Đề tài Điều khiển công suất và quản lý tài nguyên vô tuyến trong hệ thống W-CDMA

MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3G 3rd Generation Thế hệ thứ 3 3GPP Third Generation Partnership Project Tổ chức chuẩn hóa các công nghệ mạng thông tin di đông tế bào 8-PSK 8 Phase Shift Keying Điều chế dịch pha 8 trạng thái 3GPP R99 Release 1999 of 3GPP UMTS Stander Phiên bản 1999 của 3GPP UMTS A AMPS Advanced Mobile Phone Service Dịch vụ điện thoại tiên tiến AMR Adaptive Multirate Đa tốc độ thích nghi AGC Automatic Gain Control Bộ điều khiển tăng ích tự động AuC Authentication Center Trung tâm nhận thực B BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit BLER Block Error Rate Tốc độ lỗi Block BMC Broadcast/ Multicast Control Điều khiển quảng bá/ đa phưong tiện BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc BMC Broadcast/ Multicast Control Điều khiển quảng bá/ đa phưong tiện C CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CEPT Conference European of Postal and Telecommunications Tổ chức các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông châu Âu CN Core Network Mạng lõi CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CRC Cylic Redundancy Check Mã vòng kiểm tra dư thừa CS Circuit Switched Chuyển mạch kênh D DECT Digital Enhanced Cordless Telecommunications Chuẩn viễn thông không dây số DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng DS Direct Sequence Chuỗi trải phổ trực tiếp E EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Cải thiện tốc độ dữ liệu cho phát triển GSM EIR Equipment Identity Centre Trung tâm chỉ thị thiết bị EIRP Equivalent Isotropic Radiated Power Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ETSI European Telecommunications Standard Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu F FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access FER Frame Error Rate Tỷ số lỗi khung G GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng GMSC Gateway MSC MSC cổng GMSK Gausian Minimum Shift Keying Điều chế dịch pha tối thiểu Gauss GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM Global System for Mobile Communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu H HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú HSCSD High Speed Circuit Switched Data Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSDPA High-speed Downlink Packet-data Access Truy nhập dữ liệu gói hướng xuống tốc độ cao I IMT-2000 International Mobile Telecommunications-2000 Viễn thông di động quốc tế 2000 IS-54 Interim Standard-54 Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA của châu Mỹ (do AT&T đề xuất) IS-95 Interim Standard-95 Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA của Mỹ (do Qualcomm đề xuất) ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số đa dịch vụ ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ Internet ITU-R International Telecommunication Union-Radio Sector Liên hiệp viễn thông quốc tế - vô tuyến K KPI Key Performace Indicator Bộ chỉ thị hiệu năng chính L LLC Logical Link Control Điều khiển liên kết logic M MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MS Mobile Station Trạm di động MSC Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động N NAMPS Narrow-band Advanced Mobile Phone System Hệ thống di động tiên tiến băng hẹp O ODMA Opportunity Driven Multiplex Access Đa truy cập theo cơ hội OQPSK Offset Quadrature Phase Shift Keying Kỹ thuật điều chế trực giao hiệu chỉnh P PDC Personal Digital Cellular Hệ thông tin số cá nhân PDCH Packet Data CHannel Kênh dữ liệu gói PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng PS Packet-switched Chuyển mạch gói PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Q QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế dịch pha cầu phương R RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RLB Radio Link Budgets Quỹ năng lượng đường truyền RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RRM Radio Resouse Management Quản lý tài nguyên vô tuyến S SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SRNC Serving RNC RNC phục vụ T TACS Total Access Communications System Hệ thống thông tin truy nhập toàn diện TCH Traffic Channel Kênh lưu lượng TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TD-SCDMA Time Division-Synchronous Code Division Access Đa truy cập theo mã đồng bộ phân kênh theo thời gian TTA Telecommunications Technologies Association Liên hiệp các công nghệ viễn thông TTC Telecommunications Technology Committee Ủy ban công nghệ viễn thông U UE User Equiment Thiết bị người sử dụng UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu USIM Universal Subscriber Indentity Module Bộ phận nhận dạng trạm gốc UTRAN UMTS Terresrial Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS V VLR Visitor Location Register Thanh ghi định vị tạm trú VMS Virtual Memory System Hệ thống bộ nhớ ảo W W-CDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DANH MỤC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Các thông số cơ bản của hệ thống thông tin tế bào số 14 2.1 Giá trị Eb/N0 yêu cầu trong trường hợp có và không có điều khiển công suất nhanh 40 2.2 Công suất phát tương đối yêu cầu trong trường hợp có và không có điều khiển công suất nhanh 40 2.3 Các mức tăng công suất được minh họa của kênh ITU Pedestrian A đa đường với phân tập anten 43 2.4 Kết quả mô phỏng dịch vụ AMR, BLER = 1%, sử dụng điều khiển công suất vòng ngoài 47 3.1 Tổng kết chuyển giao 68 4.1 Các thông số cho trạm di động MS 75 4.2 Các thông số cho trạm gốc BS 75 4.3 Quỹ đường truyền tham khảo cho các dịch vụ khác nhau 75 4.4 Giá trị K theo cấu hình site 77 4.5 Mối quan hệ giữa dự trữ nhiễu được yêu cầu ứng với tải cell 78 4.6 Các thông số sử dụng trong tính toán hệ số tải đường lên 80 4.7 Các thông số sử dụng trong việc tính toán hệ số tải liên kết đơn 83 4.8 Nhu cầu về lưu lượng của một vùng cần tính toán 92 4.9 Bảng các thông số khi tính toán thiết kế hệ thống W-CDMA 92 4.10 Bảng kết quả tính số cell theo dung lượng 95 4.11 Bảng kết quả tính số cell theo vùng phủ 97 4.12 Bảng kết quả tính số cell 97 4.13 Bảng kết quả số cell tối ưu giữa vùng phủ và dung lượng 100 DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình vẽ Tên hình vẽ Trang 1.1 Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G 15 1.2 Mô hình khái niệm mạng W-CDMA 22 1.3 Mô hình cấu trúc hệ thống W-CDMA 23 1.4 Cấu trúc mạng lõi theo tiêu chuẩn 3GPP R99 27 1.5 Cấu trúc giao thức ở giao diện vô tuyến 29 1.6 Các loại kênh trong UTRAN 30 1.7 Tín hiệu trải phổ 31 1.8 Các vị trí điển hình của RRM trong mạng W-CDMA 32 1.9 Đường cong tải 34 2.1 Hiệu ứng gần-xa (điều khiển công suất trên đường lên) 37 2.2 Bù nhiễu ở kênh lân cận (điều khiển công suất ở đường xuống) 38 2.3 Công suất phát và thu trong 2 nhánh (công suất khoảng hở trung bình 0¸10 dB); Kênh fading Rayleigh tại tốc độ 3 Km/h 41 2.4 Công suất phát và thu trên 3 nhánh (công suất khoảng hở như nhau); Kênh fading Rayleigh tại tốc độ 3 Km/h 42 2.5 Công suất tăng trong kênh fading với điều khiển công suất nhanh 43 2.6 Trôi công suất đường xuống trong chuyển giao mềm 44 2.7 Kiểm tra độ tin cậy của điều khiển công suất đường lên tại UE trong chuyển giao mềm 45 2.8 Tính toán chất lượng trong điều khiển công suất vòng ngoài tại RNC 49 2.9 Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên cho nhiều dịch vụ trên một kết nối vật lý 50 3.1 Các kiểu chuyển giao khác nhau 53 3.2 Các thủ tục chuyển giao 56 3.3 Sự so sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm 58 3.4 Nguyên lý chuyển giao mềm (trường hợp 2 đường) 59 3.5 Thuật toán chuyển giao mềm của IS-95A 60 3.6 Thuật toán chuyển giao mềm W-CDMA 61 3.7 Giảm nhiễu hướng lên bằng cách sử dụng SHO 63 3.8 Chuyển giao giữa hệ thống W-CDMA & GSM 65 3.9 Thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống 65 3.10 Nhu cầu chuyển giao giữa các tần số sóng mang W-CDMA 67 3.11 Thủ tục chuyển giao giữa các tần số 67 3.12 Một ví dụ về mô hình chuyển giao 69 4.1 Quá trình quy hoạch mạng W-CDMA 70 4.2 Các kiểu môi trường phủ sóng trong hệ thống W-CDMA 72 4.3 Tính toán bán kính cell 77 4.4 Chia sẻ nhiễu giữa các cell ở W-CDMA 86 4.5 Quá trình tính toán vùng phủ và dung lượng lặp 87 4.6 Quá trình tối ưu mạng 90 4.7 Đo đạc hiệu năng của mạng 90 4.8 Sơ đồ thuật toán tối ưu số cell giữa dung lượng và vùng phủ 100 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, thông tin liên lạc đóng một vai trò rất quan trọng, nó quyết định nhiều mặt hoạt động của xã hội, giúp con người nắm bắt nhanh chóng các thông tin văn hóa, kinh tế, khoa học kỹ thuật rất đa dạng và phong phú. Với tốc độ cao, dịch vụ phong phú và đa dạng của thông tin di động không chỉ hạn chế ở tín hiệu thoại thông thường mà còn mở rộng ra các dịch vụ đa phương tiện khác như truyền âm nhạc, số liệu tốc độ cao, hình ảnh,... Nhu cầu ngày càng tăng làm cho các hệ thống sử dụng công nghệ 2G và 2,5G hiện nay không đáp ứng được. Người ta đã nghiên cứu thành công thông tin di động thế hệ mới là hệ thống di dộng 3G đảm bảo được các yêu cầu đó và đang được các nước trên thế giới thử nghiệm và triển khai sự dụng. Ở nước ta thông tin di động thế hệ 3 đã và đang được đưa vào sử dụng nhằm đáp ứng được nhu cầu sử dụng của mọi người, giúp Việt Nam hội nhập nhanh chóng với các nước trên thế giới. Với mong muốn tìm hiểu về một lĩnh vực viễn thông còn mới mẻ ở Việt Nam cùng với kiến thức trong những đã tích lũy được trong quá trình học tập và sự giúp đỡ của các thầy cô, bạn bè, em đã đăng ký đề tài tốt nghiệp “Điều khiển công suất và quản lý tài nguyên vô tuyến trong hệ thống W-CDMA”. Nội dung đồ án gồm 4 chương: Chương I: Sự phát triển của thông tin di động. Chương II: Điều khiển công suất trong hệ thống W-CDMA. Chương III: Chuyển giao trong hệ thống W-CDMA. Chương IV: Quy hoạch mạng vô tuyến W-CDMA. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo ThS.Đào Minh Hưng đã nhiệt tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Mặc dù đã rất cố gắng trong việc tìm tòi và học hỏi nhưng do hạn chế về thời gian cũng như về sự hiểu biết nên không tránh khỏi sai sót. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đồ án này được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Quy Nhơn, tháng 6 năm 2010 Sinh viên thực hiện Mai Văn Trọng CHƯƠNG I SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Xu hướng phát triển hệ thống thông tin di động trên thế giới Thông tin di động đã được đưa vào sử dụng đầu tiên ở Mỹ năm 1946, khi đó nó chỉ được sử dụng ở phạm vi thành phố, hệ thống này có 6 kênh sử dụng cấu trúc ô rộng với tần số 150 MHz. Mặc dù các khái niệm tế bào, các khái niệm trải phổ, điều chế số và các công nghệ hiện đại khác được biết đến hơn 50 năm trước đây, nhưng cho đến đầu những năm 1960 dịch vụ điện thoại di động tế bào mới xuất hiện trong các dạng ứng dụng và khi đó nó chỉ là các sửa đổi thích ứng của các hệ thống điều vận. Các hệ thống di động đầu tiên này có ít tiện lợi và có dung lượng rất thấp.Vào những năm 1980, hệ thống điện thoại di động tế bào điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số xuất hiện, đây là hệ thống tương tự hay còn gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G). Các hệ thống thông tin di động tế bào tương tự nổi tiếng nhất là: hệ thống di động tiên tiến (AMPS), hệ thống di động tiên tiến băng hẹp (NAMPS), hệ thống thông tin truy nhập toàn diện (TACS) và hệ thống NTT. Hạn chế của các hệ thống này là: phân bố tần số hạn chế, dung lượng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn với khách hàng... Giải pháp để loại bỏ các hạn chế trên là chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số sử dụng các dịch vụ đa truy nhập mới. Hệ thống đa truy nhập TDMA đầu tiên ra đời trên thế giới là GSM. GSM được phát triển từ năm 1982, CEPT quy định việc ấn định tần số dịch vụ viễn thông châu Âu ở băng tần 900 MHz. ở Việt Nam hệ thống thông tin di động được đưa vào hoạt động vào năm 1993, hiện đang được hai công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả, mới đây Viettel là công ty thứ ba đưa vào khai thác hệ thống GSM trên thị trường thông tin di động Việt nam. Song song với sự phát triển của các hệ thống thông tin di động tế bào nói trên, các hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số cũng được nghiên cứu phát triển. Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin này là: DECT (Digital Enhanced cordless Telecoms) của Châu Âu và PHS của Nhật cũng đã được đưa vào khai thác. Ngoài kỹ thuật TDMA, đến năm 1995, CDMA được đưa vào sử dụng ở một số nước. Các hệ thống thông tin di động kỹ thuật số nói trên, sử dụng phương pháp truy nhập TDMA như GSM (Châu Âu), PDC (Nhật) hoặc phương pháp truy nhập CDMA theo chuẩn năm 1995 (CDMA-IS95) đều thuộc hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G). Bảng 1.1 Các thông số cơ bản của hệ thống thông tin tế bào số [6] Các thông số cơ bản PDC (Nhật Bản) Bắc Mỹ Châu Âu GSM IS-54 IS-95 Băng tần 800 MHz/ 1,5 GHz 800 MHz 900 MHz Khoảng cách tần số 50 KHz (xen kẽ 25 KHz) 50 KHz (xen kẽ 25 KHz) 1,25 MHz 400 KHz (xen kẽ 200 kHz) Cơ chế truy nhập TDMA/ FDD TDMA/ FDD DS-CDMA/ FDD TDMA/ FDD Cơ chế mã hoá thoại 11,2 kbps VSELP 5,6 kbps PSI-CELPP 13 kbps VSELP 8,5 kbps QCELP Tốc độ biến thiên 4 nấc 22,8 kbps PRE-LTP-LPC 11,4 kbps EVSI Phương pháp điều chế QPSK QPSK Hướng xuống: QPSK Hướng lên: OQPSK GMSK * Chú thích: RPE: mã hoá dự báo kích thích xung đều. LTP: mã hoá dự báo dài hạn. LPC: mã dự báo tuyến tính. FDD: song công chia tần số. PSI-CELP: dự báo tuyến tính kích thích mã – đổi đồng bộ âm. Các hệ thống thông tin tế bào số có nhiều điểm nổi bật như chất lượng thông tin được cải tiến nhờ các công nghệ xử lý tín hiệu số khác nhau, nhiều dịch vụ mới (vd: các dịch vụ phi thoại), kỹ thuật mã hóa được cải tiến, tương thích tốt hơn với các mạng số và phát huy hiệu quả dải phổ vô tuyến. Bảng 1.1 mô tả các thông số cơ bản của các tiêu chuẩn cho các hệ thống thông tin tế bào số của Nhật Bản, Mỹ và Châu Âu. Ngoài chuẩn IS-95 dựa trên công nghệ CDMA, tất cả các chuẩn khác đều dựa trên công nghệ TDMA. Hình 1.1 Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba IMT-2000 đã và đang được nghiên cứu sử dụng. Khác với các hệ thống thông tin di động thứ nhất (tương tự) và thứ hai (số), hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) có xu thế chuẩn hoá toàn cầu và khả năng cung cấp các dịch vụ ở tốc độ bít lên tới 2 Mbps (có thể sử dụng truy cập Internet, truyền hình và thêm nhiều dịch vụ mới khác). Để phân biệt với hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 còn được gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng. Từ năm 2001, các hệ thống IMT-2000 sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (W-CDMA) bắt đầu được đưa vào khai thác. Lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động lên 3G được minh họa ở hình 1.1. Hiện nay, thế hệ thông tin di động thứ tư (4G) đang được nghiên cứu sử dụng. Vào cuối năm 2009, nhà mạng TeliaSonera của Thụy Điển đã chính thức cung cấp dịch vụ mạng di động 4G-LTE (Long Term Evolution) đầu tiên trên thế giới tại 2 thành phố Stockholm (Thụy Điển) và Oslo (Na-Uy) [15]. Theo hiệp hội viễn thông quốc tế (ITU), số thuê bao di động toàn cầu năm 2009 đạt mức 4,6 tỷ và dự kiến tăng lên 5 tỷ trong năm 2010. Số thuê bao băng thông rộng trên thế giới sẽ vượt ngưỡng 1 tỷ trong năm 2010. 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Với FDMA, khách hàng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận được dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng. Trong trường hợp số thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần số có thể, thì một số người bị chặn lại không được truy cập. Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, và được cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ. Mỗi dải tần số được gán cho một kênh liên lạc. N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống. Đặc điểm : - Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến. - Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể. - BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS. Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile Phone System). Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản. Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ. Vì thế, hệ thống di động thứ 2 ra đời được cải thiện về cả dung lượng, tốc độ và các dịch vụ được cung cấp. 1.3 Hệ thống thông tin di dộng thế hệ 2 Cùng với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao cả về số lượng và chất lượng, hệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công nghệ số . Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng điều chế số. Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập : Đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access - TDMA). Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA). 1.3.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA Với phương pháp truy cập TDMA thì nhiều người sử dụng một sóng mang và trục thời gian được chia thành nhiều khoảng thời gian nhỏ để dành cho nhiều người sử dụng sao cho không có sự chồng chéo. Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần liên lạc này dùng chung cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kỳ một khung. Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung. Đặc điểm: - Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số. - Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc. Việc phân chia tần như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một lúc mà không sợ can nhiễu nhau. - Giảm số máy thu phát ở BTS. - Giảm nhiễu giao thoa. Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications - GSM). Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn kỹ thuật FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh trên giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý hơn 50x106 lệnh trên giây. 1.3.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA Với phương pháp đa truy cập CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai. Kênh vô tuyến CDMA được dùng lại mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN). Đặc điểm của CDMA: - Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz. - Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp. - Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn FDMA, TDMA. - Việc các thuê bao MS trong cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số không còn vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng cell rất linh hoạt. 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 Công nghệ thông tin di động số thế hệ 3. Công nghệ này liên quan đến những cải tiến đang được thực hiện trong lĩnh vực truyền thông không dây cho điện thoại và dữ liệu thông qua bất kỳ chuẩn nào trong những chuẩn hiện nay. Đầu tiên là tăng tốc độ bit truyền từ 9,5 kbps lên 2 Mbps. Khi số lượng thiết bị cầm tay được thiết kế để truy cập Internet gia tăng, yêu cầu đặt ra là phải có được công nghệ truyền thông không dây nhanh hơn và chất lượng hơn. Công nghệ này sẽ nâng cao chất lượng thoại, và dịch vụ dữ liệu sẽ hỗ trợ việc gửi nội dung video và multimedia đến các thiết bị cầm tay và điện thoại di động. Các hệ thống thông tin di động số hiện nay đang ở giai đoạn chuyển từ thế hệ 2,5G sang thế hệ 3G. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và các dịch vụ thông tin di động, ngay từ đầu những năm đầu của thập kỷ 90 người ta đã tiến hành nghiên cứu hoạch định hệ thống thông tin di động thế hệ ba. ITU-R đang tiến hành công tác tiêu chuẩn hóa cho hệ thống thông tin di động toàn cầu IMT-2000. Ở châu Âu ETSI đang tiến hành tiêu chuẩn hóa phiên bản này với tên gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Hệ thống mới này sẽ làm việc ở dải tần 2 GHz. Nó sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại và số liệu tốc độ cao, video và truyền thanh. Tốc độ cực đại của người sử dụng có thể lên đến 2 Mbps. Người ta cũng đang tiến hành nghiên cứu các hệ thống vô tuyến thế hệ thứ tư có tốc độ lên đến 32 Mbps. Hệ thống thông tin di động thế hệ ba được xây dựng trên cơ sở IMT-2000 với các tiêu chí sau : - Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2 GHz với đường lên có dải tần 1885¸2025MHz và đường xuống có dải tần 2110¸2200 MHz. - Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến, tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến, đồng thời tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông. - Hệ thống thông tin di động 3G sử dụng các môi trường khai thác khác nhau. - Có thể hỗ trợ các dịch vụ như : môi trường thông tin nhà ảo (VHE – Vitual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạch toàn cầu; đảm bảo chuyển mạng quốc tế; đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh và số liệu chuyển mạch theo gói. - Dễ dàng hỗ trợ các dich vụ mới xuất hiện. Các hệ thống thông tin di động thế hệ hai phát triển thông dụng nhất hiện nay là : GSM, cdmaOne (IS-95), TDMA (IS-136), PDC. Trong quá trình thiết kế hệ thống thông tin di động thế hệ ba, các hệ thống thế hệ hai được cơ quan chuẩn hóa của từng vùng xem xét để đưa ra các đề xuất tương ứng thích hợp với mỗi vùng. Công nghệ 3G bao gồm 3 chuẩn chính: W-CDMA, CDMA2000, và TD-SCDMA. Chuẩn W-CDMA có hai chuẩn con thành phần: UMTS và FOMA. 1.4.1 UMTS (Universal Mobile Telephone System) UMTS dựa trên công nghệ W-CDMA, là giải pháp tổng quát cho các nước sử dụng công nghệ di động GSM. UMTS do tổ chức 3GPP quản lý, 3GPP cũng đồng thời chịu trách nhiệm về các chuẩn mạng di động như GSM, GPRS và EDGE. UMTS đôi khi còn có tên là 3GSM, dùng để nhấn mạnh sự liên kết giữa 3G và chuẩn GSM. UMTS hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu đến 1920 kbps, mặc dù trong thực tế hiệu suất đạt được chỉ vào khoảng 384 kbps. Tuy nhiên, tốc độ này vẫn còn nhanh hơn nhiều so với chuẩn GSM (14,4 kbps) và HSCSD (14,4 kbps). 1.4.2 FOMA (Freedom Of Mobile multimedia Access) FOMA được đưa vào ứng dụng từ năm 2001, và được coi là dịch vụ 3G thương mại đầu tiên của thế giới. Mặc dù cũng dựa vào nền tảng W-CDMA nhưng FOMA lại không tương thích với UMTS. 1.5 Tổng quan về công nghệ W-CDMA W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là công nghệ thông tin di động thế hệ 3 giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở bằng tần rộng thay thế cho TDMA. W-CDMA nằm trong dải tần 1920¸1980 MHz, 2110¸2170 MHz. Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ 3 thì W-CDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau. W-CDMA có các đặc điểm cơ bản sau: - Là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độ bit cao (lên đến 2 Mbps). - Tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóng mang 5 MHz, do đó hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao đem lại nhiều lợi ích như độ lợi đa phân tập. - Hỗ trợ tốc độ người sử dụng thay đổi liên tục. Mỗi người sử dụng cung cấp một khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhưng tốc độ có thể thay đổi từ khung này đến khung khác. - Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD. Trong mô hình FDD sóng mang 5 MHz sử dụng cho đường lên và đường xuống, còn trong mô hình TDD sóng mang 5 MHz chia sẻ theo thời gian giữa đường lên và đường xuống. - W-CDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễ dàng phát triển các trạm gốc vừa và nhỏ. - W-CDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trên kênh hoa tiêu, do đó có thể nâng cao dung lượng và vùng phủ. - W-CDMA được thiết kế dễ dàng nâng cấp hơn các hệ thống CDMA như tách sóng đa người sử dụng, sử dụng anten thông minh để nâng cao dung lượng và vùng phủ. - W-CDMA được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng và dung lượng của mạng. - Lớp vật lý mềm dẻo dễ tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang. - Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1. - Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến. Nhược điểm chính của W-CDMA là hệ thống không cho phép trong băng TDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu các môi trường làm việc khác nhau. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 W-CDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2 Mbps, bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm. Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dễ dàng các dịch vụ mới như đàm thoại video (Video Call), duyệt web qua điện thoại (Mobile Internet), Mobile TV,… 1.5.1 Cấu trúc mạng W-CDMA 1.5.1.1 Mô hình khái niệm Mạng 3G bao gồm năng chính: khối chức năng chuyển mạch gói (PS) và khối chức năng chuyển mạch kênh (CS). Các giao diện là phương tiện để các khối chức năng giao tiếp với nhau. Miền CS Miền PS Mạng phục vụ Cu Uu Iu Yu Mạng thường trú Tầng không truy cập Thiết bị di động Mạng truy cập USIM Tầng truy cập Mạng truyền dẫn Miền mạng lõi Miền cấu trúc mạng Miền thiết bị người sử dụng UTRAN Hình 1.2 Mô hình khái niệm mạng W-CDMA Dựa trên cấu trúc thủ tục và nhiệm vụ của chúng, mô hình mạng 3G được chia thành hai tầng: tầng truy cập và tầng không truy cập. - Tầng truy cập bao gồm các thủ tục xử lý giao tiếp giữa UE với mạng truy nhập. - Tầng không truy nhập chứa các thủ tục xử lý giao tiếp giữa UE với mạng lõi (khối chức năng CS/PS) tương ứng. Mạng thường trú chứa các thông tin đăng ký và thông tin bảo mật. Mạng phục vụ là một phần của mạng lõi. Mạng truyền tải là phần mạng lõi thực hiện kết nối thông tin giữa mạng phục vụ với các mạng bên ngoài. 1.5.1.2 Mô hình cấu trúc Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần: mạng lõi (CN) và mạng truy cập vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GSM, còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA. Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có UE thực hiện giao tiếp người sử dụng với hệ thống. Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến W-CDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM. Hình 1.3 Mô hình cấu trúc hệ thống W-CDMA UE (User Equipment) UE gồm hai phần: - Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment): là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu. - Module nhận dạng thuê bao W-CDMA (USIM): là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối. UTRAN Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy cập vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử: Node B và RNC. CN (Core Network) Các phần tử chính của mạng lõi như sau: - HLR (Home Location Register): là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng, bao gồm thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi. - MSC/VLR (Mobile Service Switching Center/Visitor Location Register): là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh. VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ. - GMSC (Gateway MSC): trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng kết nối với mạng ngoài. - SGSN (Servicing GPRS Support Node): node hỗ trợ GPRS đang phục vụ, có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS). - GGSN (Gateway GPRS Support Node): node hỗ trợ GPRS cổng, có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói. Để kết nối MSC với mạng ngoài cần có thêm phần tử làm chức năng tương tác mạng (IWF). Ngoài ra mạng lõi còn chứa các cơ sở dữ liệu cần thiết cho các mạng di động như HLR, AuC và EIR. Các mạng ngoài - Mạng CS: mạng đảm bảo các kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh. Ví dụ: mạng ISDN, PSTN. - Mạng PS: mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói. Ví dụ: mạng Internet. Các giao diện vô tuyến - Giao diện Cu: là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh. - Giao diện Uu: là giao diện mà qua đó UE truy câp các phần tử cố định của hệ thống và vì thế nó là giao diện mở quan trọng nhất của W-CDMA. - Giao diện Iu (UTRAN-CN): + Cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau. + Là một giao diện mở để chia hệ thống thành UTRAN đặc thù và CN. Iu có thể có hai trường hợp khác nhau: IuCS (kết nối UTRAN với CN chuyển mạch kênh) và IuPS (kết nối UTRAN với CN chuyển mạch gói). - Giao diện Iur: cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau và đảm bảo bốn chức năng sau: + Hỗ trợ tính di động cơ sở giữa các RNC. + Hỗ trợ kênh lưu lượng riêng. + Hỗ trợ kênh lưu lượng chung. + Hỗ trợ quản lý tài nguyên máy tính toàn cầu. - Giao diện Iub: giao diện cho phép kết nối một Node B với một RNC, Iub có những chức năng sau: + Thiết lập, bổ sung, giải phóng và tái thiết lập một kết nối vô tuyến đầu tiên của một UE và chọn điểm kết cuối lưu lượng. + Khởi tạo và báo cáo các đặc thù cell, Node B, kết nối vô tuyến. + Xử lý các kênh riêng và kênh chung. + Xử lý kết hợp chuyển giao. + Quản lý sự cố kết nối vô tuyến. 1.5.2 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UTRAN UTRAN bao gồm nhiều hệ thống mạng con vô tuyến RNS (Radio Network Subsystem). Các RNS giao tiếp với nhau sử dụng giao diện mở Iur mang cả thông tin báo hiệu và lưu lượng. Các đặc tính của UTRAN là cơ sở để thiết kế cấu trúc UTRAN, các chức năng và giao thức. UTRAN có các đặc tính chính sau: - Hỗ trợ các chức năng truy cập vô tuyến, đặc biệt là chuyển giao mềm và các thuật toán quản lý tài nguyên đặc thù của W-CDMA. - Đảm bảo tính chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói để kết nối từ UTRAN đến cả hai vùng PS và CS của mạng lõi. - Đảm bảo tính chung nhất với GSM. - Sử dụng cơ chế truyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính của UTRAN. 1.5.2.1 Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển tài nguyên vô tuyến của UTRAN. RNC kết nối với CN (thông thường với một MSC và SGSN) qua giao diện vô tuyến Iu. RNC điều khiển Node B chịu trách nhiệm điều khiển tải và tránh tắc nghẽn cho các cell của mình. Khi một kết nối UE – UTRAN sử dụng nhiều tài nguyên từ nhiều RNC thì các RNC này sẽ có hai vai trò logic riêng biệt: RNC phục vụ (Serving RNC): thực hiện xử lý số liệu truyền từ lớp kết nối số liệu tới các tài nguyên vô tuyến. SRNC cũng là CRNC của một Node B nào đó được UE sử dụng để kết nối với UTRAN. RNC trôi (Drift RNC): là một RNC bất kỳ khác với SRNC để điều khiển các cell được UE sử dụng. Khi cần DRNC có thể thực hiện kết hợp và phân chia ở phân tập vĩ mô. DRNC không thực hiện xử lý số liệu trong lớp kết nối số liệu mà chỉ định tuyến số liệu giữa các giao diện Iub và Iur. UE có thể không có hoặc có một hay nhiều DRNC. 1.5.2.2 Node B Chức năng chính của Node B là thực hiện xử lý trên lớp vật lý của giao diện vô tuyến như mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ,… Nó cũng thực hiện phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suất vòng trong. Về phần chức năng nó giống như trạm gốc của GSM. 1.5.2.3 Các chức năng điều khiển của UTRAN Phát quảng bá thông tin hệ thống. Thiết lập các kênh mạng báo hiệu và truy cập ngẫu nhiên. Quản lý kênh mang vô tuyến. Các chức năng an toàn trong mạng UTRAN. Xử lý cơ sở dữ liệu. Định vị thuê bao. 1.5.3 Cấu trúc mạng lõi theo tiêu chuẩn 3GPP R99 Hình 1.4 Cấu trúc mạng lõi theo tiêu chuẩn 3GPP R99 3GPP R99 là hệ tiêu chuẩn UMTS đầu tiên, trong đó thể hiện một hệ thống truy cập vô tuyến băng rộng với mạng lõi (CN) được nâng cấp từ GSM. Mạng lõi sử dụng hạ tầng GSM và phần mở rộng GPRS để sử dụng cho các dịch vụ gói. Mạng lõi được chia thành ba khối chức năng: Khối chức năng chuyển mạch kênh (CN CS) gồm hai phần tử mạng cơ bản: Trung tâm chuyển mạch di động (MSC/VLR). Trung tâm chuyển mạch di động cổng (GMSC). MSC/VLR chịu trách nhiệm cho các hoạt động quản lý kết nối chuyển mạch kênh, quản lý di động như: cập nhật vị trí, tìm gọi và các chức năng bảo mật. Ngoài ra còn chứa các bộ chuyển mã, đây là điểm khác biệt so với hệ thống GSM truyền thống. GMSC phụ trách kết nối với các mạng bên ngoài, thiết lập đường kết nối đến các MSC/VLR đang phục vụ mà tại đó có thể tìm thấy thuê bao cần tìm. Khối chức năng chuyển mạch gói (CN PS) gồm hai phần tử mạng cơ bản: Nút hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN). Nút hỗ trợ GPRS cổng (GGSN). SGSN hỗ trợ thông tin chuyển mạch gói tới mạng truy cập vô tuyến. Chức năng chủ yếu của SGSN liên quan đến việc quản lý di động: cập nhật khu vực định tuyến, đăng ký vị trí, tìm gọi và điều khiển cơ chế bảo mật trong chuyển mạch gói. GGSN duy trì kết nối tới các mạng chuyển mạch gói khác như mạng Internet, thực hiện quản lý phiên. Khối thanh ghi chứa thông tin địa chỉ và nhận thực cho cả CS và PS bao gồm: Thanh ghi thường trú (HLR): chứa các dữ liệu cố định về thuê bao. Trung tâm nhận thực (AuC): là cơ sở dữ liệu tạo ra các vector nhận thực. Thanh ghi chỉ thị thiết bị (EIR): duy trì các thông tin chỉ thị liên quan đến phần cứng của UE. Ngoài các thanh ghi trong khối thanh ghi, còn có thêm thanh ghi tạm trú (VLR), được coi như một phần chức năng của MSC phục vụ. VLR tham gia vào các thủ tục như: cập nhật vị trí, tìm gọi và các hoạt động bảo mật. 1.5.4 Cấu trúc phân lớp của W-CDMA Các giao thức giữa các phần tử trong mạng W-CDMA được chia thành hai phần chính: tầng không truy nhập và tầng truy nhập. Giao diện vô tuyến được phân thành 3 lớp giao thức: Lớp vật lý (L1). Lớp kết nối số liệu (L2). Lớp mạng (L3). Lớp 2 được chia thành các lớp con: MAC, RLC, PDCP và BMC. Lớp 3 và RLC được chia thành hai phần: phần điều khiển (C) và phần người sử dụng (U). PDCP và BMC chỉ có ở phần U. Các thủ tục giao diện vô tuyến thực hiện chức năng thiết lập, duy trì và giải phóng kết nối vô tuyến trong mạng UTRA. Chúng thực hiện các chức năng của các lớp 1÷3 trong mô hình OSI tương ứng. Hình 1.5 Cấu trúc giao thức ở giao diện vô tuyến Lớp cao nhất là lớp điều khiển tài nguyên vô tuyến RRC tương ứng với lớp mạng. Giao diện giữa các lớp và các phân lớp được thực hiện thông qua các điểm truy cập dịch vụ (SAP). Các kênh truyền dẫn được truyền qua các điểm truy cập dịch vụ giữa lớp vật lý và phân lớp điều khiển truy cập trung gian (MAC) để thực hiện việc giao tiếp giữa lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu (L2). Các kênh lôgic thực hiện giao tiếp trong L2 giữa các phân lớp MAC và RLC. Còn các kênh vật lý được truyền bên trong lớp vật lý. 1.5.5 Các loại kênh trong UTRAN UTRAN bao gồm các kênh logic, kênh vật lý và kênh truyền tải. Hình 1.6 Các loại kênh trong UTRAN 1.5.6 Kỹ thuật trải phổ Trong W-CDMA, sử dụng phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp với tốc độ chip là 3,84 Mcps. Trong W-CDMA, để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cập CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5 MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ. Trong các hệ thống thông tin thông thường, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt. Tuy nhiên, ở hệ thống thông tin trải phổ (SS: Spread Spectrum), độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát. Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy không có hiệu quả. Nhưng trong môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS và hệ thống sử dụng băng tần có hiệu quả mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ. Một hệ thống thông tin số được coi là trải phổ nếu: Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần thiết để phát thông tin. Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu. Tín hiệu băng hẹp chưa trải phổ Tín hiệu băng rộng đã được trải phổ R W Tần số (Hz) Mật độ công suất (W/Hz) Hình 1.7 Tín hiệu trải phổ Có ba phương pháp trải phổ cơ bản sau: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct Sequence Spreading Spectrum). Trải phổ kiểu nhảy tần (FHSS: Frequency Hopping Spreading Spectrum ). Trải phổ nhảy thời gian (THSS: Time Hopping Spreading Spectrum). Ở máy phát, bản tin được trải phổ bởi mã giả ngẫu nhiên. Mã giả ngẫu nhiên phải được thiết kế để có độ rộng băng lớn hơn nhiều so với độ rộng băng của bản tin. Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ bên máy phát. Trong hệ thống DS/SS tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách nén phổ. Trong các hệ thống FH/SS và TH/SS mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh được xung đột. Như vậy, FH và TH là các kiểu hệ thống tránh xung đột, trong khi đó DS là kiểu hệ thống lấy trung bình. 1.6 Quản lý tài nguyên vô tuyến trong hệ thống W-CDMA 1.6.1 Mục đích chung của quản lý tài nguyên vô tuyến Việc quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) trong mạng di động 3G có nhiệm vụ cải thiện việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến. Các mục đích của công việc quản lý tài nguyên vô tuyến RRM có thể tóm tắt như sau: Đảm bảo QoS cho các dịch vụ khác nhau. Duy trì vùng phủ sóng đã được hoạch định. Tối ưu dung lượng hệ thống. Trong các mạng 3G, việc phân bố tài nguyên và định cỡ quá tải của mạng không còn khả thi nữa do các nhu cầu không dự đoán trước và các yêu cầu khác nhau của các dịch vụ khác nhau. Vì thế, quản lý tài nguyên bao gồm hai phần: cấu hình tài nguyên vô tuyến và tái cấu hình. Cấu hình tài nguyên vô tuyến có nhiệm vụ phân phát nguồn tài nguyên một cách hợp lý cho các yêu cầu mới đang đưa đến hệ thống để cho mạng không bị quá tải và duy trì tính ổn định. Tuy nhiên, nghẽn vẫn có thể xuất hiện trong mạng 3G vì sự di chuyển của người sử dụng. Tái cấu hình tài nguyên vô tuyến có nhiệm vụ cấp phát lại nguồn tài nguyên trong mạng khi tải tăng lên hoặc tắt nghẽn bắt đầu xuất hiện. Chức năng này có nhiệm vụ đưa hệ thống bị quá tải trở về lưu lượng tải mục tiêu một cách nhanh chóng và có thể điều khiển được. 1.6.2 Các chức năng của quản lý tài nguyên vô tuyến Quản lý tài nguyên vô tuyến có thể chia thành các chức năng: điều khiển công suất, chuyển giao, điều khiển thâm nhập và điều khiển tải. Hình 1.8 thể hiện các vị trí điển hình của RRM trong mạng W-CDMA. Hình 1.8 Các vị trí điển hình của RRM trong mạng W-CDMA 1.6.2.1 Điều khiển công suất (Power Control) Điều khiển công suất là một công việc quan trọng trong tất cả các hệ thống di động bởi các vấn đề về pin và các lý do an toàn, nhưng trong các hệ thống CDMA, điều khiển công suất là cần thiết bởi vì đặc điểm giới hạn nhiễu của CDMA. Trong các hệ thống GSM, chỉ áp dụng điều khiển công suất chậm (tần số xấp xỉ 2 Hz). Trong IS-95, điều khiển công suất nhanh với tần số 800 KHz được hỗ trợ ở đường lên, nhưng ở đường xuống, một vòng điều khiển công suất tương đối chậm (xấp xỉ 50 Hz) điều khiển công suất truyền. Trong W-CDMA, điều khiển công suất nhanh với tần số 1,5 KHz được sử dụng ở cả đường lên và đường xuống. Điều khiển công suất nhanh khép kín là một vấn đề quan trọng của hệ thống W-CDMA. 1.6.2.2 Điều khiển chuyển giao (Handover Control) Chuyển giao là một phần cần thiết của các hệ thống thông tin di động tế bào. Tính di động là nguyên nhân gây ra sự thay đổi về chất lượng liên kết và mức độ nhiễu trong hệ thống thông tin di động tế bào, yêu cầu khi một người sử dụng cụ thể thay đổi trạm gốc phục vụ nó. Sự thay đổi này được gọi là chuyển giao. 1.6.2.3 Điều khiển thâm nhập (Admission Control) Nếu tải giao tiếp không gian được phép tăng quá mức thì vùng phủ sóng của cell sẽ giảm xuống dưới giá trị mong muốn (còn được gọi là “tế bào thở”) và QoS của các kết nối đang tồn tại sẽ không thể đảm bảo. Lý do của hiện tượng “tế bào thở” là vì đặc tính giới hạn nhiễu của hệ thống CDMA. Do đó, trước khi nhận một kết nối mới, điều khiển thâm nhập cần phải kiểm tra rằng việc nhận kết nối mới đó sẽ không hy sinh đi vùng phủ sóng mục tiêu hoặc QoS của các kết nối đã tồn tại. Điều khiển thâm nhập sẽ chấp nhận hoặc từ chối một yêu cầu để thiết lập một đường bao truy xuất vô tuyến trong mạng truy xuất vô tuyến. Chức năng của điều khiển thâm nhập được đặt ở RNC, nơi mà có thể thu được thông tin tải của nhiều cell. Giải thuật điều khiển thâm nhập ước tính sự tăng lên của tải để thiết lập đường bao trong mạng truy xuất vô tuyến. Ước tính tải được đưa vào trong cả hai hướng lên và xuống. Đường bao yêu cầu chỉ có thể được chấp nhận nếu điều khiển thâm nhập trong cả hai hướng chấp nhận nó, ngược lại nó sẽ bị từ chối bởi nhiễu thêm vào mạng là quá mức. Hình 1.9 Đường cong tải Nhìn chung, các chiến lược điều khiển thâm nhập có thể được chia thành 2 loại đó là: chiến lược điều khiển thâm nhập dựa trên công suất băng rộng và chiến lược điều khiển thâm nhập dựa vào thông lượng. Người sử dụng mới không được chấp nhận nếu mức nhiễu tổng thể mới tạo ra cao hơn giá trị mức ngưỡng Ithreshold: (1.1) + Từ chối: Itotal-old + ∆I > Ithreshold + Chấp nhận: Itotal-old + ∆I < Ithreshold Giá trị ngưỡng giống với độ tăng nhiễu đường lên lớn nhất và có thể được thiết lập bởi việc quy hoạch mạng vô tuyến. Trong chiến lược điều khiển thâm nhập dựa vào thông lượng, người sử dụng mới không được thu nhận truy nhập vào mạng vô tuyến nếu toàn bộ tải mới gây ra cao hơn giá trị ngưỡng: (1.2) + Từ chối: ηtotal-old + ∆L > ηthreshold + Chấp nhận: ηtotal-old + ∆L < ηthreshold Cần lưu ý rằng chiến lược điều khiển thâm nhập được áp dụng riêng rẽ cho hướng lên và hướng xuống, các chiến lược điều khiển thâm nhập khác nhau có thể được sử dụng trong mỗi hướng. 1.6.2.4 Điều khiển tải (điều khiển tắc nghẽn) Một nhiệm vụ quan trọng của chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến là đảm bảo cho hệ thống không bị quá tải và duy trì tính ổn định. Nếu hệ thống được quy hoạch một cách hợp lý, và công việc điều khiển thâm nhập hoạt động tốt, các tình huống quá tải sẽ bị loại trừ. Tuy nhiên, trong mạng di động sự quá tải ở một nơi nào đó là không thể tránh khỏi vì các tài nguyên vô tuyến được ấn định trước trong mạng. Khi quá tải được xử lý bởi điều khiển tải, hay còn gọi là điều khiển tắc nghẽn, hoạt động điều khiển này sẽ trả lại cho hệ thống tải mục tiêu, được vạch ra trong quá trình quy hoạch mạng, một cách nhanh chóng và có khả năng điêu khiển được. Các công việc điều khiển tải để giảm bớt hoặc cân bằng tải được liệt kê như sau: Từ chối các lệnh công suất tới trên đường xuống nhận từ MS. Giảm tỷ số Ec/N0 mong muốn hướng lên được sử dụng bởi điều khiển công suất nhanh hướng lên. Thay đổi kích cỡ vùng chuyển giao mềm để phục vụ nhiều user hơn. Chuyển giao đến một sóng mang W-CDMA khác (inter-frequency handover). Chuyển giao đến mạng chồng lấp khác (mạng W-CDMA hoặc GSM khác). Giảm tốc độ bit của người sử dụng thời gian thực, ví dụ: mã hóa thoại AMR. Giảm thông lượng của lưu lượng dữ liệu gói (các dữ liệu phi thời gian thực). Ngắt các cuộc gọi trên một đường điều khiển. Hai công việc đầu tiên là hai thao tác nhanh được thực hiện trong BS. Hai hoạt động này có thể diễn ra trong một khe thời gian, nghĩa là với một tần số 1,5 KHz, cung cấp quyền ưu tiên cho các dịch vụ khác nhau. Giải pháp thứ 3, thay đổi kích thước vùng chuyển giao mềm đặc biêt hữu dụng trong mạng giới hạn hướng xuống. Các thao điều khiển tải khác thì chậm hơn. Chuyển giao inter-frequency và chuyển giao inter-system có thể khắc phục tình trạng quá tải bằng cách cân bằng tải. Giải pháp cuối cùng là ngắt các user sử dụng dịch vụ thời gian thực (như thoại hay dữ liệu chuyển mạch kênh) để giảm tải. Giải pháp này chỉ được sử dụng khi tải của toàn bộ mạng vẫn rất lớn ngay cả khi cá giải pháp điều khiển tải khác đã được sử dụng để giảm quá tải. Giao diện vô tuyến W-CDMA và yêu cầu tăng của lưu lượng phi thời gian thực trong mạng 3G đem lại nhiều sự lựa chọn các giải pháp xử lý tình trạng quá tải. Vì vậy, việc giảm tải bằng cách ngắt các User sử dụng dịch vụ thời gian thực hiếm khi xảy ra. CHƯƠNG II ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG W-CDMA 2.1 Giới thiệu chung Mục tiêu của việc sử dụng điều khiển công suất là khác nhau trên đường lên và đường xuống. Các mục tiêu của điều khiển công suất có thể tóm tắt như sau : Khắc phục hiệu ứng gần-xa trên đường lên. Tối ưu dung lượng hệ thống bằng việc điều khiển nhiễu. Làm tăng tối đa tuổi thọ pin của đầu cuối di động. Hình 2.1 chỉ ra hiệu ứng gần-xa trên đường lên. Tín hiệu từ các MS khác nhau được truyền đi trong cùng băng tần một cách đồng thời trong các hệ thống W-CDMA. Không có điều khiển công suất, tín hiệu đến từ MS gần với BS nhất có thể chặn các tín hiệu từ các MS khác cách xa BS hơn. Trong tình huống xấu nhất, một MS có công suất quá lớn có thể chặn toàn bộ một cell. Giải pháp là phải áp dụng điều khiển công suất để đảm bảo rằng các tín hiệu đến từ các đầu cuối khác nhau có cùng công suất hay có cùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) khi chúng đến BS. Hình 2.1 Hiệu ứng gần-xa (điều khiển công suất trên đường lên) Trên đường xuống, không có hiệu ứng gần-xa do mô hình một-tới-nhiều. Điều khiển công suất có nhiệm vụ bù nhiễu bên trong cell gây ra bởi các trạm gốc, đặc biệt là nhiễu gần biên giới của của các cell này (được chỉ ra trong hình 2.2). Hơn thế nữa, điều khiển công suất trên đường xuống có nhiệm vụ làm giảm thiểu toàn bộ nhiễu bằng cách giữ QoS tại mức giá trị mục tiêu. Hình 2.2 Bù nhiễu ở kênh lân cận (điều khiển công suất ở đường xuống) Trong hình 2.2, MS2 phải chịu nhiều nhiễu bên trong cell hơn MS1. Vì thế để đáp ứng mục tiêu chất lượng giống nhau, cần nhiều năng lượng cấp phát cho cho các kênh đường xuống giữa BS và MS2. Điều khiển công suất trong W-CDMA được chia thành: Điều khiển công suất vòng hở. Điều khiển công suất vòng kín. Điều khiển công suất vòng hở được thực hiện tự động tại UE khi nó thực hiện thủ tục xin truy nhập Node B (dựa trên công suất mà nó thu được từ kênh hoa tiêu phát đi từ B), khi này UE chưa có kết nối với nút này. Còn điều khiển công suất vòng kín được thực hiện khi UE đã kết nối với Node B. Điều khiển công suất vòng hở lại được chia thành: Điều khiển công suất vòng trong: được thực hiện tại Node B, được thực hiện nhanh với 1500 lần trong một giây dựa trên so sánh SIR thu với SIR đích. Điều khiển công suất vòng ngoài: được thực hiện tại RNC để thiết lập SIR đích cho Node B, dựa trên so sánh tỷ lệ lỗi khối (BLER) thu được với tỷ lệ đích. 2.1.1 Điều khiển công suất vòng hở (Open-loop power control) Điều khiển công suất vòng mở được sử dụng trong UMTS FDD cho việc thiết lập năng lượng ban đầu cho MS. Trạm di động sẽ tính toán suy hao đường truyền giữa các trạm gốc và trạm di động bằng cách đo cường độ tín hiệu nhận sử dụng mạch điều khiển độ tăng ích tự động (AGC). Tuỳ theo sự tính toán suy hao đường truyền này, trạm di động có thể quyết định công suất phát đường lên của nó. Điều khiển công suất vòng mở có ảnh hưởng trong hệ thống TDD bởi vì đường lên và đường xuống là tương hỗ, nhưng không ảnh hưởng nhiều trong các hệ thống FDD bởi vì các kênh đường lên và đường xuống hoạt động trên các băng tần khác nhau và hiện tượng fading Rayleigh trên đường lên và đường xuống độc lập nhau. Vậy điều khiển công suất vòng hở chỉ có thể bù một cách đại khái suy hao do khoảng cách. Đó là lý do tại sao điều khiển công suất vòng mở chỉ được sử dụng như là việc thiết lập năng lượng ban đầu trong hệ thống FDD. 2.1.2 Điều khiển công suất vòng kín Điều khiển công suất vòng khép kín, được gọi là điều khiển công suất nhanh trong các hệ thống W-CDMA, có nhiệm vụ điều khiển công suất phát của MS (đường lên), hay là công suất của trạm gốc (đường xuống) để chống lại fading của các kênh vô tuyến và đạt được chỉ tiêu tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR được thiết lập bởi vòng bên ngoài. Chẳng hạn như trên đường lên, trạm gốc so sánh SIR nhận được từ MS với SIR mục tiêu trong mỗi khe thời gian (0,666 ms). Nếu SIR nhận được lớn hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC “0” đến MS thông qua kênh điều khiển riêng đường xuống. Nếu SIR nhận được thấp hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC “1” đến MS. Bởi vì tần số của điều khiển công suất vòng kín rất nhanh nên có thể bù được fading nhanh và cả fading chậm. 2.2 Điều khiển công suất nhanh 2.2.1 Độ lợi của điều khiển công suất nhanh Điều khiển công suất nhanh trong W-CDMA đem lại nhiều lợi ích cho hệ thống. Chẳng hạn đối với dịch vụ mô phỏng có tốc độ 8 kbps với BLER = 1% và ghép xen 10 ms. Sự mô phỏng được tạo ra trong trường hợp có hoặc không có điều khiển công suất nhanh với bước công suất là 1dB. Điều khiển công suất chậm có nghĩa là công suất trung bình được giữ tại mức mong muốn và điều khiển công suất chậm hoàn toàn có thể bù cho ảnh hưởng của suy hao đường truyền và suy hao do các vật chắn, trong khi đó điều khiển công suất nhanh có thể bù được cho fading nhanh. Phân tập thu hai nhánh được sử dụng trong Node B. ITU Vehicular A là một kênh 5 nhánh trong W-CDMA, và ITU Pedestrian A là một kênh 2 nhánh trong đó nhánh thứ hai rất yếu. Tỷ số Eb/N0 và công suất truyền trung bình yêu cầu trong trường hợp không có và có điều khiển công suất nhanh được trình bày trong bảng 2.1 và bảng 2.2. Bảng 2.1 Giá trị Eb/N0 yêu cầu trong trường hợp có và không có điều khiển công suất nhanh [5] Điều khiển công suất chậm [dB] Điều khiển công suất nhanh tần số 1,5 KHz [dB] Độ lợi của điều khiển công suất nhanh [dB] ITU Pedestrian A 3 Km/h 11,3 5,5 5,8 ITU Vehicular A 3 Km/h 8,5 6,7 1,8 ITU Vehicular A 50 Km/h 7,3 6,8 0,5 Bảng 2.2 Công suất phát tương đối yêu cầu trong trường hợp có và không có điều khiển công suất nhanh [5] Điều khiển công suất chậm [dB] Điều khiển công suất nhanh tần số 1,5 KHz [dB] Độ lợi của điều khiển công suất nhanh [dB] ITU Pedestrian A 3 Km/h 11,3 7,7 3,6 ITU Vehicular A 3 Km/h 8,5 7,5 1,0 ITU Vehicular A 50 Km/h 7,6 6,8 0,8 Trong 2 bảng trên ta thấy rõ độ lợi mà điều khiển công suất nhanh đem lại như sau: Độ lợi của các UE tốc độ thấp lớn hơn các UE tốc độ cao. Độ lợi theo tỷ số Eb/I0 yêu cầu lớn hơn độ lợi công suất truyền dẫn. Trong 2 bảng, độ lợi âm tại tốc độ 50 Km/h có nghĩa là điều khiển công suất chậm lý tưởng sẽ đem lại hiệu suất tốt hơn so với điều khiển công suất nhanh thức tế. Độ lợi âm do việc tính toán SIR không chính xác, các lỗi báo hiệu điều khiển công suất, và trễ trong vòng điều khiển công suất. Độ lợi từ điều khiển công suất nhanh có thể được sử dụng để tính toán độ dự trữ fading nhanh yêu cầu trong quỹ đường truyền. Độ dữ trữ fading nhanh cần thiết cho công suất phát của UE để duy trì điều khiển công suất nhanh vòng kín thích hợp. Kích thước cell lớn nhất có thể đạt được khi UE đang phát với đủ lượng công suất không đổi nghĩa là không có độ lợi của điểu khiển công suất nhanh. Giá trị thông thường cho độ dự trữ fading nhanh cho các tốc độ di động thấp từ 2 đến 5dB. 2.2.2 Phân tập và điều khiển công suất Hình 2.3 Công suất phát và thu trong 2 nhánh (công suất khoảng hở trung bình 0¸10 dB); Kênh fading Rayleigh tại tốc độ 3 Km/h Tầm quan trọng của phân tập sẽ được phân tích cùng với điều khiển công suất nhanh. Với các UE tốc độ thấp, điều khiển công suất nhanh có thể bù đựơc fading của kênh và giữ cho mức công suất thu không đổi. Các nguyên nhân chính của các lỗi trong công suất thu là do việc tính toán SIR không chính xác, các lỗi báo hiệu và trễ trong vòng điều khiển công suất. Việc bù fading gây ra suy giảm công suất truyền dẫn. Công suất thu và công suất phát là hàm của thời gian, hình 2.3, 2.4 tại tốc độ của UE là 3 Km/h. Trong hình 2.3 là trường hợp có ít phân tập, hình 2.4 mô phỏng trường hợp phân tập nhiều. Sự biến đổi công suất phát trong trường hợp hình 2.3 cao hơn trong trường hợp hình 2.4 do sự khác nhau về số lượng phân tập. Các trường hợp phân tập như: phân tập đa đường, phân tập anten thu, phân tập anten phát hay phân tập vĩ mô. Hình 2.4 Công suất phát và thu trên 3 nhánh (công suất khoảng hở như nhau); Kênh fading Rayleigh tại tốc độ 3 Km/h Với sự phân tập ít hơn thì sự biến động lớn hơn trong công suất phát, nhưng công suất phát trung bình cũng cao hơn. Mức tăng công suất là được định nghĩa là tỷ số giữa công suất truyền dẫn trung bình trên kênh fading và trên kênh không có fading khi mức công suất thu giống nhau trên cả 2 kênh có fading và không có fading. Mức tăng công suất được mô tả trong hình 2.5. Kết quả ở mức liên kết cho sự tăng công suất đường lên thể hiện trong bảng 2.3. Sự mô phỏng được thực hiện tại các mức UE khác nhau trên kênh ITU pedestrian 2 đường với công suất thành phần đa đường từ 0 đến -12,5 dB. Trong sự mô phỏng này công suất phát và công suất thu được tập hợp trong từng khe. Với điều khiển công suất lý tưởng, mức tăng công suất là 2,3 dB. Điều đó chứng tỏ điều khiển công suất nhanh hoạt động có hiệu quả trong việc bù năng lượng cho fading. Với các UE tốc độ cao (>100 Km/h), mức tăng công suất rất nhỏ do điều khiển công suất nhanh không thể bù được fading. Hình 2.5 Công suất tăng trong kênh fading với điều khiển công suất nhanh Mức tăng công suất rất quan trọng đối với hiệu suất của các hệ thống W-CDMA. Trên đường xuống, dung lượng giao diện vô tuyến được xác định trực tiếp bởi công suất phát yêu cầu, do công suất đó xác định nhiễu truyền. Vì thế, để làm tăng tối đa dung lượng đường xuống, công suất phát cần cho một liên kết phải được giảm nhỏ. Trên đường xuống, mức công suất thu trong UE không ảnh hưởng đến dung lượng. Trên đường lên, công suất phát xác định tổng nhiễu đến các cell lân cận, và công suất thu xác định tổng nhiễu đến các UE khác trong cùng một cell. Chẳng hạn như chỉ có một cell W-CDMA trong một vùng, dung lượng đường lên của cell này sẽ được tăng tối đa bằng cách giảm tối thiểu công suất thu yêu cầu, và mức tăng công suất sẽ không ảnh hưởng đến dung lượng đường lên. Bảng 2.3 Các mức tăng công suất được minh hoạ của kênh ITU Pedestrian A đa đường với phân tập anten [5] Tốc độ UE [Km/h] Mức tăng công suất trung bình [dB] 3 2,1 10 2,0 20 1,6 50 0,8 140 0,2 2.2.3 Điều khiển công suất trong chuyển giao mềm Điều khiển công suất trong chuyển giao mềm có hai vấn đề chính khác nhau trong các trường hợp liên kết đơn: vấn đề trôi công suất trong Node B trên đường xuống, và phát hiện tin cậy các lệnh điều khiển công suất đường lên trong UE. 2.2.3.1 Sự trôi công suất đường xuống Hình 2.6 Trôi công suất đường xuống trong chuyển giao mềm Sự trôi công suất là trường hợp xảy ra khi thực hiện chuyển giao mềm mà UE gửi một lệnh đơn để điều khiển công suất phát đường xuống đến tất cả các Node B trong nhóm chủ. Các Node B sẽ phát hiện các lệnh này một cách độc lập, bởi vì các lệnh này sẽ không được kết hợp trong các bộ điều khiển mạng RNC do sẽ gây ra nhiều trễ và báo hiệu trong mạng. Chính vì các lỗi báo hiệu trên giao diện vô tuyến, các Node B sẽ phát hiện các lệnh điều khiển công suất theo các cách khác nhau. Có thể một Node B sẽ làm giảm công suất phát của nó tới UE, một Node B khác có thể lại tăng mức công suất phát tới UE. Sự khác nhau đó dẫn đến tình huống công suất đường xuống bắt đầu trôi theo hướng khác nhau. Hiện tượng đó gọi là trôi công suất. Hiện tượng trôi công suất là không mong muốn, bởi vì nó làm giảm hiệu suất chuyển giao đường xuống. Vấn đề này có thể được điều khiển bởi RNC. Phương pháp đơn giản nhất là thiết lập giới hạn tương đối nghiêm ngặt cho khoảng biến động công suất đường xuống. Giới hạn này cho công suất phát cụ thể của các UE. Rõ ràng khoảng biến động điều khiển công suất cho phép càng nhỏ thì độ trôi công suất lớn nhất càng nhỏ. Mặt khác khoảng biến đổi điều khiển công suất thường cải thiện hiệu suất điều khiển công suất. Hình 2.7 Kiểm tra độ tin cậy của điều khiển công suất đường lên tại UE trong chuyển giao mềm Một cách khác để giảm sự trôi công suất. RNC có thể nhận thông tin từ các Node B về các mức công suất phát của kết nối chuyển giao mềm. Các mức này được tính trung bình trên một số các lệnh điều khiển công suất, ví dụ như trong 500 ms, hay trên 750 lệnh điều khiển công suất. Dựa vào các thông số đo đạc này, RNC có thể gửi các giá trị tham khảo về công suất phát đường xuống tới các Node B. Các Node B đang thực hiện chuyển giao mềm sử dụng các giá trị tham khảo này cho việc điều khiển công suất đường xuống cho các kết nối để giảm hiện tượng trôi công suất. Như vậy cần một sự hiệu chỉnh nhỏ mang tính định kỳ để hướng tới công suất tham khảo. Kích cỡ hiệu chỉnh này tỷ lệ thuận với độ chênh lệch giữa công suất phát thực tế và công suất phát tham khảo. Phương pháp này sẽ giảm bớt hiện tượng trôi công suất. Sự trôi công suất chỉ xảy ra nếu có điều khiển công suất nhanh trên đường xuống. Trong IS-95 chỉ có điều khiển công suất chậm trên đường xuống nên không cần phương pháp điều khiển sự trôi công suất đường xuống. 2.2.3.2 Độ tin cậy của các lệnh điều khiển công suất đường lên Tất cả các Node B trong nhóm chủ gửi một lệnh điều khiển công suất độc lập đến các UE để điều khiển công suất phát đường lên. Chỉ cần một trong các Node B trong nhóm chủ nhận đúng tín hiệu đường lên là đủ. Vì thế UE có thể giảm công suất phát nếu một trong các Node B gửi các lệnh công suất xuống. Có thể áp dụng sự kết hợp theo tỷ số lớn nhất các bit dữ liệu trong chuyển giao mềm tại UE do dữ liệu giống nhau được gửi từ tất cả các Node B thực hiện chuyển giao mềm, nhưng sự kết hợp này không áp dụng cho các bit điều khiển công suất vì nó chứa thông tin khác nhau đối với mỗi Node B trong nhóm chủ. Vì thế độ tin cậy của các bit điều khiển công suất không tốt bằng các bit dữ liệu, và tại UE, một ngưỡng được sử dụng để kiểm tra độ tin cậy của các lệnh điều khiển công suất. Các lệnh không đáng tin cậy phải được huỷ bỏ vì chúng đã bị hỏng do nhiễu. 2.3 Điều khiển công suất vòng ngoài Điều khiển công suất vòng ngoài cần để giữ chất lượng thông tin ở các mức yêu cầu bằng việc thiết lập mục tiêu cho việc điều khiển công suất nhanh. Mục đích của điều khiển công suất vòng ngoài là cung cấp chất lượng đạt yêu cầu. Chất lượng quá cao sẽ tốn rất nhiều dung lượng. Điều khiển công suất vòng ngoài cần thiết trên cả đường lên và đường xuống. Vòng ngoài đường lên được đặt trong RNC còn vòng bên ngoài đường xuống đặt trong UE. Trong IS-95, điều khiển công suất vòng ngoài chỉ sử dụng trên đường lên vì không có điều khiển công suất nhanh trên đường xuống. Chất lượng đường lên nhận được sau khi kết hợp phân tập vĩ mô trong RNC và SIR mục tiêu được gửi đến các Node B. Tần số của điều khiển công suất nhanh là 1,5 KHz và tần số điều khiển công suất vòng ngoài thường từ 10¸100 Hz. 2.3.1 Độ lợi của điều khiển công suất vòng ngoài SIR mục tiêu cần phải được điều chỉnh khi tốc độ của UE hoặc môi trường truyền sóng đa đường thay đổi. SIR mục tiêu chính là Eb/N0. Kết quả mô phỏng với các dịch vụ thoại đa tốc độ thích nghi AMR và BLER = 1% được chỉ ra trong bảng 2.4 sử dụng điều khiển công suất vòng ngoài. Bảng 2.4 Kết quả mô phỏng dịch vụ AMR, BLER = 1%, sử dụng điều khiển công suất vòng ngoài [5] Hiện trạng đa đường Tốc độ UE [Km/h] Mục tiêu Eb/N0 trung bình [dB] Không fading - 5,3 ITU Pedestrian A 3 5,9 ITU Pedestrian A 20 6,8 ITU Pedestrian A 50 6,8 ITU Pedestrian A 120 7,1 Công suất bằng nhau trên 3 đường 3 6,0 Công suất bằng nhau trên 3 đường 20 6,4 Công suất bằng nhau trên 3 đường 50 6,4 Công suất bằng nhau trên 3 đường 120 6,9 Có 3 loại đa đường được sử dụng: kênh không có fading tương ứng với phần tử LOS khỏe, kênh fading ITU Pedestrian A, và kênh fading 3 đường với công suất trung bình bình đẳng của các phần tử đa đường. Giả sử không có phân tập anten ở đây. Mục tiêu Eb/N0 trung bình thấp nhất cần trong các kênh không fading và mục tiêu cao nhất đối với kênh ITU Pedestrian A với các UE tốc độ cao. Kết quả này cho thấy rằng mức công suất thay đổi công suất thu càng cao, thì mục tiêu Eb/N0 cần thiết để đạt được cùng chất lượng cũng cao hơn. Nếu ta chọn mục tiêu Eb/N0 cố định là 5,3 dB theo kênh tĩnh, và tốc độ lỗi khung của kết nối sẽ quá cao trong các kênh fading và chất lượng thoại sẽ giảm đi. Nếu chọn mục tiêu Eb/N0 cố định 7,1dB, thì chất lượng đủ tốt nhưng công suất cao không cần thiết sẽ được sẽ được sử dụng trong hầu hết các trường hợp. Chúng ta có thể kết luận rõ ràng cần điều chỉnh mục tiêu của điều khiển công suất vòng kín nhanh theo điều khiển công suất vòng ngoài. 