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

LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển của các hệ thống viễn thông di động trên toàn thế giới đã trải qua được ba thế hệ, với rất nhiều các kiểu hệ thống khác nhau. Từ các hệ thống tương tự ở thế hệ thứ nhất đến các hệ thống số ở các thế hệ tiếp theo và hiện nay còn đang được triển khai phát triển ở các hệ thống viễn thông di động thế hệ thứ tư. Trong đó hệ thống viễn thông di động đa năng UMTS thuộc về thế hệ viễn thông di động thứ ba đã được đề xuất bởi Tổ Chức Tiêu Chuẩn Viễn Thông Châu Âu ETSI và Liên Đoàn Kinh Doanh Và Công Nghiệp Vô Tuyến ARIB của Nhật. Hệ thống UMTS được xây dựng trên cơ sở của mạng GSM là mạng đã được sự thừa nhận của hầu hết các quốc gia trên toàn thế giới. Nhiều nước hàng đầu trên thế giới đã triển khai hệ thống 3G của mình theo UMTS như các nước ở Châu Âu, Nhật Bản và trong đó có Viêt Nam. Mạng UMTS hiện đang được Viettel, Mobifone, Vinaphone là ba nhà mạng chiếm thị phần chính ở Việt Nam triển khai và phát triển. Kỹ thuật điều khiển công suất là một trong những kỹ thuật được sử dụng trong việc quản lý tài nguyên mạng vô tuyến trong UMTS. Nhằm mục đính giải quyết hiện tượng gần xa tránh được sự can nhiễu giữa các tín hiệu thu được của những người sử dụng khác nhau. Trên những cơ sở đấy em đã quyết định trọn đề tài “Kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba UMTS”. Đề tài được thực hiện với mục đính có thể nắm được một cách cơ bản về hệ thống cũng như các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến và hiểu rõ về các kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống UMTS. Mặc dù bản thân đã rất cố gắng và được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn TS. Trần Mạnh Hoàng song do trình độ hiểu biết của bản thân còn nhiều hạn chế, thời gian chuẩn bị ngắn, nguồn tài liệu không nhiều, nên không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo thêm của thầy giáo hướng dẫn, sự góp ý của các thầy cô giáo khoa Điện tử-Viễn thông cũng như của các bạn sinh viên, để em khắc phục những thiếu sót đó để hoàn thiện thêm kiến thức của mình. Em xin chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn TS. Trần Mạnh Hoàng đã tận tình chỉ bảo cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này Sinh viên TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án được chia làm bốn chương với nội dung nghiên cứu chủ yếu là kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống viễn thông UMTS. Nội dung chính của từng chương: Chương 1: Hệ thống viễn thông di động thế hệ thứ ba UMTS Giới thiệu một cách cơ bản về hệ thống viễn thông thế hệ thứ ba UMTS như là nguồn gốc của hệ thống UMTS, kiến trúc mạng UMTS,các loại kênh vô tuyến, một số đặc điểm cơ bản như trải phổ và đa truy nhập phân chia theo mã, giao diện vô tuyến, quy hoạch tần số và các loại chất lượng dịch vụ. Chương 2: Các kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến trong hệ thống UMTS Trình bầy về các kỹ thuật quản lý tài nguyên mạng vô tuyến và tầm quan trọng của nó trong mạng UMTS như kỹ thuật điều khiển công suất, điều khiển chuyển giao, điều khiển cho phép, điều khiển tải, điều khiển tải, lập biểu gói. Chương 3: Kỹ thuật điều khiển công suất theo bước DSSPC và kỹ thuật điều khiển công suất phân tán DPC Nghiên cứu hai thuật toán điều khiển công suất thông minh là DSSPC và DPC. Chương 4: Kết quả tính toán và mô phỏng Đưa ra các kết quả tính toán để mô phỏng hai thuật toán DSSPC và DPC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN Hình 1.1: Phân vùng dịch vụ cho IMT-2000 25 Hình 1. 2: Lộ trình phát triển UMTS từ GSM 27 Hình 1. 3: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) 28 Hình 1. 4: Phổ tần cho ghép kênh FDD và TDD 30 Hình 1. 5: Phân bố tần số cho WCDMA/FDD 30 Hình 1. 6: Kiến trúc hệ thống UMTS R3 32 Hình 1. 7: Vai trò logic của SRNC và DRNC 35 Hình 1. 8: Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4 41 Hình 1. 9: Kiến trúc mạng UMTS R5 43 Hình 1. 10: Sự chuyển đổi các kênh logic thành các kênh truyền tải 47 Hình 1. 11: Tổng kết kiểu các kênh vật lý 48 Hình 1. 12: Sự chuyển đổi từ kênh truyền tải sang kênh vật lý 51 Hình 1. 13: Cấu trúc kênh vật lý riêng cho đường lên và đường xuống 53 Hình 2. 1:Vị trí điển hình của các thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) 55 Hình 2. 2: Điều khiển cống suất trong UMTS 56 Hình 2. 3: Nguyên lý hoạt động của phương pháp điều khiển công suất vòng kín đường lên 59 Hình 2. 4: Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường xuống 61 Hình 2. 5: Chuyển giao mềm hai đường 63 Hình 2. 6: Chuyển giao mềm 3 đường 63 Hình 2. 7: Chuyển giao mềm hơn 64 Hình 2. 8: Chuyển giao mềm – mềm hơn 65 Hình 2. 9: Chuyển giao cùng tần số 66 Hình 2. 10: Chuyển giao khác tần số 67 Hình 3. 1: Dự trữ SIR đối với các chất lượng dịch vụ khác nhau 71 Hình 3. 2: Thuật toán tạo lập TPC trong DSSPC 72 Hình 3. 3: Mô hình chung của DSSPC với điều khiển công suất đường lên 75 Hình 4. 1: Thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC 90 Hình 4. 2: Mô phỏng sự thay đổi của công suất phát tại 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DSSPC 90 Hình 4. 3: Mô phỏng sự thay đổi của tỷ số SIR thu được tại Node B tương ứng với 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DSSPC 91 Hình 4. 4: Thuật toán điều khiển công suất phân tán DPC 92 Hình 4. 5: Mô phỏng sự thay đổi của công suất phát tại 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DPC 93 Hình 4. 6: Mô phỏng sự thay đổi của tỷ số SIR thu được tại Node B tương ứng với 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DPC 94 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1. 1: Phân loại các dịch vụ trong IMT-2000 26 Bảng 1. 2: Các loại lưu lượng trong UTMTS 31 Bảng 1. 3: Danh sách kênh logic và ứng dụng của chúng 45 Bảng 1. 4: Danh sach các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng 46 Bảng 1. 5: Tổng kết các kênh vật lý và ứng dụng của chúng 48 Bảng 3. 1: Bảng tra cứu ứng dụng DSSPC 74 Bảng 4. 1: Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ số liệu thời gian thực 144kbit/s (3km/giờ, người sử dụng trong nhà được phủ sóng bởi BS ngoài trời, kênh xe ô tô kiêu A, có chuyển giao mềm) 81 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AGCH Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập AICH Acquisition Indication Channel Kênh chỉ thị bắt AMPS Advanced Mobile Phone System Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến ARIB Association of Radio Industries and Businesses Liên đoàn kinh doanh và công nghệ vô tuyến AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực BCCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BG Border Gatway Cổng biên giới CCH Control Channel Kênh điều khiển CD/CA-ICH Collision Detection/ Channel Assignment Indicator Channel Kênh chỉ thị ấn định kênh/ phát hiện xung đột CD/CA-ICH Collision Detection/Channel Assignment Indicator Channel Kênh chỉ thị ấn định kênh/ Phát hiện xung đột CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CN Core Network Mạng lõi CPCH Common Physical Channel Kênh vật lý chung CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CRC Cyclic Redundancy Check Mã dịch vòng CRNC Control RNC RNC điều khiển CS Circuit Switch Chuyển mạch kênh CSCF Call State Control Function Chức năng điều khiển trạng thái cuộc gọi CSICH CPCH Status Indicator Channel Kênh chỉ thị trạng thái CPCH CSPDN Circuit Switch Public Data Network Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh CTCH Common Traffic Channel Kênh lưu lượng chung D/A Digital/Analog Bộ chuyển đổi tín hiệu số thành tương tự DCCH Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý riêng DPCH Dedicated Physical Channel Kênh vật lý riêng DPCH Downlink Physical Channel Kênh vật lý đường xuống DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh vật lý số liệu riêng DRNC Drift Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến trôi DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp DS-CDMA Direct Sequence - Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp DSCH Downlink Shared Channel Kênh chia sẻ đường xuống DTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng riêng EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM EIR Equipment Identity Register Bộ đăng ký nhận dạng thiết bị ETSI European Telecommunication Standard Institute Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu FACCH Fast Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết nhanh FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống FDD Time Division Duplex Ghép kênh phân chia theo tần số GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng GMSC Gateway Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạnh các dịch vụ di động cổng GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu HE Home Environment Môi trường nhà HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú HSCSD High Speed Circuit Switched Data Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSS Home Subscriber Server Dịch vụ thuê bao thường trú (Đăng ký thường trú) IF Intermediate Frequency Trung tần IMSI International Mobile Station Identity Nhận dạng trạm di động quốc tế IP Internet Protocol Giao thức Internet ISDN Integrated Service Digital Network Mạng số liên kết đa dịch vụ IWF Internetworking Function Chức năng tương tác mạng LAI Location Area Identity Nhận dạng vùng định vị LoCH Logic Channel Các kênh logic MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập trung gian MCC Mobile Country Code Mã nước ME Mobile Equipment Thiết bị di động MGCF Media Gateway Control Function Chức năng điều khiển cổng các phương tiện MGW Media Gateway Cổng các phương tiện MNC Mobile Network Code Mã mạng MRF Multimedia Resource Function Chức năng tài nguyên đa phương tiện MS Mobile Station Trạm di động MSC Mobile Service Switching Center Trung tâm chuyển mạnh các dịch vụ di động MSIN Mobile Station Identity Number Số nhận dạng trạm di động MSISDN Mobile Station ISDN Số thuê bao MSRN Mobile Station Random Number Số lưu động của trạm di động NMT Nordic Mobile Telephone Hệ thống điện thoại di động vùng Bắc Âu OMC Operation and Management Center Hệ thống khai thác và bảo dưỡng mạng PACCH Packet Associated Control Channel Kênh điều khiển liên kết gói PAGCH Packet Access Grant Channel Kênh cho phép truy nhập gói PCCCH Packet Common Control Channel Kênh điều khiển chung gói P-CCPCH Primary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp PCCH Paging Control Channel Kênh tìm điều khiển tìm gọi PCPCH Physical Common packet Channel Kênh vật lý gói chung PDC Personal Digital Cellular Tế bào số cá nhân PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh vật lý chia sẻ đường xuống PDP Packet Data Protocol Giao thức số liệu gói PDTCH Packet Data Traffic Channel Các kênh lưu lượng số liệu gói PICH Paging Indicator Channel Kênh chỉ thị tìm gọi PIN Personal Identification Number Số nhận dạng cá nhân PhCH Physical Channal Kênh vật lý PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động công cộng mặt đất PN Pseudo Noise Giả tạp âm PRACH Physical Random Access Channel Kênh truy nhập vật lý ngẫu nhiên PRACH Packet Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên gói PS Packet Switch Chuyển mạch gói PSK Phase Shift Keying Khoá dịch pha PSPDN Packet Switch Public Data Network Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói PSTN Public Switch Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng P-TMSI Packet- Temporary Mobile Subscriber Identity Các số nhận dạng tạm thời gói QPSK Quadrate Phase Shift Keying Khoá dịch pha vuông góc QoS Quality Of Service Các loại lưu lượng và dịch vụ RA Routing Area Vùng định tuyến thuê bao RAB Radio Access Bearer Vật mang truy nhập vô tuyến RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RF Radio Frequency Tần số vô tuyến (cao tần) RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNS Radio Network System hệ thống mạng vô tuyến R-SGW Roaming Signaling Gateway Cổng báo hiệu chuyển mạng S-CCPCH Secondary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp SCH Synchronous Channel Kênh đồng bộ SF Spreading Factor Hệ số trải phổ SGSN Serving GPRS Support Note Điểm hỗ trợ GPRS phục vụ SRNC Serving Radio Network Controller Bộ điều khiển mạng vô tuyến phục vụ TACS Total Access Communication System Hệ thống truyền thông truy nhập toàn bộ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TCH Traffic Channel Kênh lưu lượng TDD Time Divede Duplex Ghép kênh phân chia theo tần số TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối TMSI Temporary Mobile Station Identity Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời TRAU Transponder Rate Adaptor Unit Khối thích ứng tốc độ chuyển đổi mã T-SGW Transport Signalling Gateway Cổng báo hiệu truyền tải UE User Equipment Thiết bị của người sử dụng UICC UMTS IC card Thẻ IC UMTS UMTS Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống viễn thông di động đa năng UPCH Uplink Physical Channel Kênh vật lý đường lên USIM UMTS subscriber Identity Module Mô-đun nhận dạng thuê bao UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú VoIP Voice Over IP Thoại trên nền IP W-CDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy nhập vô tuyến phân chia theo mã băng rộng CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG VIỄN THÔNG DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA UMTS 1.1 Giới thiệu chương Mục đích của chương 1 cần đạt được là hiểu rõ về nguồn gốc của hệ thống viễn thông thế hệ thứ ba UMTS thông qua chủ đề “Sự ra đời của hệ thống viễn thông UMTS” cùng với việc đi vào tìm hiểu kỹ hơn về mạng UMTS thông qua hai chủ đề tiếp theo là “Một số đặc điểm của hệ thống UMTS” và “Kiến trúc mạng viễn thông UMTS” 1.2 Sự ra đời của hệ thông viễn thông UMTS 1.2.1 Lịch sử phát triển của các hệ thống viễn thông Sự phát triển của các hệ thống viễn thông di động trên toàn thế giới đã trải qua được ba thế hệ, với rất nhiều các kiểu hệ thống khác nhau. Từ các hệ thống tương tự ở thế hệ thứ nhất đến các hệ thống số ở các thế hệ tiếp theo và hiện nay còn đang được tiếp tục triển khai phát triển vào các hệ thống viễn thông di động ở thế hệ thứ tư. Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ nhất Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ nhất là các hệ thống điện thoại di động theo công nghệ tương tự được ra đời vào khoảng thời gian cuối những năm 1970 đầu những năm 1980. Hệ thống sử dụng kỹ thuật phân chia theo tần số FDMA và điều tần FM. Hệ thống đơn thuần hỗ trợ dịch vụ thoại, chất lượng kém, tính bảo mật thấp. Trong đó có ba hệ thống điển hình là : Hệ thống điện thoại di động vùng Bắc Âu (NMT: Nordic Mobile Telephone) vào năm 1981 ở băng tần 450 MHz Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến (AMPS: Advanced Mobile Phone System) triển khai tại Bắc Mỹ Hệ thống truyền thông truy nhập toàn bộ (TACS: Total Access Communication System) triển khai tại Anh vào năm 1985 Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ hai Sử dụng thành tựu của công nghệ kỹ thuật số, các hệ thống viễn thông thế hệ thứ hai đã có được những bước tiến quan trọng so với hệ thống tương tự. Ngoài lĩnh vực viễn thông truyền tiếng nói bằng kỹ thuật số, một loạt các dịch vụ số mới với tốc độ truyền dữ liệu thấp đã trở nên phong phú và đa dạng. Bao gồm “mobile fax’ (chuyển fax di động), gửi thư tiếng nói, và dịch vụ gửi tin nhanh (short message service – SMS). Những hệ thống của thế hệ thứ hai (2G) sử dụng công nghệ đa truy nhập là TDMA và CDMA. Một số hệ thống điển hình: Hệ thống truyền thông di động toàn cầu (GSM) được chuẩn hóa tại Châu Âu bởi Tổ Chức Tiêu Chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) là một tiêu chuẩn toàn cầu được sự thừa nhận của hầu hết các quốc gia trên toàn thế giới. IS-95 (CDMA one) – CDMA triển khai tại Mỹ và Hàn Quốc. Các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến kỹ thuật số (D-AMPS) do Hội Công nghiệp Viễn thông (TIA) định chuẩn. PDC (Personal Digital Cellular) – TDMA, Triển khai tại Nhật Bản vào năm 1991. Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ hai (2G) cải tiến Các mạng thế hệ 2G cải tiến khai thác các nhu cầu đối với dịch vụ dữ liệu mobile, với khả năng có những tốc độ dữ liệu cao hơn so với các dịch vụ 2G thuần túy. Dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao (HSCSD: Data Switched Circuit Speed Hight) bằng cách tận dụng khả năng sẵn có của GSM với tối đa 8 kênh TCH trọn tốc thì HSCSD có thể đạt tới tốc độ tối thiểu là 76,8 kb/s và còn có thể lên tới 115 kb/s nếu sử dụng thêm một số những kỹ thuật giảm thủ tục rườm rà. HSCSD tận dụng cấu trúc mạng GSM và không cần có những chỉnh sửa đối với cơ cấu hạ tầng của mạng chỉ trừ việc cập nhật phần mềm. Dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS: Services Radio Packet General) là dịch vụ chuyển mạch gói không giống với GSM và HSCSD là dịch vụ chuyển mạch kênh. Đây là một bước quan trọng trong sự trưởng thành của GSM mang lại sự hội tụ gần gũi hơn của IP và tính di động. GPRS cho ra các dịch vụ phi thời gian với tốc độ dữ liệu lên tới 171 kb/s. Những tốc độ dữ liệu nâng cao cho phát triển của mạng GSM (EDGE : Enhance Data rate for GSM Evolution). Công nghệ EDGE ra đời đã nâng được dung lượng và tốc độ truyền dữ liệu của cả hai mạng chuyển mạch kênh HSCSD và chuyển mạch gói GPRS. Điều này thực hiện được là nhờ việc thiết lập một giao diện sóng radio mới liên kết với khóa mã sử dụng trong GSM (GMSK) là khóa dịch pha bát phần (8-PSK). Phương pháp điều chế mới này cho phép các tốc độ dữ liệu của HSCSD và GPRS có sẵn có thể mở rộng lên đến ba lần cho từng kênh. EDGE có thể đạt tới 400 kb/s đối với các dịch vụ chất lượng cao. Các hệ thống viễn thông thế hệ thứ ba Sự bức thiết về những hệ thống di động lại có thể truy cập vào được các dịch vụ đa phương tiện băng rộng, tốc độ cao như những gì đã có ở các mạng cố định. Mà các dịch vụ này nằm ngoài khả năng của các mạng 2G (cung cấp các dịch vụ có tốc độ thấp). Đã dẫn tới sự phát triển của các hệ thống 3G với nền tảng là sự hội tụ của những công nghệ dựa trên giao thức Internet và di động. Việc tiêu chuẩn hóa các hệ thống 3G do Liên đoàn Viễn thông Quốc tế thực hiện. Trên phương diện toàn cầu, đó là hệ thống viễn thông Di động Quốc tế 2000 (IMT-2000). Ban đầu các hệ thống 3G được dự kiến như một chuẩn chung thống nhất trên thế giới, nhưng thực tế theo IMT-2000 thế giới 3G được chia làm 3 phần: Hệ thống viễn thông di động đa năng UMTS (WCDMA) của tổ chức ETSI ở Châu Âu và ARIB ở Nhật Bản. Đa truy nhập đồng bộ phân kênh theo thời gian TD-SCDMA của tổ chức RITT ở Trung Quốc. CDMA2000 phát triển từ IS-95 của tổ chức TIA ở Mỹ. Các hệ thống thế hệ thứ tư Với yêu cầu ngày càng cao của người sử dụng , mạng 3G vẫn chưa đủ nhanh để có thể đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng chuyển động. Ví dụ như bạn không thể chát video trên các mạng 3G hiện nay khi đang chuyển đông, chẳng hạn như khi ở trên tầu. Tuy nhiên mạng 4G lại có thể thực hiện rất tốt chuyện này và lại còn tăng thêm tốc độ truyền dẫn dữ liệu. Cuộc đua phát triển mạng viễn thông lên 4G hiện tại vẫn chưa ngã ngũ. Hai đối thủ còn lại trong cuộc đua là WMAX di động và LTE. Cả hai đều đang được rất nhiều các đại gia tài trợ phát triển WMAX có lợi thế phát triển sớm hơn so với LTE, các mạng WMAX đã được triển khai và các thiết bị WMAX cũng đã có mặt trên thị trường. Tuy nhiên LTE lại được hiệp hội các nhà khai thác GSM (GSM Association ) chấp nhận là công nghệ băng rộng tương lai của hệ thống di động hiện tại đang chiếm lĩnh thị trường di động toàn cầu với hơn 2,5 tỉ thuê bao. Và còn quan trọng hơn LTE cho phép tận dụng cơ sở hạ tầng GSM có sẵn (tuy vẫn cần thêm đầu tư thiết bị ) còn WMAX thì phải xây dựng lại từ đầu . Nên cuộc đua phát triển lên 4G hiện giờ vẫn rất căng thẳng, liệu rằng ai sẽ chiến thắng hay cả hai sẽ hợp thành một chuẩn 4G chung duy nhất trong tương lai. 1.2.2 Hệ thống viễn thông di động quốc tế cho năm 2000 (IMT-2000) Bộ phận tiêu chuẩn của ITU-R (Liên minh Viễn thông Quốc tế - bộ phận vô tuyến) đã xây dựng các tiêu chuẩn cho IMT-2000. Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) vào những năm 2000. Thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) xây dựng trên cơ sở IMT-2000 sẽ được đưa vào phục vụ từ năm 2001. Các hệ thống 3G sẽ cung cấp rất nhiều dịch vụ viễn thông bao gồm: thoại, số liệu tốc độ bít thấp và bít cao, đa phương tiện, video cho người sử dụng làm việc cả ở môi trường công cộng lẫn tư nhân (vùng công sở, vùng dân cư, phương tiện vận tải …) Các tiêu chí chung để xây dựng IMT-2000: Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz : Đường lên : 1885-2025 MHz Đường xuống : 2110-2200 MHz Là hệ thống thông tịn di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông Sử dụng trong các môi trường khai thác khác nhau: Trong công sở Ngoài đường Trên xe Vệ tinh Có thể hỗ trợ các dịch vụ như: Môi trường thông tin nhà ảo (VHF: Virtual Home Environment) trên cơ sở mạng thông minh, di động cá nhân và chuyển mạng 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 dịch vụ mới xuất hiện thì mội trường hoạt động của IMT-2000 được chia thành bốn vùng với các tốc độ phục vụ như sau: Hình 1.1: Phân vùng dịch vụ cho IMT-2000 Vùng 1: Trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2Mbit/s Vùng 2: Thành phố, ô micro, Rb ≤ 384 kbit/s Vùng 3: Ngoại ô, ô macro, Rb ≤ 144 kbit/s Vùng 4: Toàn cầu , Rb ≤ 9,6144 kbit/s Bảng 1. 1: Phân loại các dịch vụ trong IMT-2000 Kiểu Phân loại Dịch vụ chi tiết Dịch vụ di động Dịch vụ di động Di động đầu cuối/di động cá nhân/di động dịch vụ Dịch vụ thông tin định vị Theo dõi di động/ theo dõi di động thông minh Dịch vụ viễn thông Dịch vụ âm thanh Dịch vụ âm thanh chất lượng cao (16-64 kbit/s) Dịch vụ truyền thanh AM (32-64 kbit/s) Dịch vụ truyền thanh FM (64-384 kbit/s) Dịch vụ số liệu Dịch vụ số liệu tốc độ trung bình (64-144 kbit/s) Dịch vụ số liệu tốc độ tương đối cao(144 kbit/s – 2Mbit/s) Dịch vụ số liệu tốc độ cao ( ≥ 2Mbit/s) Dịch vụ đa phương tiện Dịch vụ Video (384 kbit/s) Dịch vụ ảnh động (384 kbit/s – 2Mbit/s) Dịch vụ ảnh động thời gian thực (≥2Mbit/s) Dịch vụ Internet Dịch vụ Internet đơn giản Dịch vụ truy nhập Wep ( 385 kbit/s -2 Mbit/s) Dịch vụ Internet thời gian thực Dịch vụ Internet (384 kbit/s – 2Mbit/s) Dịch vụ Internet đa phương tiện Dịch vu Website đa phương tiên thời gian thực (≥2Mbit/s) Để xây dựng tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 thì hai tổ chức quốc tế 3GPP và 3GPP2 đã được ra đời dưới sự điều hành chung của ITU 3GPP (đề án của các đối tác thế hệ thứ ba) có bốn thành viên: ETSI của Châu Âu, TTA của Hàn Quốc, ARIB của Nhật và T1P1 của Mỹ 3GPP2 (tổ chức thứ hai về đề án của đối tác thế hệ thứ ba) có các thành viên là: TIA và T1P1 của Mỹ, TTA của Hàn Quốc, ARIB và TTC của Nhật. Công nghệ W-CDMA được xây dựng từ 3GPP còn cdma2000 được xây dựng từ 3GPP2 1.2.3 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động GSM thế hệ thứ hai sang UMTS (WCDMA) thế hệ thứ ba Lộ trình phát triển lên UMTS từ GSM sẽ được thực hiện từng bước tùy theo đòi hỏi về chất lượng dịch vụ và đảm bảo tính khả thi về kinh tế GSM HSCSD GPRSSSS EDGEEE UMTS Hình 1. 2: Lộ trình phát triển UMTS từ GSM 1.3 Một số đặc điểm cở bản của hệ thống UMTS 1.3.1 Trải phổ và đa truy nhập phân chia theo mã Sử dụng hợp lý và hiệu quả tài nguyên băng tần là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong các hệ thống viễn thông. Để giải quyết vấn đề này công nghệ đa truy nhập đã được sử dụng để nhiều khách hàng có thể dùng chung tài nguyên tần số hoặc khe thời gian hoặc là cả hai. Trong hệ thống thông tin tương tự (1G) công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA được sử dụng. Trong hệ thống thông tin thế hệ thứ hai (2G) thì sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và phân chia theo mã CDMA. Và sau đó là WCDMA được xây dựng dựa trên CDMA nhưng với băng tần rộng hơn. Trong các hệ thống thông tin trải phổ (viết tắt là SS: Spread Spectrum) độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát. Có ba kiểu trải phổ cơ bản Chuỗi trực tiếp (DSSS: Direct Sequence Spreading Spectrum) Nhẩy tần (FHSS: Frequence Hopping Spreading Spectrung) Nhẩy thời gian(THSS: Time Hopping Spreading Spectrum) Phương pháp trải phổ được hệ thống WCDMA sử dụng là DSSS Hình 1. 3: Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS) Trong hình 1.3 thì Ký hiệu x, y và c ký hiệu tổng quát cho tín hiệu vào, ra và mã trải phổ x(t), y(t) và c(t) ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền thời gian X(f), Y(f) và C(f) ký hiệu cho các tín hiệu vào, ra và mã trải phổ trong miền tần số Tb là thời gian một bit của luồng số cần phát, Rb=1/Tb là tốc độ bit của luồng số cần truyền; Tc là thời gian một chip của mã trải phổ, Rc=1/Tc là tốc độ chip của mã trải phổ. Rc=15Rb và Tb=15Tc. 1.3.2 Giao diện vô tuyến của hệ thống UMTS(WCDMA) W-CDMA sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS-CDMA) và có hai giải pháp cho giao diện vô tuyến là: Ghép song công phân chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex) và ghép song công phân chia theo tần số (FDD: Time Division Duplex). Phương pháp ghép song công phân chia theo thời gian hiện nay đang được triển khai. FDD sử dụng hai băng tần 5 MHz với hai sóng mang phân cách nhau 190 MHz: Đường lên có băng tần nằm trong dải phổ từ 1920 MHz đến 1980 MHz Đường xuống có băng tần nằm trong dải phổ từ 2110 MHz đến 2170 MHz Phương pháp ghép kênh TDD sử dụng các tần số nằm trong dải 1900 đến 1920 MHz và 2010 MHz đến 2025 MHz, ở đây đường lên đường xuống sử dụng trung một băng tần Hình 1. 