúc Đúng Đúng Sai Đúng Sai Sai Sai Đúng Hình 4. 4: Thuật toán điều khiển công suất phân tán DPC Hình 4.4 thể hiện lưu đồ thuật toán của phương pháp điều khiển công suất phân tán với các thông số khởi tạo ban đầu là: Công suât phát lớn nhất và nhỏ nhất của thiết bị di động UE Pmax = 24 dbm Pmin = -15 dbm Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIRdich SIRdich = 33 dbm Chọn hệ số k = 0.02 4.6.2 Kết quả mô phỏng Hình 4. 5: Mô phỏng sự thay đổi của công suất phát tại 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DPC Hình 4. 6: Mô phỏng sự thay đổi của tỷ số SIR thu được tại Node B tương ứng với 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DPC Nhận xét: Đồ thị của công suất phát và tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR biến thiên theo dạng hàm số sô mũ. 4.7 Kết luận chương Chương 4 đã đưa ra được các kết quả mô phỏng với các thông số cụ thể của hai thuật toán điều khiển công suất thông minh là điều khiển công suất theo bước động DSSPC và điều khiển công suất phân tán DPC. Quá đó ta có thể thấy được quá trình hoạt động cũng như hiệu quả trong điều khiển của chúng. Kỹ thuật điều khiển công suất theo bước DSSPC sử dụng khái niệm ngưỡng nhiều mức tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR. Đạt được tốc độ điều khiển công suất nhanh. Nên có thể chi phối hợp một cách linh hoạt đối với sự thay đổi fadinh của tín hiệu truyền. Kỹ thuât điều khiển công suất phân tán DPC thì sử dụng ít thông tin hơn, chỉ yêu cầu đo nhiễu đường truyền tại mỗi trạm và tiếp tục truyền đến máy di động tương ứng. Tuy nhiên kỹ thuật phân tán cần nhiều thời gian hơn để tối thiểu hoá mức SIR. KẾT LUẬN CHUNG Kỹ thuật điều khiển công suất là một trong hai kỹ thuật quan trọng nhất được sử dụng để quản lý tài nguyên vô tuyến trong mạng UMTS, để duy trì chất lượng của mạng ở trạng thái tốt nhất. Thông qua những nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển công suất, đồ án đã trình bầy được khái quát về hệ thống UMTS cũng như tầm quan trọng của việc quản lý tài nguyên vô tuyến và mô phỏng thành công hai kỹ thuật điều khiển công suất vòng trong đường lên thông minh. Việc tìm và phát triển các thuật toán điều khiển thông minh rất quan trọng để có thể tăng hiệu quả của việc điều khiển công suất. Tuy nhiên đồ án vẫn còn hạn chế là mới chỉ dừng lại ở việc mô phỏng quá trình điều khiển công suất vòng trong đường lên nhưng chưa mô phỏng được quá trình điều khiển công suất vòng ngoài hay vòng trong đường xuống. Hướng phát triển của đồ án trong tương lai chính là tìm hiểu thêm các thuật toán mới hiệu quả hơn cũng như có thể mô phỏng được các quá trình điều khiển công suất vòng ngoài. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. TS . Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động GSM, Trung tâm thông tin Bưu điện, Nhà xuất bản Bưu điện, 1999 2. TS . Nguyễn Phạm Anh Dũng, Giáo trình thông tin di động thế hệ ba, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Nhà xuất bản Bưu điện, 2004 3. TS . Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động thế hệ 3 (Tập 1), Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Nhà xuất bản Bưu điện, 2001. TS . Nguyễn Phạm Anh Dũng, Thông tin di động thế hệ 3 (Tập 2), Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Nhà xuất bản Bưu điện, 2002 4. TS . Nguyễn Phạm Anh Dũng, Bài giảng Viettel 5. Phạm Công Hùng, Nguyễn Hoàng Hải, Tạ Vũ Hằng, Vũ Thị Minh, Đỗ Trọng Tuấn, Nguyễn Văn Đức, Giáo trình thông tin di động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật hà hội, 2007 6. Harri Holma and Antti Toskalawiley, wcdma for umts radio access for third generation mobile communications 2004 7. Google.com 8. Vntelecom.org/diendan