2.3.2 Tính toán chất lượng thu Một số phương pháp để đo chất lượng thu sẽ được giới thiệu trong phần này. Một phương pháp đơn giản và đáng tin cậy là sử dụng kết quả của việc phát hiện lỗi- kiểm tra độ dư thừa tuần hoàn CRC để phát hiện có lỗi hay không. Ưu điểm của CRC: đó là một bộ phát hiện lỗi khung rất tin cậy và đơn giản. Phương pháp dựa vào CRC rất phù hợp với các dịch vụ cho phép xuất hiện lỗi, ít nhất là một lỗi trong vài giây, như là các dịch vụ dữ liệu gói phi thời gian thực trong đó tốc độ lỗi block có thể lên tới 10¸20% trước khi truyền lại và các dịch vụ thoại với BLER = 1% cung cấp chất lượng đạt yêu cầu. Với các bộ mã/giải mã thoại đa tốc độ thích nghi (AMR) khoảng chèn là 20 ms và BLER = 1% , tương ứng với một lỗi trong 2 giây. Chất lượng thu có thể được tính toán dựa vào thông tin về độ tin cậy của khung mềm. Những thông tin đó có thể là: Tốc độ lỗi bit (BER) được tính toán trước bộ mã hoá kênh, được gọi là BER thô và BER kênh vật lý. Thông tin mềm từ bộ giải mã Viterbi với các mã xoắn. Thông tin mềm từ bộ giải mã Turbo, ví dụ như BER hay BLER sau sự lặp lại giải mã trung gian. Eb/N0 thu được. Các thông tin mềm cần thiết đối với các dịch vụ chất lượng cao. BER thô được sử dụng như là thông tin mềm qua giao diện Iub. Sự tính toán chất lượng được minh hoạ trong hình 2.8 Hình 2.8 Tính toán chất lượng trong điều khiển công suất vòng ngoài tại RNC 2.3.3 Giới hạn biến động điều khiển công suất Tại sườn của vùng hội tụ, UE có thể đạt tới công suất phát lớn nhất của nó. Trong trường hợp BLER thu được có thể cao hơn mong muốn, nếu chúng ta áp dụng trực tiếp thuật toán vòng ngoài đã nêu, thì SIR mục tiêu ở đường lên sẽ tăng. Việc tăng SIR mục tiêu không cải thiện chất lượng đường lên nếu như Node B đã chỉ gửi các lệnh tăng công suất ( power-up) tới UE. Trong trường hợp hợp đó Eb/N0 mục tiêu có thể cao quá mức cần thiết. Khi UE trở về gần với Node B hơn, chất lượng của kết nối đường lên cao quá mức cần thiết trước khi vòng ngoài hạ thấp Eb/N0 mục tiêu trở về giá trị tối ưu. Trong ví dụ này, các dịch vụ thoại đa tốc độ thích nghi (AMR) có chèn 20 ms được minh hoạ sử dụng thuật toán điều khiển công suất vòng ngoài đã nêu. Trong đó sử dụng BLER mục tiêu là 1% và kích cỡ bậc là 0,5 dB.Với độ biến động công suất lớn nhất, một lỗi phải xuất hiện trong 2 giây để cung cấp BLER là 1% với khoảng ghép chèn là 20ms. Công suất phát lớn nhất của UE là 125 mW, tức là 21 dBm. Vấn đề tương tự có thể xuất hiện nếu UE đạt tới công suất phát nhỏ nhất. Trong trường hợp đó, Eb/N0 mục tiêu sẽ trở thành thấp quá mức cần thiết. Các vấn đề giống nhau có thể xuất hiện trên đường xuống nếu công suất của kết nối đường xuống đang sử dụng là giá trị nhỏ nhất hay lớn nhất. Các vấn đề ở vòng ngoài từ sự biến động điều khiển công suất có thể tránh được bằng cách thiết lập một giới hạn nghiêm ngặt cho Eb/N0 mục tiêu hoặc bởi các thuật toán điều khiển công suất vòng ngoài thông minh. Những thuật toán đó sẽ tăng Eb/N0 mục tiêu nếu việc tăng BLER đó không cải thiện chất lượng. 2.3.4 Đa dịch vụ Một trong các yêu cầu cơ bản của W-CDMA là có thể ghép một số các dịch vụ trên một kết nối vật lý đơn. Khi tất cả các dịch vụ có cùng một hoạt động điều khiển công suất chung, thì sẽ có duy nhất mục tiêu chung cho điều khiển công suất nhanh. Thông số này phải được chọn theo dịch vụ có yêu cầu mục tiêu cao nhất. Như vậy nếu việc kết hợp được các tốc độ khác nhau áp dụng trên lớp 1 để cung cấp các chất lượng khác nhau, thì không có sự khác nhau lớn giữa các mục tiêu yêu cầu. Mô hình đa dịch vụ được chỉ ra trong hình 2.9. Hình 2.9 Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên cho nhiều dịch vụ trên một kết nối vật lý 2.3.5 Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống hoạt động tại UE. Mạng có thể điều khiển một cách hiệu quả ngay cả khi nó không điều khiển thuật toán vòng ngoài đường xuống. Trước hết, mạng thiết lập mục tiêu chất lượng cho mỗi kết nối đường xuống, mục tiêu đó có thể đước hiệu chỉnh trong khi kết nối. Thứ hai, Node B không cần phải tăng công suất đường xuống của kết nối đó ngay cả khi UE gửi kệnh tăng công suất (power-up). Mạng có thể điều khiển chất lượng của các kết nối đường xuống khác nhau rất nhanh bằng cách không tuân theo các lệnh điều khiển công suất từ UE. Phương pháp này có thể được sử dụng có thể được sử dụng chẳng hạn như trong trường hợp quá tải đường xuống để giảm công suất đường xuống của các kết nối có mức ưu tiên thấp, như là các dịch vụ kiểu nền. Việc giảm công suất đường xuống có thể diễn ra tại tần số của đường lên công suất nhanh là 1,5 KHz. CHƯƠNG III CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG W-CDMA 3.1 Tổng quan về chuyển giao trong mạng di động Trong mạng di động các thuê bao có thể truy nhập dịch vụ khi đang di chuyển hay nói cách khác mạng di động cung cấp tính tự do cho thuê bao trong một phạm di động nhất định. Tuy nhiên, tính tự do này mang đến sự không chắc chắn trong hệ thống di động. Tính di động của các thuê bao là nguyên nhân dẫn đến những biến động trong cả chất lượng đường dẫn và mức độ nhiễu, đôi khi đòi hỏi rằng một thuê bao cụ thể phải thay đổi trạm gốc dịch vụ của nó. Và thao tác này được gọi là chuyển giao (Handover: HO). Chuyển giao là một thành phần thiết yếu để đối phó với tính di động của thuê bao. Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ không dây khi thuê bao di động di chuyển qua các ranh giới tế bào. Trong hệ thống di động tế bào thế hệ thứ nhất như AMPS, chuyển giao là tương đối đơn giản. Trong hệ thống di động thế hệ thứ 2 như GSM và PACS thì chuyển giao được đưa lên một mức cao hơn ở nhiều hình thức bao gồm các giải thuật được sử dụng. Phức tạp hơn, các thủ tục quyết định chuyển giao và xử lý tín hiệu đã được tích hợp trong những hệ thống này và sự trì hoãn quyết định chuyển giao cũng được giảm thiểu đáng kể. Từ lúc công nghệ CDMA được giới thiệu, một ý tưởng khác đã được đề xuất để cải tiến quá trình chuyển giao, đó là chuyển giao mềm. 3.1.1 Các kiểu chuyển giao trong hệ thống W-CDMA Có 4 kiểu chuyển giao khác nhau trong mạng di động W-CDMA. Đó là: Ø Chuyển giao trong cùng một hệ thống (Intra-system HO) Chuyển giao trong cùng hệ thống có thể được chia thành chuyển giao cùng tần số và chuyển giao khác tần số. Chuyển giao cùng tần số xuất hiện giữa các cell thuộc cùng sóng mang W-CDMA. Chuyển giao khác tần số xuất hiện giữa các cell hoạt động trên các tần số sóng mang khác nhau. Ø Chuyển giao ngoài hệ thống (Inter-system HO) Chuyển giao ngoài hệ thống xuất hiện giữa các cell thuộc 2 công nghệ truy xuất vô tuyến (RAT) khác nhau hoặc các chế độ truy xuất khác nhau. Trường hợp được mong đợi thường gặp nhất trong kiểu thứ nhất đó là giữa hệ thống W-CDMA và GSM/EDGE. Chuyển giao giữa các hệ thống CDMA khác nhau cũng thuộc kiểu chuyển giao này. Lấy một ví dụ về chuyển giao giữa các chế độ truy xuất khác nhau đó là giữa UTRA FDD và UTRA TDD. Hình 3.1 Các kiểu chuyển giao khác nhau Ø Chuyển giao cứng (Hard Handover: HHO) Chuyển giao cứng là một thể loại của các thủ tục chuyển giao, trong đó tất cả các kết nối cũ của một trạm di động được giải phóng trước khi một kết nối mới được thiết lặp. Đối với các kênh yêu cầu thời gian thực thì nó có nghĩa là ngắt một kết nối ngắn của kênh, còn đối với các kênh không yêu cầu thời gian thực thì HHO có nghĩa là không tổn hao. Chuyển giao cứng có thể đặt trong kiểu chuyển giao cùng tần số hoặc khác tần số. Ø Chuyển giao mềm (SHO) và chuyển giao mềm hơn (Softer HO) Chuyển giao mềm là chuyển giao giữa hai BS khác nhau, còn chuyển giao mềm hơn là chuyển giao giữa ít nhất 2 sector của cùng một BS. Trong suốt quá trình chuyển giao mềm, MS giao tiếp một cách tức thì với hai (chuyển giao hai đường) hoặc nhiều cell của các BS khác nhau thuộc cùng RNC (Intra-RNC) hoặc các RNC khác nhau (Inter-RNC). Trên đường xuống máy di động nhận hai tín hiệu với tỉ số kết hợp lớn nhất; ở đường lên, kênh mã hoá di động được phát hiện bởi cả hai BS (chuyển giao hai đường), và được gởi đến RNC cho việc lựa chọn kết hợp. Hai vòng điều khiển công suất tích cực tham gia vào quá trình chuyển giao mềm, mỗi vòng cho một BS. Trong trường hợp chuyển giao mềm hơn, MS được điều khiển ít nhất bởi hai sector của cùng BS, do đó RNC không được tham gia và chỉ có một vòng điều khiển công suất tích cực. Chuyển giao mềm và mềm hơn chỉ sử dụng một sóng mang, do đó chúng là các quá trình chuyển giao trong cùng một tần số. 3.1.2 Các mục tiêu của chuyển giao Chuyển giao có thể được bắt đầu trong 3 cách khác nhau đó là: bắt đầu từ thuê bao di động, bắt đầu từ mạng và hỗ trợ thuê bao. Bắt đầu từ thuê bao: thuê bao thực hiện các phép đo về chất lượng, lựa chọn trạm gốc tốt nhất, và chuyển mạch, với sự điều phối của mạng. Kiểu chuyển giao này thường được kích hoạt bởi các liên kết kém chất lượng được đo từ thuê bao. Bắt đầu từ mạng: trạm gốc thực hiện các phép đo và báo cáo về RNC để quyết định có nên chuyển giao hay không. Ngoài điều khiển đường dẫn vô tuyến, chuyển giao bắt đầu từ mạng còn được thực hiện bởi những lý do khác hơn, ví dụ như để điều khiển sự phân phối lưu lượng giữa các cell. Chẳng hạn như chuyển giao vì lý do lưu lượng được điều khiển bởi trạm gốc (TRHO). Nếu tải của cell nguồn vượt quá mức cho phép, và tải của một cell lân cận thấp hơn một mức cho phép khác, thì khi đó cell nguồn sẽ thu hẹp vùng phủ sóng của nó, chuyển giao một số lưu lượng đến cell lân cận. Vì vậy, tỷ lệ chặn tổng thể có thể giảm, dẫn đến việc sử dụng tài nguyên cell tốt hơn. Hỗ trợ thuê bao: ở đây mạng và thuê bao đều thực hiện các phép đo. Thuê bao báo cáo các kết quả đo lường từ những trạm gốc gần đó và mạng sẽ thực hiện quyết định có nên chuyển giao hay không. Các mục tiêu của chuyển giao có thể tóm tắt như sau: Đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ không dây khi các thuê bao di động di chuyển qua các ranh giới của cell. Giữ QoS được yêu cầu. Giảm tối đa mức nhiễu của toàn hệ thống. Chuyển vùng giữa các mạng khác nhau. Phân phối tải từ các khu vực điểm nóng (cân bằng tải). Các yếu tố có thể được sử dụng để khởi xướng quá trình chuyển giao có đó là: chất lượng đường dẫn (hướng lên hoặc hướng xuống), sự thay đổi dịch vụ, thay đổi tốc độ, vì các lý do lưu lượng hoặc sự can thiệp của O&M (Operation and Maintenance). 3.1.3 Các thủ tục và phép đo chuyển giao Thủ tục chuyển giao có thể được chia thành ba giai đoạn: đo lường, quyết định và thực hiện, được minh hoạ trong hình 3.2 [11, trang 44, 45]. Trong giai đoạn đo lường chuyển giao, các thông tin cần thiết để thực hiện quyết định chuyển giao được đo . Ở hướng xuống, trạm di động thực hiện các phép đo để đo tỷ số Ec/I0 của kênh hoa tiêu chung (CPICH: Common Pilot Channel) của cell dịch vụ của nó và các cell lân cận. Đối với một số loại chuyển giao nào đó, các phép đo khác là hết sức cần thiết. Lấy ví dụ trong mạng bất đồng bộ như UTRA FDD (W-CDMA), thông tin định thời tương đối giữa các cell cần được đo để điều chỉnh định thời truyền trong chuyển giao mềm để cho phép 1 sự kết hợp chặt chẽ ở máy thu Rake. Tuy nhiên, việc truyền dẫn từ các trạm gốc khác nhau sẽ rất khó để kết hợp và đặc biệt là hoạt động điều khiển công suất trong chuyển giao mềm sẽ bị trì hoãn thêm. Trong giai đoạn quyết định chuyển giao, các kết quả đo lường được so sánh với ngưỡng được xác định trước đó và sau đó nó quyết định có bắt đầu thực hiện chuyển giao hay không. Các giải thuật chuyển giao khác nhau sẽ có các điều kiện kích hoạt khác nhau. Trong giai đoạn thực hiện, quá trình chuyển giao được hoàn thành và các thông số liên quan cũng được thay đổi tùy theo các kiểu chuyển giao khác nhau. Ví dụ: trong giai đoạn thực hiện của chuyển giao mềm, khi trạm di động vào hoặc rời bỏ trạng thái chuyển giao mềm thì một trạm gốc mới sẽ được đưa vào hoặc giải phóng, các cài đặt tích cực được cập nhật và công suất của mỗi kênh tham gia vào quá trình chuyển giao mềm được điều chỉnh. Giai đoạn đo lường Giai đoạn quyết định Giai đoạn thực hiện No Đo lường thông tin cần thiết để quyết định chuyển giao. Vd: Ec/I0 của kênh CPICH của cell dịch vụ và các cell lân cận, thông tin định thời tương đối giữa các cell. Yes Hoàn thành quá trình chuyển giao. Cập nhật các thông số liên quan. Thỏa tiêu chuẩn chuyển giao Hình 3.2 Các thủ tục chuyển giao 3.2 Chuyển giao mềm (SHO) Chuyển giao mềm được giới thiệu bởi công nghệ CDMA. So với tiêu chuẩn chuyển giao cứng thì chuyển giao mềm có một số ưu điểm lợi thế hơn. Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm như sự phức tạp và sự tiêu thụ nguồn tài nguyên bổ sung. Việc quy hoạch tổng phí chuyển giao mềm (Soft Handover Overhead) là một trong những thành phần cơ bản của việc quy hoạch và tối ưu hoá mạng vô tuyến. Trong phần này sẽ trình bày các nguyên lý cơ bản của chuyển giao mềm. 3.2.1 Nguyên lý của chuyển giao mềm Chuyển giao mềm khác với quá trình chuyển giao cứng truyền thống. Với chuyển giao cứng, một quyết định xác định được thực hiện để chuyển giao hay không chuyển giao và trạm di động chỉ truyền thông với một trạm gốc tại thời gian đó. Còn với chuyển giao mềm, một quyết định có điều kiện được thực hiện để quyết định có chuyển giao hay là không. Tuỳ thuộc vào những thay đổi của cường độ tín hiệu kênh hoa tiêu từ 2 hoặc nhiều trạm gốc tham gia vào quá trình, một quyết định tốt nhất cuối cùng sẽ được thực hiện để truyền thông với một và chỉ một trạm gốc mà thôi. Và điều này thường xảy ra sau khi đã chắc chắn rằng tín hiệu đến từ trạm gốc được chọn mạnh hơn tín hiệu đến từ các trạm gốc khác. Trong chu kỳ chuyển tiếp của quá trình chuyển giao mềm, trạm di động truyền thông đồng thời với tất cả trạm gốc đang kết nối với nó. Sự khác nhau giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm giống như sự khác nhau giữa các cuộc thi bơi tiếp sức và chạy tiếp sức. Chuyển giao cứng xảy ra tại một điểm thời gian, trong khi đó chuyển giao mềm kéo dài trong một chu kỳ thời gian. Hình 3.3 đưa ra quá trình cơ bản của chuyển giao cứng và chuyển giao mềm (trường hợp 2 đường). Giả sử có một đầu cuối di động bên trong chiếc xe hơi di chuyển từ cell 1 đến cell 2, BS1 là trạm gốc ban đầu của trạm di động. Trong khi di chuyển, trạm di động đo đồng thời cường độ tín hiệu kênh hoa tiêu nhận được từ các trạm gốc lân cận. Với chuyển giao cứng đưa ra ở hình 3.3(a), việc kích hoạt được mô tả đơn giản như sau [11, trang 46]: If (pilot_Ec/I0)2 – (pilot_Ec/I0)1 > D và BS1 là BS dịch vụ Handover to BS2 Else Do not handover end Trong đó (pilot_Ec/I0)1 và (pilot_ Ec/I0)2 lần lượt là tỷ số Ec/I0 kênh hoa tiêu nhận được từ BS1 và BS2; D là số dự trữ trễ. Lý do giới thiệu số dự trữ trễ D trong giải thuật chuyển giao cứng là để tránh tác động của hiện tượng “ping-pong” , là hiện tượng mà khi trạm di động di chuyển trong và ngoài biên giới của Cell, thì quá trình chuyển giao cứng thường xuất hiện. Ngoài tính di động của thuê bao, hiện tượng fading của kênh vô tuyến cũng làm cho tác động “ping-pong” càng trở nên nghiêm trọng hơn. Bằng việc giới thiệu số dự trữ trễ D, tác động của “ping-pong” sẽ giảm nhẹ hơn bởi khi đó trạm di động sẽ không chuyển giao ngay đến trạm gốc tốt hơn. Số dự trữ càng lớn thì tác động của hiện tượng “ping-pong” càng giảm. Tuy nhiên, nếu số dự trữ lớn thì điều đó cũng đồng nghĩa với độ trì hoãn tăng. Hơn nữa, trạm di động cũng gây thêm nhiễu đối với các cell lân cận do các kết nối chất lượng kém suốt trong thời gian trì hoãn. Do đó, đối với chuyển giao cứng thì số dự trữ trễ D là khá quan trọng. Khi quá trình chuyển giao cứng xuất hiện, kết nối lưu lượng ban đầu với BS1 sẽ bị rớt trước khi thiết lặp một kết nối mới với BS2 và cũng vì lý do đó mà ta nói chuyển giao cứng là một quá trình “break before make” có nghĩa là “ngắt trước khi nối”. Hình 3.3 Sự so sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm Trong trường hợp chuyển giao mềm, được đưa ra ở hình 3.3(b), trước khi (pilot_ Ec/I0)2 vượt quá (pilot_Ec/I0)1,chỉ cần điều kiện kích hoạt chuyển giao mềm được thoả mãn thì trạm di động sẽ vào trạng thái chuyển giao mềm và một kết nối mới được thiết lặp. Trước khi BS1 bị rớt (điều kiện rớt chuyển giao được thoả mãn) thì trạm di động sẽ truyền thông đồng thời với cả BS1 và BS2. Vì vậy, không giống như chuyển giao cứng, chuyển giao mềm là một quá trình “nối trước ngắt sau” hay người ta còn gọi là “make before break”. Cho đến nay, một số thuật toán đã được đề xuất để hỗ trợ chuyển giao mềm và các tiêu chuẩn khác nhau được sử dụng trong các thuật toán khác nhau. Hình 3.4 Nguyên lý chuyển giao mềm (trường hợp 2 đường) Quá trình chuyển giao mềm là không giống nhau trong các hướng truyền khác nhau. Hình 3.4 minh hoạ cho điều đó. Ở hướng lên, trạm di động truyền tín hiệu đến không gian thông qua anten đẳng hướng của nó. Hai trạm gốc đang kết nối với nó có thể nhận được tín hiệu một cách đồng thời bởi hệ số tái sử dụng tần số của một trong những hệ thống CDMA. Sau đó, những tín hiệu này sẽ được truyền thẳng tới RNC để thực hiện kết hợp lựa chọn. Khung nào tốt hơn sẽ được chọn và khung kia sẽ bị bỏ đi. Do đó, ở hướng lên không có kênh bổ sung cần thiết để hỗ trợ cho quá trình chuyển giao mềm. Ở hướng xuống, cả 2 BS sẽ cùng truyền các tín hiệu giống nhau đến trạm di động, và khi trạm di động nhận thấy chúng thì nó có thể kết hợp một cách dễ dàng các tín hiệu này. Thông thường, chiến lược kết hợp tỷ lệ tối đa sẽ được sử dụng để cung cấp một lợi ích bổ sung được gọi là phân tập đa dạng. Tuy nhiên, để hỗ trợ cho quá trình chuyển giao ở hướng xuống thì cần ít nhất một kênh hướng xuống bổ sung (SHO 2 đường). Kênh hướng xuống bổ sung này tác động đến các User khác giống như nhiễu bổ sung trong giao tiếp không gian. Vì vậy, để hỗ trợ cho quá trình chuyển giao mềm ở hướng xuống thì yêu cầu phải có thêm tài nguyên. Và kết quả là, ở hướng xuống, hiệu suất của quá trình chuyển giao mềm phụ thuộc vào sự cân bằng giữa độ lợi phân tập đa dạng (macrodiversity) và sự tiêu thụ nguồn tài nguyên bổ sung. 3.2.2 Thuật toán chuyển giao mềm Thuật toán có một tầm ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của quá trình chuyển giao mềm. Hình 3.5 đưa ra thuật toán chuyển giao mềm của IS-95A (cũng còn được gọi là thuật toán cdmaOne cơ bản), [11, trang 48, 49]. Hình 3.5 Thuật toán chuyển giao mềm của IS-95A Trong hình: (1) nếu cường độ tín hiệu pilot (Ec/I0) nhóm gần vượt ngưỡng T_ADD thì MS phát bản tin đo cường độ pilot (PSMM) và pilot này trở thành pilot nhóm thứ. (2) BS phát bản tin chỉ dẫn chuyển giao (HDM). (3) Pilot xét trở thành pilot nhóm chủ và MS phát bản tin hoàn thành chuyển giao (HCM-Handover Completion Message). (4) nếu cường độ tín hiệu pilot (Ec/I0) xuống dưới ngưỡng T_DROP thì MS bắt đầu kỳ hạn bỏ chuyển giao T_DROP. (5) kỳ hạn T_DROP kết thúc, MS phát bản tin đo cường độ pilot (PSMM). (6) BS phát bản tin chỉ dẫn chuyển giao (HDM). (7) MS chuyển pilot xét từ nhóm chủ sang nhóm gần và MS phát bản tin hoàn thành chuyển giao (HCM). Active set (Nhóm chủ): là danh sách các cell mà hiện đang kết nối với trạm di động. Candidate set (Nhóm thứ): là danh sách các cell mà hiện không được sử dụng trong kết nối chuyển giao mềm, nhưng các giá trị Ec/I0 kênh pilot của chúng là đủ mạnh để được bổ sung vào nhóm gần. Neighbouring set (Nhóm gần): là danh sách các cell mà trạm di động đo lường liên tục, nhưng các giá trị Ec/I0 kênh pilot của chúng không đủ mạnh để bổ sung vào nhóm chủ. Trong IS-95A, ngưỡng chuyển giao là một giá trị Ec/I0 cố định nhận được từ kênh hoa tiêu. Nó rất dễ thực hiện, nhưng lại gặp nhiều khó khăn khi phải đối mặt với những thay đổi tải động. Dựa trên thuật toán IS-95A, nhiều biến đổi của thuật toán cdmaOne với tính năng động hơn ngưỡng cố định đã được đề xuất cho hệ thống IS-95B và CDMA2000. Trong W-CDMA sử dụng các thuật toán phức tạp hơn, được minh họa như trên hình 3.6 [5, trang 59]. Khởi đầu cell 1 và cell 2 nằm trong nhóm chủ Sự kiện 1A => Bổ sung cell 3 Sự kiện 1C => Thay cell 2 bằng cell 4 Sự kiện 1B => Loại cell 1 Hình 3.6 Thuật toán chuyển giao mềm W-CDMA Thuật toán chuyển giao mềm W-CDMA có thể được mô tả như sau: Lúc đầu: Chỉ có cell 1 và cell 2 nằm trong nhóm chủ. Tại sự kiện A: (Ec/I0)P-CPICH3 > (Ec/I0)P-CPICH1 − (R1a − H1a/2) trong đó (Ec/I0)P-CPICH1 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh hoa tiêu của cell 1 mạnh nhất, (Ec/I0)P-CPICH3 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh hoa tiêu của cell 3 nằm ngoài nhóm chủ và R1a là hằng số dải báo cáo (do RNC thiết lập), H1a/2 là thông số trễ và (R1a − H1a/2) là cửa sổ kết nạp cho sự kiện 1a. Nếu bất đẳng thức này tồn tại trong khoảng thời gian ΔT thì cell 3 được kết nạp vào nhóm chủ. Tại sự kiện C: (Ec/I0)P-CPICH4 > (Ec/I0)P-CPICH2 + H1c/2, trong đó (Ec/I0)P−CPICH4 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của cell 4 nằm ngoài nhóm chủ và (Ec/I0)P−CPICH2 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của cell 2 tồi nhất trong nhóm chủ, H1c/2 là thông số trễ. Nếu quan hệ này tồn tại trong thời gian ΔT và nhóm chủ đã đầy thì cell 2 bị loại ra khỏi nhóm chủ và cell 4 sẽ thế chỗ của nó trong nhóm chủ. Tại sự kiện B: (Ec/I0)P-CPICH1 < (Ec/I0)P-CPICH3 − (R1b + H1b/2) trong đó (Ec/I0)P-CPICH1 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh hoa tiêu của cell 1 yếu nhất trong nhóm chủ, (Ec/I0)P-CPICH3 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của cell 3 mạnh nhất trong nhóm chủ, R1b hằng số dải báo cáo (do RNC thiết lập), H1b/2 là thông số trễ và (R1b + H1b/2) là cửa sổ loại cho sự kiện 1B. Nếu quan hệ này tồn tại trong khoảng thời gian ΔT thì cell 3 bị loại ra khỏi nhóm chủ. Trong thuật toán W-CDMA, người ta sử dụng ngưỡng tương đối chứ không sử dụng ngưỡng tuyệt đối. So với IS-95A, lợi ích lớn nhất của giải thuật này đó là sự biểu diễn tham số một cách dễ dàng, và nhờ có các giá trị ngưỡng tương đối nên không yêu cầu bất kỳ một sự thay đổi tham số nào đối với các khu vực có nhiễu cao và thấp. 3.2.3 Đặc điểm của chuyển giao mềm So với chuyển giao cứng truyền thống thì chuyển giao mềm cho thấy những ưu điểm rõ ràng hơn, ví dụ như là loại bỏ hiện tượng “ping pong” và làm cho đường truyền dẫn liên tục hơn, không bị gẫy khúc. Không có hiện tượng “ping pong” có nghĩa là số lượng tải trên mạng báo hiệu thấp hơn và với chuyển giao mềm cũng sẽ không bị mất dữ liệu do sự phá vỡ truyền dẫn tạm thời (xảy ra trong chuyển giao cứng). Ngoài lý do xử lý tính di động của thuê bao, còn có một lý do khác nữa để thực hiện chuyển giao mềm trong CDMA; đó là sử dụng nó như một cơ chế để giảm nhiễu (được thực hiện cùng với điều khiển công suất). Hình 3.7 đưa ra 2 viễn cảnh. Ở viễn cảnh thứ nhất (hình a), điều khiển công suất được sử dụng. Ở viễn cảnh thứ 2 (hình b), điều khiển công suất và chuyển giao mềm đều được hỗ trợ. Giả sử rằng trạm di động đang di chuyển từ BS1 đến BS2. Tại vị trí đang xét, tín hiệu nhận được từ BS2 mạnh hơn từ BS1 điều này có nghĩa là BS2 tốt hơn BS1. Hình 3.7 Giảm nhiễu hướng lên bằng cách sử dụng SHO Ở hình (a), vòng điều khiển công suất làm tăng công suất truyền của trạm di động để đảm bảo QoS ở hướng lên khi trạm di động di chuyển ra xa trạm gốc dịch vụ của nó (BS1). Ở hình (b), trạm di động đang trong trạng thái chuyển giao mềm và cả 2 trạm gốc truyền thông một cách đồng thời với trạm di động, các tín hiệu thu được sau đó được trạm gốc truyền thẳng tới RNC để thực hiện kết hợp. Ở hướng lên, việc kết hợp lựa chọn được sử dụng trong chuyển giao mềm, khung nào mạnh nhất sẽ được chọn và khung yếu hơn sẽ bị xoá bỏ đi. Bởi vì BS2 tốt hơn BS1 nên để đạt được cùng một QoS mong muốn thì yêu cầu công suất truyền của trạm di động ở hình (b) phải nhỏ hơn so với hình (a). Vì vậy, nhiễu góp vào hệ thống bởi trạm di động ở hướng lên sẽ thấp hơn bởi quá trình chuyển giao mềm luôn luôn giữ cho trạm di động liên kết với BS tốt nhất. Ở hướng xuống thì có vẻ phức tạp hơn, mặc dù tỷ lệ kết hợp tối đưa ra một độ lợi về phân tập đa dạng nhưng cũng cần thiết phải hỗ trợ thêm kênh hướng xuống bổ sung vào quá trình chuyển giao mềm. Có thể tóm tắt các đặc điểm chính của chuyển giao mềm như sau: Ưu điểm: Giảm hiện tượng “ping-pong”, từ đó dẫn tới giảm tổng phí và số lượng tải trên mạng báo hiệu. Truyền dẫn liên tục, không xảy ra gián đoạn suốt trong quá trình chuyển giao mềm. Không có số dự trữ trễ, dẫn tới độ trì hoãn thấp hơn. Giảm nhiễu hướng dẫn đến chất lượng truyền thông tốt hơn cho một số lượng người dùng nhất định đồng thời tăng số lượng người dùng với cùng một QoS yêu cầu. Các ràng buộc về thời gian trên mạng ít hơn, điều này có nghĩa là thời gian xếp hàng để có được một kênh mới từ BS mong muốn sẽ dài hơn, giúp cho xác suất chặn và rớt cuộc gọi giảm đi. Nhược điểm: Phức tạp hơn trong việc thực hiện quá trình chuyển giao cứng. Cần phải bổ sung thêm nguồn tài nguyên mạng ở hướng xuống (tài nguyên về mã và công suất). 