4: Phổ tần cho ghép kênh FDD và TDD 1.3.3 Quy hoạch tần số Hình 1. 5: Phân bố tần số cho WCDMA/FDD 1.3.4 Các loại lưu lượng và dịch vụ QoS (Quality Of Service) của mạng UMTS Trong UMTS có bốn loại lưu lượng : Loại hội thoại, loại luồng, loại tương tác và loại cơ bản. Yếu tố phân biệt chủ yếu của các dịch vụ này là độ nhạy cảm trễ của lưu lượng. Chẳng hạn loại hội thoại rất nhạy cảm với trễ, trong khi đó loại cơ bản ít nhạy cảm với trễ nhất Bảng 1. 2: Các loại lưu lượng trong UTMTS Loại lưu lượng Loại hội thoại Loại luồng Loại tương tác Cơ bản Các đặc tính cơ bản Thông tin yêu cầu trễ nhỏ Thông tin một chiều đòi hỏi dịch vụ luồng với trễ nhỏ Đòi hỏi phải trả lời trong một thời gian nhất định và có tỷ lệ lỗi thấp Các dữ liệu tải xuống không đòi hỏi trễ thấp, trễ có thể lên tới vài giây, vài chục giây hay tới vài phút Thí dụ về ứng dụng Thoại Điện thoại thấy hình Các trò chơi thoại Phân phối truyền hình thời gian thực Video Streaming Duyệt trình Web Truy nhập server Tải xuống e-mail, tải xuống video 1.4 Kiến trúc hệ thống viễn thông UMTS Hệ thống viễn thông UMTS được xây dựng theo ba mô thức chính là R3,R4,R5. 1.4.1 Kiến trúc hệ thống UMTS theo mô thức R3 Một mạng UMTS bao gồm ba phần: Thiết bị di động (UE: User Equipment) bao gồm ba thiết bị: thiết bị đầu cuối (TE), thiết bị di động (ME) và module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Module). Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN: UMTS Terrestrial Radio Access Network) tạo thành từ các hệ thống mạng vô tuyến (RNS: Radio Network System) và mỗi RNS bao gồm RNC (Radio Network Controller: bộ điều khiển mạng vô tuyến) và các nút B nối với nó Mạng lõi (CN: Core Network) bao gồm miền chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói và HE (Home Environment: Môi trường nhà). HE bao gồm các cơ sở dữ liệu: AuC (Authentication Center: Trung tâm nhận thực), HLR (Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú) và EIR (Equipment Identity Register: Bộ ghi nhận dạng thiết bị). Hình 1. 6: Kiến trúc hệ thống UMTS R3 Thiết bị người sử dụng UE UE (User Equipment: thiết bị người sử dụng) là thiết bị đầu cuối trong mạng UMTS, được khách hàng sử dụng. Đây là phần hệ thống có nhiều thiết bị nhất và sự phát triển của nó sẽ ảnh hưởng lớn lên các ứng dụng và các dịch vụ khả dụng. Giá thành giảm nhanh chóng sẽ tạo điều kiện cho người sử dụng mua thiết bị của UMTS. Các đầu cuối TE Vì máy đầu cuối bây giờ không chỉ đơn thuần dành cho điện thoại mà còn cung cấp các dịch vụ số liệu mới, nên tên của nó được chuyển thành đầu cuối. Các nhà sản xuất chính đã đưa ra rất nhiều đầu cuối dựa trên các khái niệm mới, nhưng trong thực tế chỉ một số ít là được đưa vào sản xuất. Mặc dù các đầu cuối dự kiến khác nhau về kích thước và thiết kế, tất cả chúng đều có màn hình lớn và ít phím hơn so với 2G. Lý do chính là để tăng cường sử dụng đầu cuối cho nhiều dịch vụ số liệu hơn và vì thế đầu cuối trở thành tổ hợp của máy thoại di động, modem và máy tính bàn tay. Đầu cuối hỗ trợ hai giao diện. Giao diện Uu định nghĩa liên kết vô tuyến (giao diện WCDMA). Nó đảm nhiệm toàn bộ kết nối vật lý với mạng UMTS. Giao diện thứ hai là giao diện Cu giữa UMTS IC card (UICC) và đầu cuối. Giao diện này tuân theo tiêu chuẩn cho các card thông minh. Mặc dù các nhà sản xuất đầu cuối có rất nhiều ý tưởng về thiết bị, họ phải tuân theo một tập tối thiểu các định nghĩa tiêu chuẩn để các người sử dụng bằng các đầu cuối khác nhau có thể truy nhập đến một số các chức năng cơ sở theo cùng một cách. Các tiêu chuẩn này gồm: Bàn phím (các phím vật lý hay các phím ảo trên màn hình) Đăng ký mật khẩu mới Thay đổi mã PIN (Personal Identification Number) Giải chặn PIN/PIN2 (PUK : PIN Unlooking Trình bầy IMEI (International Mobile Equipment Identity) Điều khiển cuộc gọi Các phần còn lại của giao diện sẽ dành riêng cho nhà thiết kế và người sử dụng sẽ chọn cho mình đầu cuối dựa trên hai tiêu chuẩn (nếu xu thế 2G còn kéo dài) là thiết kế và giao diện. Giao diện là kết hợp của kích cỡ và thông tin do màn hình cung cấp (màn hình nút chạm), các phím và menu. UICC (UMTS IC card) UMTS IC card là một card thông minh. Điều mà ta quan tâm đến nó là dung lượng nhớ và tốc độ bộ xử lý do nó cung cấp. Ứng dụng USIM chạy trên UICC. Mô dun nhận dạng thuê bao USIM Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thông tin cá nhân (đăng ký thuê bao) cài cứng trên card. Điều này đã thay đổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuê bao UMTS được cài như một ứng dụng trên UICC. Điều này cho phép lưu nhiều ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khóa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đích khác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh). Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng. USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng UMTS. Nó có thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao. Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN. Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạng UMTS. Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng ký. Mạng truy nhập vô tuyến UMTS (UTRAN) UTRAN là liên kết giữa người sử dụng và mạng lõi CN. Nó gồm các phần tử đảm bảo các cuộc truyền thông UMTS trên vô tuyến và điều khiển chúng. UTRAN được định nghĩa giữa hai giao diện. Giao diện Iu giữa UTRAN và CN, gồm hai phần: IuPS cho miền chuyển mạch gói và IuCS cho miền chuyển mạch kênh; giao diện Uu giữa UTRAN và thiết bị người sử dụng. Giữa hai giao diện này là hai nút, RNC và nút B. Điều khiển mạng vô tuyến RNC RNC (Radio Network Controller) chịu trách nhiệm cho một hay nhiều trạm gốc và điều khiển các tài nguyên của chúng. Đây cũng chính là điểm truy nhập dịch vụ mà UTRAN cung cấp cho CN. Nó được nối đến CN bằng hai kết nối, một cho miền chuyển mạch gói (đến SGSN) và một đến miền chuyển mạch kênh (đến MSC). Một nhiệm vụ quan trọng nữa của RNC là bảo vệ sự bí mật và toàn vẹn. Sau thủ tục nhận thực và thỏa thuận khóa, các khoá bảo mật và toàn vẹn được đặt vào RNC. Sau đó các khóa này được sử dụng bởi các hàm an ninh f8 và f9. RNC có nhiều chức năng logic tùy thuộc vào việc nó phục vụ nút nào. Người sử dụng được kết nối vào một RNC phục vụ (SRNC: Serving RNC). Khi người sử dụng chuyển vùng đến một RNC khác nhưng vẫn kết nối với RNC cũ, một RNC trôi (DRNC: Drift RNC) sẽ cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người sử dụng, nhưng RNC phục vụ vẫn quản lý kết nối của người sử dụng đến CN. Vai trò logic của SRNC và DRNC được mô tả trên hình 1.3. Khi UE trong chuyển giao mềm giữa các RNC, tồn tại nhiều kết nối qua Iub và có ít nhất một kết nối qua Iur. Chỉ một trong số các RNC này (SRNC) là đảm bảo giao diện Iu kết nối với mạng lõi còn các RNC khác (DRNC) chỉ làm nhiệm vụ định tuyến thông tin giữa các Iub và Iur. Chức năng cuối cùng của RNC là RNC điều khiển (CRNC: Control RNC). Mỗi nút B có một RNC điều khiển chịu trách nhiệm cho các tài nguyên vô tuyến của nó. Một RNC vật lý trong thực tế sẽ chứa tất cả các chức năng của DRNC,SRNC và CRNC. Hình 1. 7: Vai trò logic của SRNC và DRNC Nút B Trong UMTS trạm gốc được gọi là nút B và nhiệm vụ của nó là thực hiện kết nối vô tuyến vật lý giữa đầu cuối với nó. Nó nhận tín hiệu trên giao diện Iub từ RNC và chuyển nó vào tín hiệu vô tuyến trên giao diện Uu. Nó cũng thực hiện một số thao tác quản lý tài nguyên vô tuyến cơ sở như "điều khiển công suất vòng trong". Tính năng này để phòng ngừa vấn đề gần xa; nghĩa là nếu tất cả các đầu cuối đều phát cùng một công suất, thì các đầu cuối gần nút B nhất sẽ che lấp tín hiệu từ các đầu cuối ở xa. Nút B kiểm tra công suất thu từ các đầu cuối khác nhau và thông báo cho chúng giảm công suất hoặc tăng công suất sao cho nút B luôn thu được công suất như nhau từ tất cả các đầu cuối. Mạng lõi CN Mạng lõi CN được chia thành ba miền : Miền chuyển mạch gói PS (Packet Switch) đảm bảo các dịch vụ số liệu cho người sử dụng bằng các kết nối đến Internet và các mạng số liệu khác. Miền chuyển mạch kênh CS (Circuit Switch) đảm bảo các dịch vụ điện thoại đến các mạng khác bằng các kết nối TDM. Các nút trong mạng lõi CN được kết nối với nhau bằng đường trục của nhà khai thác, thường sử dụng các công nghệ mạng tốc độ cao như ATM và IP. Mạng đường trục trong miền CS sử dụng TDM còn trong miền PS sử dụng IP. Môi trường nhà HE (Home Environment) Nút hỗ trợ GPRS phục vụ SGSN (Serving GPRS Support Node) Nút SGSN là nút chính của miền chuyển mạch gói. Nó nối đến UTRAN thông qua giao diện IuPS và đến GGSN thông quan giao diện Gn. SGSN chịu trách nhiệm cho tất cả kết nối chuyển mạch gói PS của tất cả các thuê bao. Nó lưu hai kiểu dữ liệu thuê bao: thông tin đăng ký thuê bao và thông tin vị trí thuê bao. Số liệu thuê bao lưu trong SGSN gồm : Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế IMSI (International Mobile Subsscriber Identity ) Các số nhận dạng tạm thời gói (P-TMSI: Packet- Temporary Mobile Subscriber Identity) Giao thức số liệu gói PDP (Packet Data Protocol) Số liệu vị trí lưu trên SGSN : Vùng định tuyến thuê bao (RA: Routing Area) Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Rigister) Các địa chỉ GGSN của từng GGSN có kết nối tích cực Nút hỗ trợ GPRS cổng GGSN(Gateway GPRS Support Node) GGSN là một SGSN kết nối với các mạng số liệu khác. Tất cả các cuộc truyền thông số liệu từ thuê bao đến các mạng ngoài đều qua GGSN. GGSN nối đến Internet thông qua giao diện Gi và đến BG thông qua Gp. Cũng như SGSN, nó lưu cả hai kiểu số liệu: thông tin thuê bao và thông tin vị trí. Số liệu thuê bao lưu trong GGSN : IMSI Các địa chỉ PDP Số liệu vị trí lưu trong GGSN là địa chỉ SGSN hiện thuê bao đang nối đến Cổng biên giới BG (Border Gatway) BG là một cổng giữa miền chuyển mạch kênh PS của PLMN với các mạng khác. Chức năng của nút này giống như tường lửa của Internet: để đảm bảo mạng an ninh chống lại các tấn công bên ngoài. Bộ ghi định vị tạm trú VLR (Visitor Location Register) VLR là bản sao của HLR cho mạng phục vụ (SN: Serving Network). Dữ liệu thuê bao cần thiết để cung cấp các dịch vụ thuê bao được copy từ HLR và lưu ở đây. Cả MSC và SGSN đều có VLR nối với chúng. Số liệu sau đây được lưu trong VLR: IMSI MSISDN TMSI (nếu có) Vùng định vị LA hiện thời của thuê bao MSC/SGSN hiện thời mà thuê bao nối đến Ngoài ra VLR có thể lưu giữ thông tin về các dịch vụ mà thuê bao được cung cấp. Cả SGSN và MSC đều được thực hiện trên cùng một nút vật lý với VLR vì thế được gọi là VLR/SGSN và VLR/MSC. Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động MSC (Mobile Services Switching Center MSC thực hiện các kết nối CS giữa đầu cuối và mạng. Nó thực hiện các chức năng báo hiệu và chuyển mạch cho các thuê bao trong vùng quản lý của mình. Chức năng của MSC trong UMTS giống chức năng MSC trong GSM, nhưng nó có nhiều khả năng hơn. Các kết nối CS được thực hiện trên giao diện CS giữa UTRAN và MSC. Các MSC được nối đến các mạng ngoài qua GMSC. GMSC (MSC cổng) GMSC có thể là một trong số các MSC. GMSC chịu trách nhiệm thực hiện các chức năng định tuyến đến vùng có MS. Khi mạng ngoài tìm cách kết nối đến PLMN của một nhà khai thác, GMSC nhận yêu cầu thiết lập kết nối và hỏi HLR về MSC hiện thời quản lý MS. Môi trường nhà HE (Home Environment) HE lưu các hồ sơ thuê bao của hãng khai thác. Nó cũng cung cấp cho các mạng phục vụ (SN: Serving Network) các thông tin về thuê bao và về cước cần thiết để nhận thực người sử dụng và tính cước cho các dịch vụ cung cấp. Tất cả các dịch vụ được cung cấp và các dịch vụ bị cấm đều được liệt kê ở đây. Bộ ghi định vi thường trú HLR (Home Location Register) HLR là một cơ sở dữ liệu có nhiệm vụ quản lý các thuê bao di động. Một mạng di động có thể chứa nhiều HLR tùy thuộc vào số lượng thuê bao, dung lượng của từng HLR và tổ chức bên trong mạng. Cơ sở dữ liệu này chứa IMSI (International Mobile Subsscriber Identity: số nhận dạng thuê bao di động quốc tế), ít nhất một MSISDN (Mobile Station ISDN: số thuê bao có trong danh bạ điện thoại) và ít nhất một địa chỉ PDP (Packet Data Protocol: Giao thức số liệu gói). Cả IMSI và MSISDN có thể sử dụng làm khoá để truy nhập đến các thông tin được lưu khác. Để định tuyến và tính cước các cuộc gọi, HLR còn lưu giữ thông tin về SGSN và VLR nào hiện đang chịu trách nhiệm thuê bao. Các dịch vụ khác như chuyển hướng cuộc gọi, tốc độ số liệu và thư thoại cũng có trong danh sách cùng với các hạn chế dịch vụ như các hạn chế chuyển mạng. HLR và AuC là hai nút mạng logic, nhưng thường được thực hiện trong cùng một nút vật lý. HLR lưu giữ mọi thông tin về người sử dụng và đăng ký thuê bao. Như: thông tin tính cước, các dịch vụ nào được cung cấp và các dịch vụ nào bị từ chối và thông tin chuyển hướng cuộc gọi. Nhưng thông tin quan trọng nhất là hiện VLR và SGSN nào đang phụ trách người sử dụng. Trung tâm nhận thực AuC (Authentication Center) AUC lưu giữ toàn bộ số liệu cần thiết để nhận thực, mật mã hóa và bảo vệ sự toàn vẹn thông tin cho người sử dụng. Nó liên kết với HLR và được thực hiện cùng với HLR trong cùng một nút vật lý. Tuy nhiên cần đảm bảo rằng AuC chỉ cung cấp thông tin về các vectơ nhận thực (AV: Authetication Vector) cho HLR. AuC lưu giữ khóa bí mật chia sẻ K cho từng thuê bao cùng với tất cả các hàm tạo khóa từ f0 đến f5. Nó tạo ra các AV, cả trong thời gian thực khi SGSN/VLR yêu cầu hay khi tải xử lý thấp, lẫn các AV dự trữ. Bộ ghi nhận dạng thiết bị EIR (Equipment Identity Register) EIR chịu trách nhiệm lưu các số nhận dạng thiết bị di động quốc tế (IMEI: International Mobile Equipment Identity). Đây là số nhận dạng duy nhất cho thiết bị đầu cuối. Cơ sở dữ liệu này được chia thành ba danh mục: danh mục trắng, xám và đen. Danh mục trắng chứa các số IMEI được phép truy nhập mạng. Danh mục xám chứa IMEI của các đầu cuối đang bị theo dõi còn danh mục đen chứa các số IMEI của các đầu cuối bị cấm truy nhập mạng. Khi một đầu cuối được thông báo là bị mất cắp, IMEI của nó sẽ bị đặt vào danh mục đen vì thế nó bị cấm truy nhập mạng. Danh mục này cũng có thể được sử dụng để cấm các seri máy đặc biệt không được truy nhập mạng khi chúng không hoạt động theo tiêu chuẩn. Các mạng ngoài Các mạng ngoài không phải là bộ phận của hệ thống UMTS, nhưng chúng cần thiết để đảm bảo truyền thông giữa các nhà khai thác. Các mạng ngoài có thể là các mạng điện thoại như: PLMN (Public Land Mobile Network: mạng di động mặt đất công cộng), PSTN (Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng), ISDN hay các mạng số liệu như Internet. Miền PS kết nối đến các mạng số liệu còn miền CS nối đến các mạng điện thoại. Các giao diện Vai trò các các nút khác nhau của mạng chỉ được định nghĩa thông qua các giao diện khác nhau. Các giao diện này được định nghĩa chặt chẽ để các nhà sản xuất có thể kết nối các phần cứng khác nhau của họ. Giao diện Cu là giao diện chuẩn cho các card thông minh. Trong UE đây là nơi kết nối giữa USIM và UE Giao diện Uu là giao diện Uu là giao diện vô tuyến của WCDMA trong UMTS. Đây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vào phần cố định của mạng. Giao diện này nằm giữa nút B và đầu cuối. Giao diện Iu là giao diện Iu kết nối UTRAN và CN. Nó gồm hai phần, IuPS cho miền chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh. CN có thể kết nối đến nhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS. Nhưng một UTRAN chỉ có thể kết nối đến một điểm truy nhập CN. Giao diện Iub. Giao diện Iub nối nút B và RNC. Khác với GSM đây là giao diện mở. Giao diện Iur đây là giao diện RNC-RNC. Ban đầu được thiết kế để đảm bảo chuyển giao mềm giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiều tính năng mới được bổ sung. Giao diện này đảm bảo bốn tính năng nổi bật sau: Di động giữa các RNC Lưu thông kênh riêng Lưu thông kênh chung Quản lý tài nguyên toàn cục 1.4.2 Kiến trúc hệ thống UMTS R4 Sự khác nhau cơ bản của kiến trúc R3 và R4 ở chỗ mạng lõi trong R4 là mạng phân bố và chuyển mạch mềm. Thay cho việc có các MSC chuyển mạch kênh truyền thống như ở kiến trúc R3 trước đó, kiến trúc mạng phân bố và chuyển mạch mềm được đưa vào. Về căn bản, MSC được chia thành MSC server và cổng các phương tiện (MGW : Media Gateway). MSC chứa tất cả các phần mềm điều khiển cuộc gọi, quản lý di động có ở một MSC tiêu chuẩn. Tuy nhiên nó không chứa ma trận chuyển mạch. Ma trận chuyển mạch nằm trong MGW được MSC server điều khiển và có thể đặt xa MSC Server. Hình 1. 8: Kiến trúc mạng phân bố của phát hành 3GPP R4 Kiến trúc R4 của mạng UMTS được truyền tải hoàn toàn bằng IP.Cả số liệu và tiếng đều sử dụng truyền tải bằng IP trong mạng lõi. Từ hình 1.8 ta có thể thấy lưu lượng số liệu gói từ RNC đi qua SGSN và đến GGSN trên mạng đường trục IP. Còn các cuộc gọi cần được chuyển đến các mạng khác, như trên hình là PSTN sẽ đi từ RNC đi qua một MGW được điều khiển bởi MSC Server đến một MGW cổng được điều khiển bởi GMSC Server. MGW này sẽ chuyển tiếng thoại thành luồng PCM (64 Kbps) tiêu chuẩn để đưa đến PSTN. Truyền theo phương pháp này sẽ có thể tiết kiệm được đáng kể độ rộng băng tần khi các MGW ở cách xa nhau. Sử dụng kiến trúc mạng phân bố R4 và chuyển mạch mềm có thể giảm đáng kể yêu cầu truyền dẫn và giá thành khai thác của mạng. Để thấy rõ được điều này ta xét một cuộc gọi nội hạt tại một thành phố A, được điều khiển bởi một MSC đặt tại thành phố B. Nếu như không có kiến trúc phân bố như ở R3 thì cuộc gọi cần chuyển từ thành phố A đến thành phố B để đấu nối với thuê bao PSTN đặt tại chính thành phố A. Nhưng với cấu trúc phân bố, cuộc gọi có thể được diều khiển tại MSC Server ở thành phố B nhưng đường truyền các phương tiện thực tế có thể vẫn ở thành phố A. Server thuê bao tại nhà (HSS : Home Subscriber Server) và HLR có chức năng tương đương và gần giống nhau, ngoại trừ giao diện với HSS là giao diện trên cơ sở truyền tải gói (IP chẳng hạn) trong khi HLR sử dụng giao diện trên cơ sở báo hiệu số 7. Các giao thức và giao diện sử dụng trong kiến trúc R4 Giao thức truyền tải thời gian thực (RTP: Real Time Transport Protocol) trên giao thức Internet (IP) sử dụng để nối MGW và MGW cổng khi truyền thoại. Nhóm giao thức GTP/IP (GPRS Tunelling Protocol) được sử dụng để truyền tải gói tin, kết nối SGSN và GGSN Giao thức để điều khiển cuộc gọi giữa MSC Server và MGW hoặc GMSC Server và MGW có thể là một giao thức điều khiển cuộc gọi bất kì, ở hình vẽ này là giao thức ITU H248. Mạng có thể giao diện được với các mạng truyền thống thông qua việc sử dụng cổng các phương tiện MGW. Ngoài ra mạng cũng phải giao diện với các mạng SS7 tiêu chuẩn. Giao diện này được thực hiện thông qua cổng SS7 (SS7 GW). Đây là cổng mà ở một phía nó hỗ trợ truyền tải bản tin SS7 trên đường truyền tải SS7 tiêu chuẩn, ở phía kia nó truyền tải các bản tin ứng dụng SS7 trên mạng gói (IP chẳng hạn). Các thực thể như MSC Server, GMSC Server và HSS liên lạc với cổng SS7 bằng cách sử dụng các giao thức truyền tải được thiết kế đặc biệt để mang các bản tin SS7 ở mạng IP. Bộ giao thức này được gọi là Sigtran. 1.4.3 Kiến trúc hệ thống UMTS R5 Kiến trúc R5 và R6 là bước phát triển tiếp theo của UMTS, đây là kiến trúc mạng đa phương tiện IP. Bước phát triển này thể hiện sự thay đổi toàn bộ mô hình cuộc gọi. Ở đây cả tiếng và số liệu được xử lý giống nhau trên toàn bộ đường truyền từ đầu cuối của người sử dụng đến nơi nhận cuối cùng. Kiến trúc này là sự hội tụ toàn diện của tiếng và số liệu. Điểm mới của R5 và R6 là nó đưa ra một miền mới được gọi là phân hệ đa phương tiện IP (IMS: IP Multimedia Subsystem). Đây là một miền mạng IP được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện thời gian thực IP. Từ hình 1.5 ta thấy tiếng và số liệu không cần các giao diện cách biệt; chỉ có một giao diện Iu duy nhất mang tất cả phương tiện. Trong mạng lõi giao diện này kết cuối tại SGSN và không có MGW riêng. Hình 1. 9: Kiến trúc mạng UMTS R5 Phân hệ đa phương tiện IP chứa các phần tử: Chức năng điều khiển trạng thái kết nối (CSCF: Connection State Control Function) quản lý việc thiết lập, duy trì giải phóng các phiên đa phương tiện đến và từ người sử dụng. Nó bao gồm các chức năng như: Phiên dịch và định tuyến. CSCF hoạt động giống như một đại diện Server/ hộ tịch viên.. Chức năng tài nguyên đa phương tiện (MRF: Multimedia Resource Function) là chức năng lập cầu hội nghị được sử dụng để hỗ trợ các tính năng như tổ chức cuộc gọi nhiều phía và dịch vụ hội nghị Chức năng điều khiển cổng các phương tiện (MGCF: Media Gateway Control Function) điều khiển MGW. MGW giữ nguyên chức năng giống như ở kiến trúc R4. Giao thức điều khiển giữa MGCF và MGW là ITU-T H248. MGCF cũng liên lạc với CSCF, giao thức được chọn cho giao diện này là SIP. Cổng báo hiệu truyền tải (T-SGW: Transport Signalling Gateway) là một cổng báo hiệu SS7 để đảm bảo tương tác SS7 với các mạng tiêu chuẩn ngoài như PSTN. T-SGW hỗ trợ các giao thức Sigtran. Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW: Roaming Signalling Gateway) là một nút đảm bảo tương tác báo hiệu với các mạng di động hiện có sử dụng mạng SS7 tiêu chuẩn. Nhiều trường hợp R-SGW và T-SGW cùng tồn tại trên một nền tảng. Kiến trúc toàn IP có sự phát triển quan trọng là thiết bị của người sử dụng được tăng cường rất nhiều. Nhiều phần mềm được cài đặt ở UE. Trong thực tế, UE hỗ trợ giao thức khởi đầu phiên (SIP: Session Initiation Protocol). UE trở thành một tác nhân của người sử dụng SIP. Nên UE có khả năng điều khiển các dịch vụ lớn hơn trước rất nhiều. 1.5 Các loại kênh trong WCDMA Trong WCDMA có ba loại kênh là : Kênh vật lý (PhCH), kênh truyền tải (TrCH) và kênh logic (LoCH). 1.5.1 Các kênh logic LoCH Các kênh logic (LoCH: Logical Channel) được chia thành hai nhóm: các kênh điều khiển (CCH: Control Channel) để truyền thông tin điều khiển và các kênh lưu lượng (TCH: Traffic Channel) để truyền thông tin của người sử dụng. Các kênh logic và ứng dụng của chúng được tổng kết trong bảng 1.3 Bảng 1. 3: Danh sách kênh logic và ứng dụng của chúng Nhóm kênh Kênh logic Ứng dụng CCH (Control Channel:Kênh điều khiển) BCCH (Broadcast Control Channel: Kênh điều khiển quảng bá) Kênh đường xuống để phát quảng bá thông tin hệ thống PCCH (Paging Control Channel: Kênh điều khiển tìm gọi) Kênh đường xuống để phát quảng bá thông tin tìm gọi CCCH (Common Control Channel: Kênh điều khiển chung) Kênh hai chiều để phát thông tin điều khiển giữa mạng và các UE. Được sử dụng khi không có kết nối RRC hoặc khi truy nhập một ô mới DCCH (Dedicated Control Channel: Kênh điều khiển riêng). Kênh hai chiều điểm đến điểm để phát thông tin điều khiển riêng giữa UE và mạng. Được thiết lập bởi thiết lập kết nối của RRC TCH (Traffic Channel: Kênh lưu lượng) DTCH (Dedicated Traffic Channel: Kênh lưu lượng riêng) Kênh hai chiều điểm đến điểm riêng cho một UE để truyền thông tin của người sử dụng. DTCH có thể tồn tại cả ở đường lên lẫn đường xuống CTCH (Common Traffic Channel: Kênh lưu lượng chung) Kênh một chiều điểm đa điểm để truyền thông tin của một người sử dụng cho tất cả hay một nhóm người sử dụng quy định hoặc chỉ cho một người sử dụng. Kênh này chỉ có ở đường xuống. 1.5.2 Các kênh truyền tải TrCH Các kênh lôgic được lớp MAC chuyển đổi thành các kênh truyền tải. Tồn tại hai kiểu kênh truyền tải: Các kênh truyền tải riêng : Là tài nguyên nguyên vô tuyến được ấn định riêng cho một người sử dụng duy nhất. Kênh truyền tải riêng chỉ có một kênh duy nhất là DCH (Dedicated Channel: Kênh riêng) Các kênh truyền tải chung : Là tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc một nhóm những người sử dụng trong cùng một ô. Kênh truyền tải chung bao gồm kênh BCH (Broadcast channel: Kênh quảng bá), FACH (Fast Access Channel: Kênh truy nhập nhanh), PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi), DSCH (Down Link Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống) và kênh CPCH (Common Packet Channel: Kênh gói chung). Khi kênh truyền tải chung được sử dụng để phát thông tin cho tất cả các ngừơi sử dụng thì kênh này không cần có địa chỉ Bảng 1. 4: Danh sach các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng Kênh truyền tải ứng dụng DCH (Dedicated Channel: Kênh riêng) Kênh hai chiều được sử dụng để phát số liệu của người sử dụng. Được ấn định riêng cho người sử dụng. Có khả năng thay đổi tốc độ và điều khiển công suất nhanh BCH (Broadcast Channel: Kênh quảng bá) Kênh chung đường xuống để phát thông tin quảng bá (chẳng hạn thông tin hệ thống, thông tin ô) FACH (Forward Access Channel: Kênh truy nhập đường xuống) Kênh chung đường xuống để phát thông tin điều khiển và số liệu của người sử dụng. Kênh chia sẻ chung cho nhiều UE. Được sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp cho lớp cao hơn PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi) Kênh chung dường xuống để phát các tín hiệu tìm gọi RACH (Random Access Channel) Kênh chung đường lên để phát thông tin điều khiển và số liệu người sử dụng. áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng để truyền số liệu thấp của người sử dụng CPCH (Common Packet Channel: Kênh gói chung) Kênh chung đường lên để phát số liệu người sử dụng. áp dụng trong truy nhập ngẫu nhiên và được sử dụng trước hết để truyền số liệu cụm. DSCH (Dowlink Shared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống) Kênh chung đường xuống để phát số liệu gói. Chia sẻ cho nhiều UE. Sử dụng trước hết cho truyền dẫn số liệu tốc độ cao. Các kênh logic được chuyển thành các kênh truyền tải theo sơ đồ ở hình 1.10 Hình 1. 