3.3 Chuyển giao giữa hệ thống W-CDMA và GSM Các chuẩn W-CDMA và GSM hỗ trợ chuyển giao cả hai đường giữa W-CDMA và GSM. Sự chuyển giao này có thể sử dụng cho mục đích phủ sóng và cân bằng tải. Tại pha ban đầu khi triển khai W-CDMA, chuyển giao tới hệ thống GSM có thể sử dụng để giảm tải trong các tế bào GSM. Mô hình này được chỉ ra trong hình 3.8. Khi lưu lượng trong mạng W-CDMA tăng, thì rất cần chuyển giao cho mục đích tải trên cả đường lên và đường xuống. Chuyển giao giữa các hệ thống được khởi xướng tại RNC/BSC và từ góc độ hệ thống thu, thì chuyển giao giữa các hệ thống tương tự như chuyển giao giữa các RNC hay chuyển giao giữa các BSC. Thuật toán và việc khởi xướng này không được chuẩn hoá. Hình 3.8 Chuyển giao giữa hệ thống W-CDMA và GSM Hình 3.9 Thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống Thủ tục chuyển giao như hình 3.9. Việc đo đạc chuyển giao giữa các hệ thống không hoạt động thường xuyên nhưng sẽ được khởi động khi có nhu cầu thực hiện chuyển giao giữa các hệ thống. Việc khởi xướng chuyển giao là một thuật toán do RNC thực hiện và có thể dựa vào chất lượng (BLER) hay công suất phát yêu cầu. Khi khởi xướng đo đạc, đầu tiên UE sẽ đo công suất tín hiệu của các tần số GSM trong danh sách lân cận. Khi kết quả đo đạc đó được gửi tới RNC, nó ra lệnh cho UE giải mã nhận dạng trạm gốc (BSIC) của cell ứng cử GSM tốt nhất. Khi RNC nhận được BSIC, một lệnh chuyển giao được gửi tới UE. Việc đo đạc có thể hoàn thành trong 2s. Chế độ nén W-CDMA sử dụng việc thu phát liên tục và không thể tiến hành đo đạc với bộ nhận đơn nếu như không có những khoảng gián đoạn tạo ra bởi các tín hiệu W-CDMA. Vì thế, chế độ nén cần thiết cho việc đo đạc trong chuyển giao giữa các tần số và chuyển giao giữa các hệ thống. Trong suốt khoảng gián đoạn của chế độ nén, điều khiển công suất nhanh không thể sử dụng và một phần độ lợi ghép chèn bị mất. Vì vậy, trong suốt khung nén cần Ec/N0 cao hơn dẫn tới dung lượng bị giảm. Chế độ nén cũng ảnh hưởng đến vùng phủ sóng đường lên của các dịch vụ thời gian thực, trong đó tốc độ bit không thể giảm trong suốt chế độ nén. Vì thế mà thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống phải được bắt đầu đủ sớm tại biên giới các cell để tránh sự suy giảm chất lượng tại chế độ nén. Chuyển giao từ GSM sang W-CDMA được bắt đầu tại BSC của GSM. Không cần sử dụng chế độ nén để tiến hành đo đạc W-CDMA từ GSM vì GSM sử dụng chế độ thu phát không liên tục. Thời gian ngắt dịch vụ trong chuyển giao giữa các hệ thống lớn nhất là 40 ms. Thời gian ngắt là khoảng thời gian giữa block chuyển vận thu cuối cùng trên tần số cũ và thời gian UE bắt đầu phát trên kênh đường lên mới. Tổng khoảng hở dịch vụ lớn hơn thời gian ngắt vì UE cần nhận được kênh riêng hoạt động trong mạng GSM. Khoảng hở dịch vụ thường dưới 80 ms tương tự như chuyển giao trong GSM. Khoảng hở đó không làm giảm chất lượng dịch vụ. 3.4 Chuyển giao giữa các tần số trong W-CDMA Hầu hết các bộ vận hành W-CDMA đều có 2 hoặc 3 tần số FDD có hiệu lực. Việc vận hành có thể bắt đầu sử dụng một tần số và tần số thứ hai, thứ ba. Sau đó cần để tăng dung lượng, một vài tần số có thể sử dụng được chỉ ra trong hình 3.10. Một vài tần số được sử dụng trong cùng một site sẽ tăng dung lượng của site đó hoặc các lớp micro và macro được sử dụng các tần số khác nhau. Chuyển giao giữa các tần số sóng mang W-CDMA cần sử dụng phương pháp này. Hình 3.10 Nhu cầu chuyển giao giữa các tần số sóng mang W-CDMA Hình 3.11 Thủ tục chuyển giao giữa các tần số Trong chuyển giao này, chế độ nén cũng được sử dụng trong việc đo đạc chuyển giao giống như trong chuyển giao giữa các hệ thống. Thủ tục chuyển giao giữa các tần số được chỉ ra trong hình 3.11. UE cũng sử dụng thủ tục đồng bộ W-CDMA giống như chuyển giao trong tần số để nhận dạng cell có tần số mục tiêu. Thời gian nhận dạng cell chủ yếu phù thuộc vào số các cell và số các thành phần đa đường mà UE có thể thu được giống như trong chuyển giao cùng tần số. Yêu cầu thời gian nhận dạng cell là 5s với Ec/I0 của CPICH > -20 dB. 3.5 Tổng kết chuyển giao Các kiểu chuyển giao được tổng kết trong bảng 3.1. Chuyển giao điển hình nhất của W-CDMA là chuyển giao cùng tần số được điều khiển bởi các thông số trong hình 3.12. Báo cáo chuyển giao cùng tần số thường khởi xướng cho sự kiện, và RNC ra lệnh thực hiện chuyển giao dựa vào các báo cáo đo đạc. Trong trường hợp chuyển giao trong cùng tần số UE được kết nối với Node B tốt nhất để tránh hiệu ứng gần xa, và RNC luôn phải hoạt động để lựa chọn các cell mục tiêu. Bảng 3.1 Tổng kết chuyển giao Kiểu chuyển giao Đo đạc chuyển giao Báo cáo đo đạc chuyển giao từ UE đến RNC Mục đích chuyển giao Chuyển giao trong tần số W-CDMA Đo trong toàn bộ thời gian sử dụng bộ lọc kết hợp Báo cáo khởi xướng sự kiện - Sự di động thông thường Chuyển giao giữa các hệ thống W-CDMA -GSM Việc đo chỉ bắt đầu khi cần thiết, sử dụng chế độ nén Báo cáo định kỳ trong suốt chế độ nén Phủ sóng Tải Dịch vụ Chuyển giao giữa các tần số W-CDMA Việc đo chỉ bắt đầu khi cần, sử dụng chế độ nén Báo cáo định kỳ trong suốt chế độ nén Phủ sóng Tải Việc đo đạc chuyển giao giữa các hệ thống và giữa các tần số thường chỉ bắt đầu khi cần thực hiện chuyển giao. Chuyển giao giữa các tần số cần để cân bằng tải giữa các sóng mang W-CDMA và các lớp cell, và để mở rộng vùng phủ sóng nếu tần số khác không bao phủ hết. Chuyển giao tới hệ thống GSM để mở rộng vùng phủ sóng W-CDMA, để cân bằng tải giữa các hệ thống và định hướng các dịch vụ đến các hệ thống phù hợp nhất. Hình 3.12 Một ví dụ về mô hình chuyển giao Một ví dụ của mô hình chuyển giao được trình bày trong hình 3.12. Đầu tiên UE kết nối tới cell 1 với tần số f1. Khi nó di chuyển thì chuyển giao cùng tần số f1 đến cell được thực hiện. Tuy nhiên tại cell 2, tải quá cao, RNC ra lệnh cho chuyển giao giữa các tần số với mục đích tải đến cell 5 với tần số f2. UE chuyển sang tần số f2 và tiếp tục chuyển giao đến cell 6. Khi nó ra khỏi vùng phủ với tần số f2, thì chuyển giao giữa các tần số được thực hiện đến cell 4 với tần số f1. CHƯƠNG IV QUY HOẠCH MẠNG VÔ TUYẾN W-CDMA Trong chương này ta sẽ nghiên cứu việc quy hoạch mạng vô tuyến W-CDMA. Quá trình quy hoạch mạng cũng có các pha và có các đầu vào, đầu ra tương ứng. Quá trình quy hoạch mạng khởi xướng có thể là từ các sự kiện sau: Phát triển các dịch vụ mới. Các chỉ tiêu kỹ thuật dưới mức mục tiêu được thiết lập. Sự thay đổi trong chiến lược kinh doanh. Sự thay đổi về quyền ưu tiên các dịch vụ. Sự thay đổi trong quyền ưu tiên của khách hàng. Hình 4.1 Quá trình quy hoạch mạng W-CDMA Quy hoạch mạng vô tuyến là công việc phức tạp, công việc này bao gồm: định cỡ mạng, hoạch định dung lượng và vùng phủ chi tiết, tối ưu mạng. Ở giai đoạn định cỡ mạng sẽ đưa ra dự tính số đài trạm gốc, cấu hình các trạm gốc và các phần tử khác trên cơ sở các yêu cầu của nhà khai thác và truyền sóng trong vùng. Định cỡ phải thực hiện được các yêu cầu của nhà khai thác về vùng phủ, dung lượng và chất lượng phục vụ. Việc hoạch định dung lượng và vùng phủ phải được xem xét đồng thời do dung lượng và vùng phủ có quan hệ chặt chẽ với nhau trong mạng di động. Quy hoạch mạng vô tuyến được thực hiện kết hợp với công cụ phần mềm quy hoạch W-CDMA. Tuy nhiên W-CDMA là một hệ thống bị giới hạn bởi nhiễu nên các vấn đề nhiễu cũng cần được xem xét khi quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến. 4.1 Định cỡ mạng Định cỡ mạng truy nhập vô tuyến W-CDMA là một quá trình quy hoạch ban đầu nhờ đó mà cấu hình của mạng và tổng các thiết bị mạng được tính toán, dựa vào các yêu cầu của nhà vận hành mạng. Các yêu cầu của nhà vận hành mạng liên quan đến các đặc điểm sau: Vùng phủ: - Vùng phủ sóng. - Thông tin về loại vùng phủ sóng. - Điều kiện truyền sóng. Dung lượng: - Phổ sẵn có. - Dự đoán sự tăng trưởng số thuê bao. - Thông tin mật độ lưu lượng. Chất lượng dịch vụ (QoS): - Xác suất vị trí các vùng (khả năng phủ sóng). - Xác suất nghẽn. - Thông lượng người sử dụng đầu cuối. Mục tiêu của định cỡ mạng là tính toán mật độ site và cấu hình site yêu cầu cho các vùng phủ quan tâm. Các hoạt động quy hoạch mạng truy nhập vô tuyến RAN bao gồm: tính toán quỹ liên kết vô tuyến (RLB), phân tích vùng phủ, đánh giá dung lượng và cuối cùng là tính toán cho tổng số các thiết bị phần cứng trạm gốc, các site và bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC), các thiết bị tại các giao diện khác nhau và phần tử mạng lõi (như là các vùng chuyển mạch kênh và các vùng chuyển mạch gói ). 4.1.1 Phân tích vùng phủ vô tuyến Quá trình phân tích vùng phủ vô tuyến thực hiện khảo sát các địa điểm cần phủ sóng và kiểu dịch vụ cần cung cấp cho các địa điểm này. Thông thường ta cần phủ sóng trước hết ở các vùng quan trọng như: các vùng thương mại, các vùng có mật độ dân số cao và các đường cao tốc chính. Do vậy cần phải có các thông tin về các vùng cần phủ sóng. Các thông tin có thể dựa trên bản đồ mật độ dân cư: vùng nào là thành phố, ngoại ô, nông thôn, vùng nào là khu thương mại, khu công nghiệp… Hình 4.2 Các kiểu môi trường phủ sóng trong hệ thống W-CDMA Mục đích của quá trình khảo sát này là: Đảm bảo cung cấp một dung lượng phù hợp cho các vùng này. Biết được đặc điểm truyền sóng của vùng để xác định môi trường truyền sóng vì mỗi môi trường sẽ có tác động khác nhau đến quá trình truyền sóng. Phụ thuộc vào kiểu môi trường mà có thể có các mức phủ sóng khác nhau. Ví dụ: đối với các vùng ngoại ô và thành thị thì cung cấp các vùng phủ trong nhà. Tuy nhiên, đối với các vùng có đường cao tốc thì chỉ cần đến vùng phủ trong xe. Còn các vùng phủ khác thì chỉ cần cung cấp các vùng phủ ngoài trời. Đối với các hệ thống GSM khảo sát các nhân tố này đã có thể bắt tay vào thiết kế. Nhưng đối với các hệ thống W-CDMA thì cần phải xem xét thêm kiểu dịch vụ sẽ cung cấp hoặc có sẵn trong vùng. 4.1.1.1 Tính toán quỹ đường truyền Cũng giống như các hệ thống thông tin di động tế bào khác, quỹ đường truyền trong hệ thống W-CDMA dùng để tính toán tổn hao đường truyền cực đại cho phép để tính toán vùng phủ (tính bán kính cell ). Các thành phần để tính tổn hao đường truyền cực đại cho phép của tín hiệu từ trạm phát đến trạm thu gọi là quỹ đường truyền. Khi tính toán quỹ đường truyền ở hệ thống W-CDMA cần lưu ý các thông số quan trọng sau đây: Dự dự trữ nhiễu: Vì hệ số tải khác nhau sẽ tác động khác nhau lên vùng phủ sóng: hệ số tải càng lớn thì nhiễu đồng kênh càng lớn tức là càng cần có dự trữ nhiễu lớn ở đường lên và cần thu hẹp vùng phủ. Đối với trường hợp bị giới hạn bởi vùng phủ cần đề xuất dự trữ nhiễu nhỏ, và ngược lại, dự trữ nhiễu lớn cho trường hợp bị hạn chế bởi dung lượng. Dự dự trữ fading nhanh: để duy trì điều khiển công suất nhanh vòng kín cần một lượng dự trữ fading nhất định ở công suất phát của máy di động. Dự trữ fading nhanh điển hình 2,0¸5,0 dB cho các MS chuyển động chậm. Độ lợi chuyển giao mềm: chuyển giao mềm hay cứng đảm bảo độ lợi để chống fading bằng cách giảm dự trữ fading chuẩn log. Lý do là, fading chậm thường không tương quan giữa các trạm gốc nên máy di động có thể chọn được trạm gốc tốt hơn nhờ thực hiện chuyển giao. Chuyển giao mềm cung cấp độ lợi phân tập vĩ mô bổ sung để chống lại fading nhanh bằng cách giảm tỷ số Eb/N0 liên quan đến một đường truyền đơn nhờ việc kết hợp phân tập vĩ mô. Độ lợi chuyển giao mềm được coi bằng 2 dB hoặc 3 dB. Dự trữ fading chuẩn log phụ thuộc vào yêu cầu độ tin cậy vùng phủ của ô (xác suất phủ sóng). Do những đặc điểm khác nhau, quỹ đường truyền cần được tính riêng cho cả đường xuống và đường lên cũng như cho các tốc độ khác nhau để xác định tổn hao cực đại cho phép mỗi đường, từ đó căn cứ vào mô hình truyền sóng sẽ tính được bán kính phủ sóng tương ứng đối với mỗi loại hình dịch vụ. Tổng công suất tạp âm nhiệt được tính theo công thức sau: NT = (N x NF) [dB] = 10lg(290 x 1,38.10 -23) + NF + 30 + 10lgBw [dBm/Hz] (4.1) Trong đó: + N là tạp âm nhiệt đầu vào máy thu. + NF là hệ số tạp âm của máy thu. + Bw là độ rộng kênh bằng tốc độ trải phổ. Độ nhạy cần thiết của máy thu để đảm bảo tỷ số (Eb/N’0)req được xác định như sau: Pmin / (NT+I) = (1/GP)x[Eb/(N0+I0)req] = (1/GP)x[Eb/(N’0)req] (4.2) Trong đó: + Pmin là độ nhạy của máy thu cần thiết để đảm bảo tỷ số (Eb/N’0)req theo yêu cầu. + NT là tạp âm nhiệt. + I là nhiễu người sử dụng khác. + GP là độ lợi xử lý. + N0 là mật độ năng lượng tạp âm. + I0 là mật độ năng lượng can nhiễu. + N’0 là mật độ phổ công suất tạp âm tương đương. Tính theo dB ta có: Pmin [dB] = (NT + I)[dBm] – GP[dB] + (Eb/(N’0)req) [dB] (4.3) (NT +I)[dBm] = NT[dB] + MT[dB] (4.4) Trong đó: + MT là dự trữ nhiễu giao thoa của các người sử dụng khác. Suy hao đường truyền lớn nhất được tính theo công thức sau: LMax = EIRPm – Pmin + Gb – Lf – Mf-F (4.5) Trong đó: + EIRPm = PTxm – Lfm – Lb + Gm là công suất phát xạ hiệu dụng của máy phát. + PTxm là công suất phát xạ của máy phát. + Lfm, Lb là tổn hao phi đơ và suy hao cơ thể. + Mf-F là độ dự trữ fading nhanh. + Gm là hệ số khuyếch đại của anten máy phát. + Gb, Lf là hệ số khuyếch đại và tổn hao phiđơ, connector của máy thu. Suy hao truyền sóng được phép đối với phạm vi của cell: L’max = Lmax – Ml-F + GHO – Lpenet