10: Sự chuyển đổi các kênh logic thành các kênh truyền tải 1.5.3 Các kênh vật lý PhCH Các kênh vật lý thuộc 2 nhóm là các kênh vật lý riêng (DPCH: Dedicated Physical channel) và kênh vật lý chung (CPCH: Common Physical Channel). Hình 1. 11: Tổng kết kiểu các kênh vật lý Bảng 1. 5: Tổng kết các kênh vật lý và ứng dụng của chúng Tên kênh Ứng dụng DPCH (Dedicated Physical Channel: Kênh vật lý riêng) Kênh hai chiều đường xuống/đường lên được ấn định riêng cho UE. Gồm DPDCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng) và DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng). Trên đường xuống DPDCH và DPCCH được ghép theo thời gian với ngẫu nhiên hóa phức còn trên đường lên được ghép mã I/Q với ngẫu nhiên hóa phức DPDCH (Dedicated Physical Data Channel: Kênh vật lý số liệu riêng Khi sử dụng DPCH, mỗi UE được ấn định ít nhất một DPDCH. Kênh được sử dụng để phát số liệu người sử dụng từ lớp cao hơn DPCCH (Dedicated Physical Control Channel: Kênh vật lý điều khiển riêng) Khi sử dụng DPCH, mỗi UE chỉ được ấn định một DPCCH. Kênh được sử dụng để điều khiển lớp vật lý của DPCH. DPCCH là kênh đi kèm với DPDCH chứa: các ký hiệu hoa tiêu, các ký hiệu điều khiển công suất (TPC: Transmission Power Control), chỉ thị kết hợp khuôn dạng truyền tải. Các ký hiệu hoa tiêu cho phép máy thu đánh giá hưởng ứng xung kim của kênh vô tuyến và thực hiện tách sóng nhất quán. Các ký hiệu này cũng cần cho hoạt động của anten thích ứng (hay anten thông minh) có búp sóng hẹp. TPC để điều khiển công suất vòng kín nhanh cho cả đường lên và đường xuống. TFCI thông tin cho máy thu về các thông số tức thời của các kênh truyền tải: các tốc độ số liệu hiện thời trên các kênh số liệu khi nhiều dịch vụ được sử dụng đồng thời. Ngoài ra TFCI có thể bị bỏ qua nếu tốc độ số liệu cố định. Kênh cũng chứa thông tin hồi tiếp hồi tiếp (FBI: Feeback Information) ở đường lên để đảm bảo vòng hồi tiếp cho phân tập phát và phân tập chọn lựa. PRACH (Physical Random Access Channel: Kênh vật lý truy nhập ngẫu nhiên) Kênh chung đường lên. Được sử dụng để mang kênh truyền tải RACH PCPCH (Physical Common Packet Channel: Kênh vật lý gói chung) Kênh chung đường lên. Được sử dụng để mang kênh truyền tải CPCH CPICH (Common Pilot Channel: Kênh hoa tiêu chung) Kênh chung đường xuống. Có hai kiểu kênh CPICH: P-CPICH (Primary CPICH: CPICH sơ cấp) và S-CPICH (Secondary CPICH: CPICH thứ cấp). P-CPICH đảm bảo tham chuẩn nhất quán cho toàn bộ ô để UE thu được SCH, P-CCPCH, AICH và PICH vì các kênh nay không có hoa tiêu riêng như ở các trường hợp kênh DPCH. Kênh S-CPICH đảm bảo tham khảo nhất quán chung trong một phần ô hoặc đoạn ô cho trường hợp sử dụng anten thông minh có búp sóng hẹp. Chẳng hạn có thể sử dụng S-CPICH làm tham chuẩn cho S-CCPCH (kênh mang các bản tin tìm gọi) và các kênh DPCH đường xuống. P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel: Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp) Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có một kênh để truyền BCH S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel: Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp) Kênh chung đường xuống. Một ô có thể có một hay nhiều S-CCPCH. Được sử dụng để truyền PCH và FACH SCH (Synchrronization Channel: Kênh đồng bộ) Kênh chung đường xuống. Có hai kiểu kênh SCH: SCH sơ cấp và SCH thứ cấp. Mỗi ô chỉ có một SCH sơ cấp và thứ cấp. Được sử dụng để tìm ô PDSCH (Physical Downlink Shared Channel: Kênh vật lý chia sẻ đường xuống) Kênh chung đường xuống. Mỗi ô có nhiều PDSCH (hoặc không có). Được sử dụng để mang kênh truyền tải DSCH AICH (Acquisition Indication Channel: Kênh chỉ thị bắt) Kênh chung đường xuống đi cặp với PRACH. Được sử dụng để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên của PRACH. PICH (Page Indication Channel: Kênh chỉ thị tìm gọi) Kênh chung đường xuống đi cặp với S-CCPCH (khi kênh này mang PCH) để phát thông tin kết cuối cuộc gọi cho từng nhóm cuộc gọi kết cuối. Khi nhận được thông báo này, UE thuộc nhóm kết cuối cuộc gọi thứ n sẽ thu khung vô tuyến trên S-CCPCH AP-AICH (Access Preamble Acquisition Indicator Channel: Kênh chỉ thị bắt tiền tố truy nhập) Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH để điều khiển truy nhập ngẫu nhiên cho PCPCH CD/CA-ICH (CPCH Collision Detection/ Channel Assignment Indicator Channel: Kênh chỉ thị phát hiện va chạm CPCH/ấn định kênh) Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH. Được sử dụng để điều khiển va chạm PCPCH CSICH (CPCH Status Indicator Channel: Kênh chỉ thị trạng thái CPCH) Kênh chung đường xuống liên kết với AP-AICH để phát thông tin về trạng thái kết nối của PCPCH Hình 1. 12: Sự chuyển đổi từ kênh truyền tải sang kênh vật lý 1.5.4 Cấu trúc kênh vật lý riêng Hình 1.13 thể hiện cấu trúc kênh vật lý riêng cho đường lên và đường xuống. Từ hình vẽ ta thấy, cấu trúc khung bao gồm một chuỗi các khung vô tuyến, mỗi khung bao gồm 15 khe (dài 10 ms, chứa 38400 chip) và mỗi khe chứa 2560 chip (dài 0,667 ms) bằng một chu kỳ điều khiển công suất (tần số điều khiển công suất là 1500 lần trong một giây). Ở cấu trúc kênh vật lý đường lên cho một khe (một chu kỳ điều khiển công suất). Thông tin về số liệu người sử dụng và báo hiệu được tạo ra ở các lớp cao (từ lớp 2 trở lên) được mang bởi DPDCH đường lên và thông tin điều khiển tạo ra bởi lớp 1 (lớp vật lý) được mang bởi DPCCH. DPCCH bao gồm các ký hiệu hoa tiêu quy định trước (được sử dụng để ước tính kênh và tách sóng nhất quán), các lệnh điều khiển công suất (TPC: Transmit Power Control), thông tin phản hồi (FBI: Feedback Information) cho phân tập phát vòng kín và kỹ thuật phân tập chọn trạm (SSDT: Site Selection Diversity Technique), TFCI (tùy chọn). Có thể không có, một hay một số (nhiều nhất là 6) kênh DPDCH trên một liên kết vô tuyến, nhưng chỉ có một DPCCH cho liên kết này. DPDCH (hoặc các DPDCH) và DPCCH được ghép chung theo mã I/Q với ngẫu nhiên hóa phức. Ở cấu trúc đường kênh vật lý đường xuống thì kênh DPDCH đường xuống và DPCCH đường xuống ghép theo thời gian với ngẫu nhiên hóa phức. Số liệu riêng được tạo ra tại các mức cao hơn trên DPDCH được ghép theo thời gian với các bit hoa tiêu, các lệnh TPC và các bit TFCI (tùy chọn) được tạo ra tại lớp vật lý. Hình 1. 13: Cấu trúc kênh vật lý riêng cho đường lên và đường xuống 1.6 Kết luận chương Sau khi kết thúc Chương 1 thì các vấn đề được đặt ra ở đầu chương đã được giải quyết. Nguồn gốc của hệ thống UMTS đã được làm rõ, hệ thống UMTS được đề xuất bởi tổ chức ETSI của Châu Âu và ARIB của Nhật và được IMT-2000 định chuẩn. Các vấn đề cơ bản về hệ thống UMTS cũng được trình bầy một cách rõ ràng. Như vấn đề về trải phổ đa truy nhập phân chia theo mã, giao diện vô tuyến, các loại kênh,quy hoạch tần số, các loại lưu lượng và dịch vụ QoS. Và quan trọng nhất là các kiến trúc R3,R4,R5 của hệ thống UMTS, qua đó ta thấy được sự phát triển và tiến bộ của mạng UMTS từ việc sử dụng cả hai miền chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói trong R3. Ở R4 miền chuyển mạch kênh trở thành chuyển mạch mềm và kết nối giữa các nút mạng hoàn toàn bằng IP. Đến R5 thì hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện IP hoàn toàn dựa trên chuyển mạch gói. Chương 2: CÁC KỸ THUẬT QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG UMTS 2.1 Giới thiệu chương Mục đích của chương 2 là hiểu được mục đích của việc quản lý tài nguyên vô tuyến và tìm hiểu khái quát về các kỹ thuật quản lý tài nguyên với hai kỹ thuật chính là điều khiển chuyển giao và điều khiển công suất. 2.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM : Radio Resource Management) chịu trách nhiệm về việc quản lý các tài nguyên của giao diện vô tuyến một cách hiệu quả, để có thể đảm bảo được những yêu cầu về chất lượng của dịch vụ, duy trì vùng phủ sóng đã được quy hoạch và cung cấp các dịch vụ chất lượng cao. Các kỹ thuật RRM : Điều khiển chuyển giao ( Handover control). Điều khiển công suất ( Power control). Điều khiển cho phép ( Admission control). Điều khiển tải ( Load control). Các chức năng lập biểu gói ( Packet scheduling functionalities) Điều khiển công suất được sử dụng để duy trì mức nhiễu tối thiểu trên giao diện vô tuyến và đảm bảo các yêu cầu về chất lượng của dịch vụ. Điều khiển chuyển giao thì được sử dụng để xử lý tính di động của thiết bị sử dụng ( UE : User equipment) khi nó chuyển động từ vùng phủ sóng của ô này sang vùng phủ sóng của ô khác. Các kỹ thuật điều khiển cho phép, điều khiển tải và chức năng lập biểu gói được sử dụng thêm để có thể đảm bảo được những yêu cầu về chất lượng dịch vụ đã đề ra và để đạt được thông lượng cực đại với các tốc độ bít khác nhau, các dịch vụ khác nhau và các yêu cầu chất lượng khác nhau Các vị trí điển hình của các thuật toán RRM ở một mạng UMTS được thể hiện ở hình 2.1 Hình 2. 1:Vị trí điển hình của các thuật toán quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) 2.3 Điều khiển công suất Hệ thống thông tin di động đa năng UMTS là một hệ thống chịu ảnh hưởng nhiều của nhiễu do việc sử dụng chung một tần số cho tất cả các thuê bao và ảnh hưởng của hiệu ứng gần xa. Do đó vấn đề điều khiển công suất trong hệ thống UMTS là hết sức quan trọng nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu lên dung lượng của hệ thống (duy trì tỉ số tín hiệu trên nhiễu SIR ở mức cho phép) để chống lại hiệu ứng gần xa đồng thời kéo dài tuổi thọ của pin. Hình 2. 2: Điều khiển cống suất trong UMTS 2.3.1 Phân loại điều khiển công suất Tồn tại hai kiểu điều khiển công suất: Điều khiển công suất vòng hở : Cho các kênh chung. Điều khiển công suất vòng kín: Cho các kênh riêng DPDCD/DPCCH và chia sẻ DSCH. Điều khiển công suất vòng hở thường được UE (trước khi truy nhập mạng) và nút B (trong quá trình thiết lập đường truyền vô tuyến) sử dụng để ước lượng công suất cần phát trên đường lên dựa trên các tính toán tổn hao đường truyền ở đường xuống và tỷ số tín hiệu trên nhiễu yêu cầu. Điều khiển công suất vòng kín có nhiệm vụ giảm nhiễu trong hệ thống bằng cách duy trì chất lượng thông tin giữa UE và UTRAN ( đường truyền vô tuyến) gần nhất với mức chất lượng tối thiểu yêu cầu đối với kiểu dịch vụ mà người sử dụng đòi hỏi. Điều khiển công suất vòng kín được chia thành đường lên và đường xuống, với mỗi đường lại được chia tương ứng thành 2 loại: Điều khiển công suất nhanh vòng trong tốc độ 1500 Hz. Điều khiển công suất chậm vòng ngoài tốc độ 10 – 100 Hz. 2.3.2 Kỹ thuật điều khiển công suất vòng hở Điều khiển công suất vòng hở thường được UE (trước khi truy nhập mạng) và nút B (trong quá trình thiết lập đường truyền vô tuyến) sử dụng để ước lượng công suất cần phát trên đường lên dựa trên các tính toán tổn hao đường truyền ở đường xuống và tỷ số tín hiệu trên nhiễu yêu cầu. Trong hệ thống CDMA trước đây người ta sử dụng phương pháp này kết hợp với điều khiển công suất vòng kín, còn ở hệ thống UMTS phương pháp điều khiển công suất này chỉ được sử dụng để thiết lập công suất gần đúng khi truy nhập mạng lần đầu. Điều khiển công suất vòng hở được chia làm 2 đường là lên và xuống. Điều khiển công suất vòng hở đường lên cho PRACH Chức năng điều khiển công suất (PC: Power Control) được thực hiện cả ở đầu cuối và UTRAN. Chức năng này đòi hỏi một số thông số điều khiển được phát quảng bá trong ô và công suât mã tín hiệu thu được (RSPC: Received Signal Code Power) được đo tại UE trên P-CPICH tích cực. Dựa trên tính toán của điều khiển công suất vòng hở UE thiết lập các công suất ban đầu cho tiền tố kênh truy nhập vật lý PRACH. Trong thủ tục truy nhập ngẫu nhiên, UE thiết lập công suất phát tiền tố đầu tiên như sau: Preamble_Initial_power = CPICH_Tx_power – CPICH _RSCP + UL_interference + UL_required_CI (2.1) Trong đó: CPICH_Tx-power là công suất phát của P-CPICH. CPICH _RSCP là công suất P-CPICH thu được tại UE. CPICH_Tx_power – CPICH _RSCP là ước tính suy hao đường truyền từ nút B đến UE. UL_interferrence (được gọi là ‘tổng công suất thu băng rộng’) được đo tại nút B và được phát quảng bá trên BCH. UL_required_CI là hằng số tương ứng với tỷ số tín hiệu trên nhiễu được thiết lập trong quá trình quy hoạch mạng vô tuyến. Khi tính toán DPCCH lần đầu thì UE bắt đầu điều khiển công suất vòng ngoài tại công suất : DPCCH_Initial_Power = DPCCH_Power _Offset – CPICH_RSCP (2.2) Trong đó: CPICH_RSCP là công suất mã tín hiệu của P_CPICH đo tại UE. DPCCH_Power _Offset là dịch công suất được tính toán bởi bộ điều khiển cho phép AC ở RNC và được cung cấp đến UE trong suốt quá trình vật mang vô tuyến hay khi cấu hình lại kênh vật lý. DPCCH_Power_Offset = CPICH_Tx_Power + UL_interference + SIRDPCCH - 10×log10(SFDPDCH) (2.3) SIRDPCCH là SIR đích được khởi đầu bởi bộ điều khiển cho phép AC ở RNC cho kết nối đặc biệt. SFDPDCH là hệ số trải phổ đối với DPDCH tương ứng. Kỹ thuật điều khiển công suât vòng hở đường xuống Điều khiển công suất vòng hở được sử dụng để thiết lập công suất khởi đầu của các kênh cơ sở đường xuống trên cơ sở báo cáo được đo từ UE. Chức năng này được thực hiện cả ở UTRAN và UE. Giải thuật để tính toán giá trị công suất khởi đầu DPCCH khi dịch vụ mạng đầu tiên được thiết lập: PTxInitial = - (2.4) Trong đó: R là tốc độ bít của người sử dụng. (Eb/No)DL là giá trị được quy hoạch của đường xuống trong quá trình quy hoạch mạng vô tuyến. W là tốc độ chip. (Eb/No)CPICH là được báo cáo từ UE. α là hệ số trực giao đường xuống. PtxTotal là công suất sóng mang tại Node B được báo cáo cho RNC 2.3.2 Kỹ thuật điều khiển công suất vòng kín đường lên Sơ đồ về nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường lên được thể hiện trên hình 2.3 Hình 2. 3: Nguyên lý hoạt động của phương pháp điều khiển công suất vòng kín đường lên Phương pháp điều khiển công suất vòng trong đường lên Nút B thường xuyên ước tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR= Signal to Interference Ratio) thu được trên hoa tiêu đường lên trong UL DPCCH và so sánh nó với tỷ số SIR đích (SIRđích). Nếu SIRướctính cao hơn SIRđích thì nút B thiết lập bit điều khiển công suất trong DPCCH TPC = 0 để lệnh UE hạ thấp công suất phát (Tùy vào thiết lập cấu hình: chẳng hạn là 1dB) , trái lại nó thiết lập bit điều khiển công suất trong DPCCH TPC = 1 để ra lệnh UE tăng công suất phát (chẳng hạn là 1dB). Chu kỳ đo-lệnh-phản ứng này được thực hiện 1500 lần trong một giây (1,5 KHz) ở W-CDMA. Tốc độ này sẽ cao hơn mọi sự thay đổi tổn hao đường truyền và thậm chí có thể nhanh hơn phađinh nhanh khi MS chuyển động tốc độ thấp. Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên thực hiện điều chỉnh giá trị SIRđích ở nút B cho phù hợp với yêu cầu của từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng các đường truyền vô tuyến là như nhau. Chất lượng của các đường truyền vô tuyến thường được đánh giá bằng tỷ số bit lỗi (BER: Bit Error Rate) hay tỷ số khung lỗi (FER= Frame Error Rate). Chẳng hạn SIR yêu cầu chất lượng của các đường truyền vô tuyến là FER=1%. Phụ thuộc vào tốc độ của MS và đặc điểm truyền nhiều đường nếu ta đặt SIRđích đích cho trường hợp xấu nhất (cho tốc cao độ nhất) thì sẽ lãng phí dung lượng cho các kết nối ở tốc độ thấp. Như vậy tốt nhất là để SIRđích thả nổi xung quanh giá trị tối thiểu để vẫn có thể đáp ứng được yêu cầu chất lượng mà lại có thể không lãng phí dung lượng. Để thực hiện điều khiển công suất vòng ngoài, mỗi khung số liệu của người sử dụng được gắn chỉ thị chất lượng khung là CRC (Cyclic Redundance Check : kiểm tra độ dư vòng). Nếu kiểm tra CRC cho thấy BLERướctính> BLERđích thì SIRđích sẽ bị giảm đi một nấc bằng DSIR, trái lại nó sẽ được tăng lên một nấc bằng DSIR. Lý do đặt điều khiển vòng ngoài ở RNC vì chức năng này thực hiện sau khi thực hiện kết hợp các tín hiệu ở chuyển giao mềm. 2.3.3 Điều khiển công suất vòng kín đường xuống Điều khiển công suất nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu lên dung lượng của hệ thống (duy trì tỉ số tín hiệu trên nhiễu SIR ở mức cho phép) để chống lại hiệu ứng gần xa. Đối với điều khiển công suất đường xuống thì không cần điều khiển ở đơn vị cell vì trong một cell thì UE chỉ nhận tín hiệu từ một Node B duy nhất nên trong điều khiển công suất đường xuống được sử dụng để giảm nhiễu từ nhiều cell khác nhau. Sơ đồ về nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường lên được thể hiện trên hình 2.4 Hình 2. 4: Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín đường xuống Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống UE nhận được BLER đích từ lớp cao hơn do RNC thiết lập cùng với các thông số điều khiển khác. Dựa trên BLER đích nhận được từ RNC nó thực hiện điều khiển công suất vòng ngoài bằng cách tính toán SIR đích cho điều khiển công suất vòng trong. Nếu BLER ước tính lớn hơn BLER đích thì SIR đích sẽ được giảm đi một lượng ∆SIR, ngược lại khi BLER ước tính < BLER đích thì SIR đích sẽ được tăng lên một lượng ∆SIR. Điều khiển công suất vòng trong đường xuống UE ước tính SIR đường xuống từ các ký hiệu hoa tiêu của DL DPCCH. SIR ước tính này được so sánh với SIR đích. Nếu SIR ước tính này lớn hơn SIR đích, thì UE thiết lập TPC = 0 trong UL DPCCH và gửi nó đến Node B, trái lại UE thiết lập TPC = 1. Tốc độ điều khiển công suất vòng trong là 1500Hz 2.4 Điều khiển chuyển giao 2.4.1 Giới thiệu về chuyển giao Chuyển giao là một khái niệm cơ bản về sự di chuyển của UE trong cấu trúc cell của mạng. Nguyên nhân của việc khởi đầu một tiến trình chuyển giao là do chất lượng đường truyền, sự thay đổi dịch vụ, sự thay đổi tốc độ, do lưu lượng hoặc do sử điều hành và bảo dưỡng. Mục đích của chuyển giao là đảm bảo sự liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi UE di chuyển qua ranh giới các cell của mạng tế bào, giữ vững và đảm bảo yêu cầu về chất lượng, hạn chế tối đa nhiễu giao thoa của toàn hệ thống bằng cách kết nối di động đến một hoặc các node B mạnh nhất. Ngoài ra còn đảm bảo liên lạc di động ( roaming) giữa các mạng khác nhau và phân bố tải tại các vùng điểm nóng. 2.4.2 Các kiểu chuyển giao trong hệ thống UMTS Có bốn dạng chuyển giao trong hệ thống UMTS : Trong đó có ba kiểu chuyển giao mềm và chuyển giao cứng Chuyển giao cứng (Hard Handoff) Chuyển giao mềm (Soft Handoff) Chuyển giao mềm hơn (Softer Handoff) Chuyển giao mềm-mềm hơn (Soft-Sofrer Handoff) Chuyển giao mềm Chuyển giao mềm là chuyển giao trong đó thiết bị người sử dụng UE bắt đầu thông tin với một Node B mới mà vẫn chưa cắt kết nối với Node B cũ, UE phát và thu tín hiệu đồng thời đến hai node B. Ở đường lên thông tin phát đi từ UE được các node B thu lại rồi chuyển đến RNC để được kết hợp chung. Hình 2. 5: Chuyển giao mềm hai đường Chuyển giao mềm chỉ có thể thực hiện được khi cả node B cũ lẫn node B mới đều làm việc ở cùng một tần số. UE thông tin với 2 sector của 2 cell khác nhau (chuyển giao 2 đường) hoặc với 3 sector của 3 cell khác nhau (chuyển giao 3 đường) Hình 2. 6: Chuyển giao mềm 3 đường Node B điều khiển trực tiếp quá trình xử lý cuộc gọi trong quá trình chuyển giao gọi là node B sở cấp. Node B sơ cấp có thể khởi đầu bản tin điều khiển đường xuống. Các node B khác không điều khiển quá trình cuộc gọi được gọi là các node B thứ cấp. Chuyển giao mềm kết thúc khi node B sơ cấp hoặc node B thứ cấp bị loại bỏ. Nếu node B sở cấp bị loại, thì node B thứ cấp trở thành node B sở cấp cho cuộc gọi này. Chuyển giao ba đường có thể kết thúc bằng cách loại bỏ một trong số các nút B và chuyển thành chuyển giao 2 đường Chuyển giao mềm hơn Chuyển giao mềm hơn xảy ra giữa hai hay nhiều sector thuộc cùng một node B. Thiết bị người sử dụng UE thông tin với 2 sector. Hình 2. 7: Chuyển giao mềm hơn Trong chuyển giao mềm hơn UE ở vùng chồng lấn giữa 2 hay nhiều sector của cùng một node B. Thông tin giữa UE và node B xảy ra đồng thời trên hai kênh của giao diện vô tuyến. Vì thế cần sử dụng hai mã khác nhau ở đường xuống để UE có thể phân biệt được tín hiệu. Dữ liệu bị chia nhỏ tại node B và được định tuyến tới các anten khác nhau. Máy thu của UE nhận tín hiệu bằng phương pháp xử lý RAKE. Ở đường lên cũng xảy ra quá trình tương tự, node B thu được kênh mã của UE ở từng sector sau đó chuyển chúng đến cùng máy thu RAKE và kết hợp chúng để được tín hiệu tốt nhất. Chuyển giao mềm – mềm hơn UE thông tin với hai sector cùng thuộc node B thứ nhất và một sector của node B thứ hai. Các tài nguyên mạng cần cho kiểu chuyển giao này gồm tài nguyên cho chuyển giao mềm hai đường giữa node B thứ nhất và node B thứ hai cộng với tài nguyên cho chuyển giao mềm hơn tại node B thứ hai Hình 2. 8: Chuyển giao mềm – mềm hơn Chuyển giao cứng Chuyển giao cứng có thể xảy ra trong một số trường hợp như: chuyển giao từ một cell này sang cell khác khi hai cell có các tần số sóng mang khác nhau hoặc từ một cell này sang cell khác khi các cell này được nối đến hai RNC khác nhau và không tồn tại giao diện Iur giữa hai RNC này. Chuyển giao cứng cùng tần số: Chuyển giao cứng cùng tần số có thể thực hiện khi giao diện Iur không còn hiệu lực. Trường hợp chuyển giao này có thể phát sinh nếu chuyển giao gồm hai RNC được cung cấp bởi các hãng sản suất khác nhau. Trong chuyển giao cứng cùng tần số, UE truyền trong phạm vi dải tần số bằng nhau, nhưng kết nối cũ kết thúc trước khi kết nối mới có thể được thiết lập, do đó gây ngắt quãng kết nối trong khoảng thời gian ngắn. Chuyển giao cứng khác tần số Đây là kiểu chuyển giao giống chuyển giao GSM, giữa hai tần số WCDMA f1 và f2. Ở trường hợp chuyển giao này, kết nối qua cell cũ (cell A) bị xóa và kết nối đến mạng vô tuyến vẫn được duy trì qua cell mới (cell B). Chuyển giao khác tần số cũng có thể thực hiện giữa hai tần số trong giới hạn của cùng một cell. Trong chuyển giao khác tần số cần thiết đo cường độ tín hiệu và chất lượng ở các tần số khác trong khi vẫn có các kết nối với tần số hiện tại Hình 2. 9: Chuyển giao cùng tần số Hình 2. 10: Chuyển giao khác tần số 2.5 Điều khiển cho phép Nếu tải của giao diện vô tuyến được cho phép kết nối quá lớn thì vùng phủ sóng của ô sẽ bị giảm đến thấp hơn các giá trị đã được quy hoạch ban đầu và chất lượng dịch vụ của các kết nối hiện có có thể không được đảm bảo. Nên phải thực hiện quá trình điều khiển cho phép. Trước khi cho phép một kết nối mới, điều khiển cho phép phải kiểm tra để kết nối cho phép sẽ không làm thiệt hại diện tích vùng phủ đã quy hoạch của các kết nối hiện có. Điều khiển cho phép đồng ý hoặc từ chối yêu cầu thiết lập một vật mang truy nhập vô tuyến ở mạng truy nhập vô tuyến. Thuật toán điều khiển cho phép được thực hiện khi thiết lập hoặc thay đổi một vật mang. Chức năng của điều khiển cho phép được đặt ở RNC nơi có thể nhận được thông tin về tải từ nhiều ô. Thuật toán điều khiển cho phép đánh giá sự tăng tải gây ra ở một mạng vô tuyến khi xảy ra sự thiết lập vật mang. Đánh giá cần được thực hiện riêng biệt cho đường xuống và đường lên. Yêu cầu vật mang chỉ được tiếp nhận khi cả điều khiển cho phép đường xuống và đường lên tiếp nhận, trái lại nó sẽ bị từ chối về nếu không sẽ xảy ra nhiễu quá lớn trong mạng. Các giới hạn của điều khiển cho phép được thiết lập bởi quá trình quy hoạch mạng. 2.6 Điều khiển tải (điều khiển ứ nghẽn) Một nhiệm vụ quan trọng của quản lý tài nguyên vô tuyến là đảm bảo hệ thống không bị quá tải và duy trì ổn định. Nếu hệ thống được quy hoạch đúng đắn và bộ lập biểu cho các gói làm việc tốt, thì tình trạng quá tải sẽ là ngoại lệ. Tuy nhiên nếu xuất hiện quá tải, điều khiển tải nhanh chóng và có trật tự đưa hệ thống trở lại tải đích được định nghĩa trong quá trình quy hoạch. Các hành động điều khiển tải để giảm tải: Điều khiển tải nhanh đường xuống: Từ chối lệnh tăng công suất đường xuống được nhận từ UE . Điều khiển nhanh đường lên: Giảm Eb/No đích được sử dụng bởi điều khiển công suất nhanh đường lên. Giảm thông lượng của lưu lượng số liệu gói. Chuyển giao đến sóng mang WCDMA khác. Giảm các tốc độ bit của các thuê bao thời gian thực, như codec tiếng AMR. Loại bỏ các cuộc gọi một cách có điều khiển. Hai hành động đầu tiên là các hành động nhanh được thực hiện ở nút B. Các hành động này có thể xảy ra trong một khe thời gian nghĩa là với tần số 1,5 KHz và đảm bảo ưu tiên nhanh các dịch vụ khác nhau. Tỷ số khung lỗi tức thời của các kết nối không nhậy cảm với trễ có thể được tăng để duy trì chất lượng của các dịch vụ không cho phép phát lại. Các hành động này chỉ gây ra tăng trễ đối với các dịch vụ số liệu gói trong khi chất lượng của các dịch vụ thoại và điện thoại có hình vẫn duy trì. Các hành động khác thông thường chậm hơn. Lưu lượng gói được giảm bởi bộ lập biểu gói. Một thí dụ về kết nối thời gian thực có thể giảm tốc độ bit là codec tiếng đa tốc độ AMR. Các chuyển giao giữa tần số và giữa các hệ thống cũng có thể được sử dụng để cân bằng tải và như là các thuật toán điều khiển tải. Hành động cuối cùng là loại bỏ các thuê bao thời gian thực (chẳng hạn như thoại hay các thuê bao số liệu chuyển mạch theo kênh) để giảm tải của hệ thống. Hành động này chỉ được thực hiện nếu tải của hệ thống vẫn giữ nguyên quá cao thậm chí sau khi đã thực hiện các hành động điều khiển tải khác. Giao diện vô tuyến của WCDMA thế hệ thứ ba và sử tăng trưởng lưu lượng phi thời gian thực ở các mạng thế hệ thứ ba sẽ đưa ra khả năng lựa chọn rộng rãi các hành động để xử lý các tình trạng quá tải và vì thế sự cần thiết phải loại bỏ các người sử dụng thời gian thực để giảm quá tải sẽ rất ít khi xảy ra. 2.7 Lập biểu gói Chức năng của bộ lập biểu gói: Phân chia dung lượng của giao diện vô tuyến giữa các người sử dụng gói. Phân chia các kênh truyền tải để sử dụng cho truyền dẫn số liệu của từng người sử dụng. Giám sát các phân bố gói và tải hệ thống. Thông thường bộ lập biểu gói được đặt ở RNC, vì tại đây việc lập biểu có thể thực hiện hiệu quả cho nhiều ô, ngoài ra ở đây cũng xem xét các kết nối chuyển giao mềm. Node B đảm nhiệm việc đo tải lưu lượng cho bộ lập biểu gói. Nếu tải lưu lượng vượt quá mức cho phép, bộ lập biểu lưu lượng có thể giảm tải bằng cách giảm tốc độ bit của các vật mang gói, nếu tải thấp hơn mức cho phép nó có thể tăng tải bằng cách phân bố nhiều số liệu hơn. Bộ lập biểu gói cũng là một phần của bộ điều khiển tải mạng vì nó có thể tăng tải mạng. Bộ lập biểu gói có thể quyết định các tốc độ bit được phân bố và thời gian phân bổ. Trong WCDMA điều này có thể thực hiện bằng hai cách: Theo mã hoặc theo thời gian. Trong thực tế quá trình lập biểu gói là kết hợp của hai phương pháp phân chia theo thời gian và theo mã. 2.8 kết luận chương Các kỹ thuật điều khiển tài nguyên vô tuyến là điều khiển công suất, điều khiển chuyển giao, điều khiển tải, điều khiển cho phép và lập biểu gói đã được tìm hiểu một cách khái quát thông qua chương 2 này. Qua đó chúng ta có thể thấy được tầm quan trọng của các kỹ thuật điều khiển tài nguyên vô tuyến đặc biệt là hai kỹ thuật điều khiển công suất và điều khiển chuyển giao trong việc sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến để có thể đảm bảo được các yêu cầu về chất lượng dịch vụ và cung cấp các dịch vụ chất lượng cao. Chương 3: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THEO BƯỚC ĐỘNG DSSPC VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUÂT PHÂN TÁN DPC 3.1 Giới thiệu chương Ở chương 2 chúng ta đã được giới thiệu một cách khái quát về kỹ thuật điều khiển công suất. Đến chương 3 này chúng ta sẽ tìm hiểu về hai phương pháp hay hai thuật toán được sử dụng để nâng cao khả năng điều khiển công suất. Một là thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC (Dynamic Step-Size Power Control thuật toán điều khiển công suất phân tán DPC (Distributed Power Control). 3.2 Thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC Thuật toán DSSPC (Dynamic Step Size Power Control ) là phương pháp điều khiển công suất hướng lên thông minh dựa trên việc sử dụng dữ liệu gốc vòng lặp kín và sự tương thích với những nhân tố quản lý tài nguyên vô tuyến Mục đích của thuật toán DSSPC là điều khiển công suất phát ở UE sao cho SIR nhận được ở node B sẽ hội tụ về SIR đích một cách nhanh nhất khi nó bị thay đổi đi do kênh truyền hoặc trạng thái của UE thay đổi. Thuật toán DSSPC sử dụng khái niệm ngưỡng nhiều mức SIR để có thể hội tụ SIR nhanh hơn với điều khiển công suất bình thường. Với trường hợp SIR bị lệch nhiều so với SIR đích thì cần điều khiển công suất thay đổi nhiều hơn. 3.2.1 Khái niệm và lợi ích của độ dự trữ, cửa sổ công suất Độ dự trữ SIR nhiều mức là những giả thiết ban đầu về sự biến đổi của kênh vô tuyến và phải được xác định theo kết quả của phép đo vô tuyến thời gian thực. Giới hạn trên và dưới của độ dự trữ công suất tùy thuộc vào tải/nhiễu của mạng trong truy cập vô tuyến hay tại mức tế bào. Bằng việc xác định độ dự trữ công suất mà hệ thống có thể đạt được các mục tiêu về độ ổn định và chất lượng của mạng. Hình 3. 1: Dự trữ SIR đối với các chất lượng dịch vụ khác nhau Do mạng vô tuyến là môi trường động luôn thay đổi nên vùng dự trữ công suất cũng có thể dao động lên hoặc xuống theo khi mức tải và nhiễu có sự thay đổi. Khi kênh mang vô tuyến được thiết lập, DSSPC sẽ điều khiển mức công suất truyền trong dự trữ công suất để tối ưu mạng. Điều này có thể đạt được nhờ sử dụng thông tin chất lượng dịch vụ QoS của kênh mang cũng như mức nhiễu mà nó gây ra cho mạng và phần dung lượng mạng liên quan đến nhiễu. Để cung cấp chất lượng dịch vụ tốt nhất với mức tối thiểu công suất truyền (hay SIR) cần cân bằng giữa chất lượng dịch vụ QoS, dung lượng mạng, quản lý cước kênh mang,… Tuy nhiên kết quả điều khiển công suất không tất yếu là ở mức thấp nhất có thể. Hình 3.3 là đồ thị mức công suất truyền của trạm di động dưới dạng nhiều mức SIR, được điều khiển để SIR hội tụ đến mức tối ưu. Thay vì chỉ có một ngưỡng của SIR đích, SIR nhiều mức có nhiều ngưỡng, bao gồm giới hạn trên và dưới được xác định. Do đó mỗi dịch vụ như thoại, dữ liệu hay hình ảnh có mức công suất truyền tối ưu đặc biệt mà công suất của UE từ ở mức trên hay ở mức dưới được hội tụ về. 3.2.2 Sự hoạt động của mạng Hình 3. 2: Thuật toán tạo lập TPC trong DSSPC Hình 3.4 là giản đồ hoạt động căn bản của phương pháp DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên. Trong điều khiển công suất đường lên điều khiển truy cập vô tuyến và node B là cơ sở cho điều khiển công suất từng phần của tiến trình điều chỉnh công suất. Điều khiển cho phép và điều khiển công suất của bộ điều khiển truy cập vô tuyến thiết lập các đích chất lượng tín hiệu gồm SIR_max, SIR_opt_max, SIR_opt_min và SIR_min. Điều này có thể dựa trên thông tin lưu lượng sẵn có trong AC (Admission Control) như (cường độ tín hiệu, SIR, các độ ưu tiên truy cập, thông tin hỗ trợ định vị, … Như trong hình 3.4 trạm gốc phát lệnh công suất truyền (TPC : Transmit Power Comand) bằng việc so sánh SIR nhận được tương ứng công suất của kênh đường lên với các ngưỡng xác định của SIR tương ứng với độ dự trữ công suất. 3.2.3 Sự hoạt động của UE Đầu tiên UE nhận lệnh điều khiển công suất từ node B. Nó ghi lệnh điều khiển công suất tiếp theo vào thanh ghi lệnh. Việc thay đổi dữ liệu gốc đuợc lưu trữ ở đây bao gồm dữ liệu về những lệnh điều khiển công suất gần đây nhất, kích cỡ bước (step-size) và tọa độ của UE. UE kiểm tra giá trị của lệnh điều khiển công suất, kích cỡ bước và thông tin hỗ trợ định vị bao gồm sự thay đổi dữ liệu gốc. Nếu lệnh điều khiển công suất hay chuỗi kích thước bước là chẵn, nghĩa là mức công suất không hoàn toàn thay đổi nhưng giữ ổn định và không có sự thay đổi đáng kể công suất truyền. Bước điều khiển công suất DSS (Dynamic Step Size) là kết quả kết hợp của giá trí không đổi và giá trị thay đổi của điều khiển công suất. Do đó UE điều chỉnh công suất truyền của nó bằng cách thêm DSS vào công suất tín hiệu ban đầu Po như sau Ptrx(dB) = Po(dB) + DSS (dB) DSS (dB) = α . β . γ và γ = 1 khi ΔSIR 0 (3.1) Trong phương trình (3.1) α là kích thước bước cố định đã được xác định trước và β là thành phần động của DSS được định nghĩa dựa trên giá trị thực và đích của SIR tương ứng với kết nối vô tuyến. Mục đích của DSS là để bù vào sự suy giảm công suất vì kênh truyền không ổn định. Chúng ta phải định nghĩa giá trị của thông số β và SIR đích. Tuy nhiên, thông tin này đã có sẵn tại trạm gốc. Do đó, việc điều chỉnh công suất truyền đường lên có hai khả năng thực hiện : Thông tin liên quan đến SIR được truyền đến trạm di động bằng cách dùng tín hiệu kênh chuyên dụng hay kênh chung. Bộ phân tích dữ liệu gốc (HDLA: History Data Analyzer Logic) của trạm di động tính toán giá trị của β dựa trên bảng dò tìm (bảng 3.1). Giá trị của β được tính toán tại trạm gốc bằng việc dùng tiêu chuẩn được định nghĩa trong bảng dò tìm. Như một kết quả, thông tin được truyền đến trạm di động thật ra là β. γ . Trong trường hợp trạm di động không cần tính tham số liên quan đến SIR, giảm bớt sự phức tạp và sự tiêu thụ pin của nó. Trong bảng (3.1) ki = ( 0,…,kn+1 ) là số nguyên, có thể tối ưu dựa trên những phép đo thực tế liên quan đến môi trường mạng vô tuyến. Do đó, nó có thể thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổi thời gian thực trong chất lượng tín hiệu vì fading và SIR đích cho kênh mang yêu cầu ánh xạ bởi mạng. Trong ví dụ này các giá trị nhiều mức của SIR đích được định nghĩa là : SIR_max, SIRopt_ max, SIRopt_ min, SIR_min. Bảng 3. 1: Bảng tra cứu ứng dụng DSSPC Tiêu chuẩn so sánh SIR SIRopt_min SIRreal SIRopt_max 0 X SIRopt_max SIRreal SIRmax K1 1 SIRreal > SIRmax K2 1 SIRmin SIRreal SIRopt_min K1 -1 SIRreal < SIRmin K2 -1 Hình 3.3 là mô hình chung của DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên. Node B nhận tín hiệu được truyền bởi UE và hướng tới giữ cường độ tín hiệu nhận được không thay đổi bằng cách gửi lệnh điều khiển đến UE. Hình 3. 3: Mô hình chung của DSSPC với điều khiển công suất đường lên Node B chịu trách nhiệm để đo SIR nhận được và một phần của những phép đo đó yêu cầu thiết lập thông số dự trữ công suất và các SIR đích. Các phép đo được thực hiện sau máy thu phân tập RAKE, nơi kết nối nhiều nhánh khác nhau của tín hiệu nhận được. Tại khối trạm gốc, các giá trị đích và giá trị đo được của SIR được so sánh. Trạm gốc cũng tính toán giá trị tương ứng cho β và γ như định nghĩa trong bảng (3.1) . Để xác định lệnh công suất truyền, bộ phát Node B gửi các lệnh công suất phát (TPCs) đến trạm di động để tăng, giảm hoặc giữ công suất truyền không thay đổi. Tại UE, các lệnh điều khiển công suất được tập hợp thành một vector mà trạm di động ghi vào bộ phân tích dữ liệu gốc (HDLA). HDLA phân tích vector bit lệnh nhận được khi đưa ra giá trị thích ứng của DSS. HDLA đưa ra thành phần thích ứng của DSS dựa trên thông tin nhận được từ trạm gốc dưới dạng luồng bit TPC. Cuối cùng, phần tử điều khiển điều chỉnh công suất truyền của trạm di động dựa trên phương trình (3.1). 3.3 Phương pháp điều khiển công suât phân tán DPC (Distributed Power Control) 3.3.1 Điều khiển công suất phân tán và điều khiển công suất tập trung Thuật toán điều khiển công suất được phân thành điều khiển phân tán và tập trung. Nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển phân tán được thực hiện nhiều hơn đối với điều khiển tập trung bởi vì điều khiển công suất tập trung chịu ảnh hưởng lớn về điều khiển dữ liệu và phải chịu tình trạng mạng không được bảo vệ. Trong kỹ thuật điều khiển công suất phân tán (DPC), tại mỗi trạm sử dụng công suất truyền hiện thời của nó. Kỹ thuật phân tán cũng đơn giản hơn và sử dụng ít thông tin hơn kỹ thuật tập trung. Kỹ thuật phân tán chỉ yêu cầu đo nhiễu đường truyền tại mỗi trạm và tiếp tục truyền đến máy di động tương ứng. Tuy nhiên kỹ thuật phân tán cần nhiều thời gian hơn để tối thiểu hoá mức SIR. Kỹ thuật điều khiển công suất sử dụng theo dạng tập trung yêu cầu thông tin về cường độ tín hiệu của tất cả các kết nối vô tuyến đang hoạt động mà không chú ý khả năng điều chỉnh công suất truyền. Phương pháp này gia tăng sự phức tạp mạng vì thông tin chi tiết trong các mạng di động nhiều ô liên quan được yêu cầu của kênh vô tuyến tập trung là không sẵn sàng trong thời gian thực. Ngược lại, kỹ thuật điều khiển công suất phân tán không yêu cầu thông tin trạng thái tập trung tất cả các kênh riêng lẻ. Thay vào đó, nó có thể thích nghi các mức công suất nhờ sử dụng các phép đo vô tuyến cục bộ, chú ý tới thay đổi chất lượng dịch vụ động thời giải quyết hiệu ứng tồn tại trong hệ thống tế bào. Tuy nhiên, phương pháp này không xét đến sự liên quan giữa các kết nối mới cho QoS của các kết nối hiện hữu. Điều khiển công suất phân tán chỉ sử dụng thông tin SIR và sử dụng kỹ thuật lặp để điều khiển công suất truyền. Thuật toán có khả năng đạt được mức SIR yêu cầu và tối ưu hoá hoạt động của mạng. 3.3.2 Thuật toán điều khiển công suất Mỗi UE điều khiển công suất truyền của nó trong giới hạn cực đại dựa trên thông tin mức công suất của nó và phép đo SIR. Thuật toán DPC điều khiển mức SIR của tất cả các thuê bao để đạt được SIR yêu cầu nếu có thể. Chúng ta đề xuất thuật toán điều khiển công suất phân tán mới sử dụng tham số thay đổi từ thuật toán truyền thống để cải thiện hiệu quả của nó. Hàm công suất mới là vấn đề chính cần thiết để đạt được mức SIR tối thiểu. Nếu SIR của thuê bao trên mức cực tiểu trong suốt thời gian điều khiển công suất thì ít nhất một kết nối UE-Node B sẽ bị cắt. Do vậy, tốc độ hội tụ liên quan đến dung lượng hệ thống. Thuật toán có thể được mô tả như sau : Pi(0) = Pi Pi(n+1) = ek(γT – γi(n))*Pi(n) hay Pi(n+1) (dbm) = ek(γT – γi(n)) (dbm) + Pi(n) (dbm) (3.2) Trong đó k là tham số dương theo kinh nghiệm chọn k = 0,04 là tốt cho cho hầu hết các hệ thống. Nếu k quá lớn tốc độ hội tụ sẽ chậm, nếu k quá nhỏ SIR sẽ dao động. Chúng ta có thể đạt được tốc độ hội tụ nhanh hơn bằng cách tối ưu hoá k. Pi(0) là công suất truyền ban đầu của thuê bao, Pi(n+1) là công suất truyền của thuê bao thứ i trong vòng lặp thứ n, γi(n) (dbm) là SIR của thuê bao thứ i tại vòng lặp thứ n. Theo các kết quả thực nghiệm n được chọn trong khoảng 10-20 là tối ưu. Có các trường hợp sau : Trường hợp 1 : γi(n) < γT Pi(n+1) < Pi(n) (3.3)  Trường hợp 2 γi(n) > γT Pi(n+1) > Pi(n) (3.3)  Trường hợp 3 : γi(n) = γT Pi(n+1) = Pi(n) (3.4) Mục đích chính của thuật toán này là tăng hay giảm công suất truyền của UE dựa trên SIRi (γi) nhận được. Bằng cách điều chỉnh thông số k trong hàm điều khiển công suất, hệ thống sẽ thoả mãn các yêu cầu vận hành khác nhau. 3.4 Công thức tính toán SIRreal từ Pđk Tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm đường lên SIR đối với một thuê bao được xác định như sau: (3.4) Trong đó: SF là hệ số trãi phổ (spreading factor). Pr là công suất thu tại Node B. là hệ số giảm trực giao (0££1). Iintra là nhiễu do tín hiệu từ các UE khác nhau trong cùng một Node B gây ra. Iinter là nhiễu do tín hiệu từ các UE ở các Node B khác gây ra. PN là công suất nhiệt tạp âm (nhiễu nền). Đối với đường lên, không có trực giao nên = 1, trước khi nén phổ SIR được tính theo phương trình sau : (3.5) Sau khi nén phổ tổng công suất can nhiễu I0 = Iintra + Iinter +PN , vì vậy SIR được viết lại như sau : (3.6) với : I = I0 . Bw Viết lại công thức theo dB: SIR = SF (dB) +Pr (dB) – Io – 10. lg(Bw) (dB) (3.7) Hệ số trải phổ Hay (dB) (3.8) Trong đó: Rt là tốc độ dữ liệu (Mbps) Công suất tín hiệu thu được của một UE tại Node B: Pr = Pme + Lp + Al + Gt + Lt (dBm) (3.9) Trong đó: Pr : Công suất tín hiệu thu được của một UE tại Node B (dBm) Lp: Tổn hao truyền sóng cho phép đối với vùng phủ của ô (dB) Al: Dự trữ phadinh log chuẩn (dB) Gt: Hệ số khuyếch đại anten trạm gốc (dBi) Lt: tổn hao conector và cáp thu ở Node B (dB) Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE khác trong cùng một Node B gây ra: Iintra = Pr + 10 lg(Nt - 1) + 10 lgCa – 10 lgBw (dBm/Hz) (3.10) Trong đó: Iintra: Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE khác trong cùng một Node B gây ra (dBm/Hz). Ca: Hệ số tích cực thoại kênh lưu lượng (0,4 ÷ 0,6). Nt: Số kênh lưu lượng trong cell đang xét. Bw : Độ rộng băng tần (Hz) Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE ở các Node B khác gây ra: Iinter = Iintra + 10. lg(1/ fr -1 ) (dBm/Hz) (3.11) Ictr: Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE ở các Node B khác gây ra (dBm/Hz). fr: Hệ số tái sử dụng tần số. Mật độ tạp âm nhiệt (nhiễu nền): N0 = 10 lg (290 * 1,38 . 10 -23) + Nf + 30 (dBm/Hz) (3.12) Trong đó: No: Mật độ tạp âm nhiệt tại nhiệt độ 290 (K). Nf: Hệ số tạp âm của máy thu Node B (dB). Mật độ phổ công suất nhiễu: I0 = 10 lg ( 10 0,1.Iintra + 100,1.Iinter + 10 0,1. N0 ) (dBm/Hz) (3.13) 3.5 Kết luận chương Trong chương này chúng ta đã tìm hiểu về hai kỹ thuật hay thuật toán điều khiển công suất là điều khiển theo bước động DSSPC và điều khiển công suất phân tán DPC. DSSPC thực hiện điều khiển công suất bằng cách sử dụng khái niệm ngưỡng nhiều mức SIR, tạo điều kiện để đưa công suất truyền của UE giảm đến mức tối ưu trong khi vẫn duy trì thông tin (tỷ số SIR) đạt được các yêu cầu về chất lượng. Trong khi đó, phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC cũng dùng thông tin về tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa SIR nhưng mức ngưỡng SIR(i) được điều chỉnh cho phù hợp với từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng đường truyền tốt nhất. Do đó DPC có khả năng đạt được mức SIR yêu cầu và hệ thống hoạt động ổn định hơn các phương pháp điều khiển công suất truyền thống. Tuy nhiên DPC cần nhiều thời gian hơn để tối thiểu hoá mức SIR. Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng, tuy nhiên cả hai phương pháp đều điều chỉnh công suất truyền hiệu quả hơn các phương pháp điều khiển công suất truyền thống. Do đó cả hai phương pháp này hi vọng sẽ là cơ sở để nghiên cứu nhằm điều khiển công suất cho một số hệ thống thông tin di động thế hệ ba hiện nay. Chương 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG 4.1 Giới thiệu chương Ở chương 3 chúng ta đã nghiên cứu kỹ về hai thuật toán điều khiển công suất thông minh là DSSPC và DPC. Đến chương 4 này chúng ta sẽ thực hiện tính toán với quỹ công suất và viết lưu đồ thuật toán cũng như kết quả mô phỏng bằng phần mềm mô phỏng Matlab. 4.2 Phần mềm mô phỏng Matlab Matlab (Matric Laboratory) là phần mềm của công ty Math Works thuộc cộng hòa Séc. Với nhiều phiên bản khác nhau, Matlab cho phép chạy trên các máy tính có hệ điều hành khác nhau như DOS, UNIX, APPLE, WINDOW, LINUX…Là phần mềm rất mạnh để tính toán và mô phỏng các bài toán kỹ thuật. Giao diện thân thiện và tập lệnh cũng như hàm con phong phú giúp người sử dụng có thể dễ dàng thực hiện công việc. 4.3 Quỹ đường truyền cho hệ thống UMTS được sử dụng để tính toán Bảng 4. 1: Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ số liệu thời gian thực 144kbit/s (3km/giờ, người sử dụng trong nhà được phủ sóng bởi BS ngoài trời, kênh xe ô tô kiêu A, có chuyển giao mềm) Dịch vụ số liệu thời gian thực 144 kbit/s Máy phát UE Công suất phát cực đại 0,25 W (24 dBm) Hệ số khuyếch đại anten (dBi) 2,0 Tổn hao cơ thể (dB) 0.0 EIRP (dB) 26 Máy thu Node B Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) -174,0 Hệ số tạp âm máy thu Node B (dB) 5.0 Mật độ phổ tạp âm máy thu (dBm/Hz) -169,0 Công suất tạp âm máy thu (dBm) -103,2 Dự trữ nhiễu 3,0 Công suất nhiễu ở máy thu (dBm) -103,2 Tổng tạp âm hiệu dụng cộng nhiễu (dBm) -100,2 Độ lợi xử lý (dB) 14,3 Eb/N0 1,5 Độ nhậy máy thu (dBm) -113,0 Các phần tử khác Hệ số khuyếch đại anten trạm gốc (dBi) 18,0 Tổn hao cáp ở Node B (dB) 2,0 Dự trữ pha dinh nhanh 4,0 Tổn hao đường truyền cực đại 151,0 Xác suất phủ sóng (%) 80 Hằng số phadinh log chuẩn 12,0 Thừa số mô hình truyền sóng 3,52 Dự trữ pha dinh log chuẩn (dB) 4,2 Độ lợi chuyển giao mềm (dB), đa ô 2,0 Tổn hao trong nhà (dB) 15,0 Tổn hao truyền sóng cho phép đối với vùng phủ của ô (dB) 133,8 4.4 Phương pháp tính toán Hai thuật toán điều khiển công suất DSSPC và DPC đều được sử dụng để điều khiển công suất nhanh vòng trong, SIR thu được tại Node B được so sánh với SIR đích có sẵn tại Node B để có thể thay đổi công suất phát của UE một cách hợp lý. Công thức tính toán liên hệ giữa công suất phát Pt của UE và SIR thu được tại Node B được đưa ra ở chương 3. Sau đây chúng ta sẽ tính toán SIR với số liệu thực tế trong quỹ công suất của dịch vụ truyền số liệu thời gian thực 144kbit/s. Đặt Pt = Pmax = 24 (dbm) Công suất tín hiệu thu được của một UE tại Node B: Pr = Pt + Lp + Al + Gt + Lt (dbm) Trong đó: Lp: Tổn hao truyền sóng cho phép đối với vùng phủ của ô = -133,8 (db) Al: Dự trữ phadinh log chuẩn = -4,2 (db) Gt: Hệ số khuyếch đại anten trạm gốc = 18 (dbi) Lt: tổn hao conector và cáp thu ở Node B = -2 (db) Nên Pr = 24 + (-133,8) + (-4,2) + 18 + (-2) = -96 (dbm) Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE khác trong cùng một Node B gây ra: Iintra = Pr + 10 lg(Nt - 1) + 10 lgCa – 10 lgBw (dBm/Hz) Trong đó: Iintra: Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE khác trong cùng một Node B gây ra (dBm/Hz) Ca: Hệ số tích cực thoại kênh lưu lượng = 0,6 Nt: Số kênh lưu lượng trong cell đang xét = 4 Bw : Độ rộng băng tần = 3840000 (Hz) Nên Iintra = -96 + 10 lg(4 - 1) + 10 lg(0,6) – 10 lg3840000 = -159,29 (dBm/Hz) Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE ở các Node B khác gây ra: Iinter = Iintra + 10. lg(1/ fr -1 ) (dBm/Hz) Ictr: Mật độ công suất nhiễu do tín hiệu từ các UE ở các Node B khác gây ra (dBm/Hz). fr: Hệ số tái sử dụng tần số = 0,65 Nên Iinter = -159,29 + 10. lg(1/ 0,65 -1 ) = -161,98 (dBm/Hz) Mật độ tạp âm nhiệt (nhiễu nền): N0 = 10 lg (290 * 1,38 . 10 -23) + Nf + 30 (dBm/Hz) Trong đó: No: Mật độ tạp âm nhiệt tại nhiệt độ = 290 (K). Nf: Hệ số tạp âm của máy thu Node B = 5 (dB). Nên N0 = 10 lg (290 * 1,38 . 10 -23) + 5 + 30 = -168,98 (dBm/Hz) Mật độ phổ công suất nhiễu: I0 = 10 lg ( 10 0,1.Iintra + 100,1.Iinter + 10 0,1. N0 ) Hệ số trải phổ (dB) Trong đó Rt là tốc độ dữ liệu = 3840 (Mbps) Nên (dB) Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR SIR = SF (dB) + Pr (dB) – Io – 10. lg(Bw) = 14,25 - 96 - (-157,13) – 10. lg(3840000) = 9,53 (db) = 39,53 (dbm) 4.5 Mô phỏng thuật toán DSSPC 4.5.1 Lưu đồ thuật toán và thiết lập ban đầu cho phương pháp điều khiển công suất theo bước DSSPC Hình 4.1 thể hiện lưu đồ thuật toán của phương pháp điều khiển công suất bước động với các thông số khởi tạo ban đầu là: Công suât phát lớn nhất và nhỏ nhất của thiết bị di động UE Pmax = 24 dbm Pmin = -15 dbm Số lượng UE NUE = 3 tương ứng là UE1, UE2 và UE3 Giới hạn của vòng lặp NL = 100 ứng với 100 lần điều khiển công suất Các chỉ số SIR theo mức SIR_max =36.5 dBm SIRopt_ max =33 dBm SIRopt_ min = 27 dBm SIR_min = 19.5 dBm Công suất phát được giả thiết ban đầu của các UE được thiết lập trên giao diện mô phỏng nằm trong khoảng (Pmin,Pmax) Các đại lượng, βmax, βmin α = 0.5 βmax = 2 βmin = 1 Bắt đầu Lap = 1 i = 1 SIRreali SIRreal > SIRmax SIRopt_max SIRreal SIRmax Các thông số SIRopt_min SIRreal SIRopt_max SIRmin SIRreal SIRopt_min Lệnh giảm công suất truyền Pđki = Poi - αβmax Lệnh giảm công suất truyền Pđki = Poi - αβmin Công suất nhận là tối ưu Pđki = Poi Lệnh tăng công suất truyền Pđki = Poi + αβmin Lệnh tăng công suất truyền Pđki = Poi + αβmin Pmin ≤ Pđki ≤ Pmax Poi = Pđki i = i +1 i ≤ NUE Lap = Lap + 1 Lap ≤ NL Kết thúc Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Sai Sai Sai Sai Sai Sai Đúng Sai Hình 4. 1: Thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC 4.5.2 Kết quả mô phỏng Hình 4. 2: Mô phỏng sự thay đổi của công suất phát tại 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DSSPC Hình 4. 3: Mô phỏng sự thay đổi của tỷ số SIR thu được tại Node B tương ứng với 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DSSPC Nhận xét: Khi chưa tiến vào vùng SIR tối ưu [SIRoptmax,SIRoptmin]:Công suât phát ở UE và tỷ số SIR thu được tại Node B biến đổi tỷ lệ thuận với nhau. Sau khi hội tụ đến vùng SIR tối ưu [SIRoptmax,SIRoptmin]: Công suất phát ở UE và tỷ số SIR thu được tại Node B đạt được trạng thái ổn định không thay đổi theo thời gian. 4.6 Mô phỏng thuật toán DPC 4.6.1 Lưu đồ thuật toán và thiết lập ban đầu cho phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC Bắt đầu Lap = 1 i = 1 γi(SIRreali) γi = γT(SIRdich) Các thông số Công suất nhận là tối ưu Pđki = Poi Lệnh tăng công suất truyền Pđki = Poi + 10log(ek(γT – γi)) Pmin ≤ Pđki ≤ Pmax Poi = Pđki Lap = 1 i = i +1 Lap = 1 i ≤ NUE Lap = Lap + 1 Lap ≤ NL Kết thúc Đúng Đúng Sai Đúng Sai Sai Sai Đúng Hình 4. 4: Thuật toán điều khiển công suất phân tán DPC Hình 4.4 thể hiện lưu đồ thuật toán của phương pháp điều khiển công suất phân tán với các thông số khởi tạo ban đầu là: Công suât phát lớn nhất và nhỏ nhất của thiết bị di động UE Pmax = 24 dbm Pmin = -15 dbm Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIRdich SIRdich = 33 dbm Chọn hệ số k = 0.02 4.6.2 Kết quả mô phỏng Hình 4. 5: Mô phỏng sự thay đổi của công suất phát tại 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DPC Hình 4. 6: Mô phỏng sự thay đổi của tỷ số SIR thu được tại Node B tương ứng với 3 UE trong quá trình điều khiển công suất theo phương pháp DPC Nhận xét: Đồ thị của công suất phát và tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR biến thiên theo dạng hàm số sô mũ. 4.7 Kết luận chương Chương 4 đã đưa ra được các kết quả mô phỏng với các thông số cụ thể của hai thuật toán điều khiển công suất thông minh là điều khiển công suất theo bước động DSSPC và điều khiển công suất phân tán DPC. Quá đó ta có thể thấy được quá trình hoạt động cũng như hiệu quả trong điều khiển của chúng. Kỹ thuật điều khiển công suất theo bước DSSPC sử dụng khái niệm ngưỡng nhiều mức tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR. Đạt được tốc độ điều khiển công suất nhanh. Nên có thể chi phối hợp một cách linh hoạt đối với sự thay đổi fadinh của tín hiệu truyền. Kỹ thuât điều khiển công suất phân tán DPC thì sử dụng ít thông tin hơn, chỉ yêu cầu đo nhiễu đường truyền tại mỗi trạm và tiếp tục truyền đến máy di động tương ứng. Tuy nhiên kỹ thuật phân tán cần nhiều thời gian hơn để tối thiểu hoá mức SIR. KẾT LUẬN CHUNG Kỹ thuật