Đồ án Chuyển giao mềm trong mạng WCDMA

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG 2 ---------  --------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HỆ: ĐÀO TẠO CHÍNH QUY NIÊN KHÓA : 2005-2010 Tên đề tài: CHUYỂN GIAO MỀM TRONG MẠNG WCDMA Mã số đề tài: 09405160029 Sinh viên thực hiện : LÊ TRUNG HIẾU MSSV : 405160029 Lớp : Đ05VTA1 Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN HUY HÙNG TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG 11/2009 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ---------  --------- *V* ------------------------------------------------------------------------------------------------------ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------ Tp. Hồ Chí Minh, ngày..…tháng……năm 2009 Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Huy Hùng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ---------  --------- *V* ------------------------------------------------------------------------------------------------------ ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------ Tp. Hồ Chí Minh, ngày..…tháng……năm 2009 Giáo viên phản biện LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức trong thời gian qua. Đặc biệt, em xin cảm ơn thầy Nguyễn Huy Hùng đã định hướng và chỉ dẫn cho em. Bằng sự nhiệt tình cùng với những góp ý, gợi mở, những kiến thức quý báu từ Thầy, đã giúp em có thể hiểu được một cách sâu sắc và rõ ràng hơn những điều còn vướng mắc trong thời gian làm luận án này. Kế đến, em xin cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ dẫn của các bạn lớp Đ05VT, tuy sự giúp đỡ đó không lớn nhưng cũng giúp em giải đáp một số thắc mắc khi làm luận án này. Và cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, ba mẹ cũng như các anh chị em của em, những người đã luôn động viên, củng cố tinh thần cho em trong suốt thời gian làm luận án này. Mặc dù Em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2009 Sinh viên Lê Trung Hiếu Báo cáo tốt nghiệp Mục lục SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 1 MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................................. 1 MỤC LỤC HÌNH VẼ ............................................................................................................ 3 MỤC LỤC BẢNG ................................................................................................................. 4 LỜI MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 5 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ......................................... 6 1.1 Sự phát triển của mạng di động ................................................................................ 6 1.1.1 Hệ thống di động tương tự thế hệ đầu tiên ......................................................... 6 1.1.2 Hệ thống di động thế hệ thứ 2 và giai đoạn 2 + ................................................. 6 1.1.3 Hệ thống di động thế hệ thứ 3 và cao hơn nữa ................................................... 9 a) Cấu trúc mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 UMTS ...................................... 11 b) Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo: .................................................... 13 1.2 Tổng quan về công nghệ CDMA ............................................................................ 13 1.2.1 Nguyên lý trải phổ (CDMA) ........................................................................ 13 1.2.2 Trải phổ và giải trải phổ .............................................................................. 14 1.2.3 Đa truy xuất ................................................................................................ 15 1.2.4 Các đặc điểm chính của công nghệ WCDMA .............................................. 16 1.3 Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: Radio Resource Management) ....................... 17 1.3.1 RRM trong mạng di động ............................................................................... 17 1.3.2 Chức năng của RRM ....................................................................................... 18 a) Điều khiển công suất (Power Control)............................................................. 18 b) Điều khiển chuyển giao (Handover control) .................................................... 21 c) Điều khiển thâm nhập (Admission control) ..................................................... 21 d) Điều khiển Tải (Điều khiển tắc nghẽn) ............................................................ 23 CHƯƠNG II: CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG 3G WCDMA ................................... 25 2.1 Tổng quan về chuyển giao trong mạng di động ...................................................... 25 2.1.1 Các kiểu chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA ........................................ 25 2.1.2 Các mục tiêu của chuyển giao ......................................................................... 26 2.1.3 Các thủ tục và phép đo chuyển giao ................................................................ 27 2.2 Chuyển giao mềm (SHO) ....................................................................................... 28 2.2.1 Nguyên lý của chuyển giao mềm .................................................................... 29 2.2.2 Thuật toán chuyển giao mềm .......................................................................... 31 2.2.3 Đặc điểm của chuyển giao mềm ...................................................................... 34 CHƯƠNG III : PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CẤP ĐƯỜNG DẪN VÀ CẤP HỆ THỐNG ...... 37 3.1 Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn ......................................................................... 37 3.1.1 Phân tích nhiễu hướng xuống ............................................................................... 37 a) Nhiễu intra-Cell và nhiễu inter-Cell ................................................................ 38 b) Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hướng xuống ...................... 42 Báo cáo tốt nghiệp Mục lục SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 2 3.1.2 Sự phân bố công suất hướng xuống ..................................................................... 43 a) Phân bố công suất không có SHO ................................................................... 43 b) Phân bố công suất với SHO ............................................................................ 44 3.1.3 Kết luận ............................................................................................................... 50 3.2 Phân tích hiệu suất câp hệ thống ............................................................................ 50 3.2.1 Độ lợi chuyển giao mềm hướng xuống ............................................................ 50 a) Độ lợi chuyển giao mềm ................................................................................. 51 b) Những tác động đối với độ lợi chuyển giao mềm ............................................ 54 3.2.2 Sơ đồ chọn lựa và tái chọn lựa Cell ................................................................. 55 a) Nguyên lý cơ bản của các sơ đồ chọn lựa Cell (CS) khác nhau ........................ 56 b) Những tác động của các sơ đồ chọn lựa Cell khác nhau đến độ lợi SHO ......... 58 3.2.3 Các thuật toán chuyển giao mềm ..................................................................... 58 a) Các thuật toán SHO khác nhau ........................................................................ 59 b) Vùng SHO của các thuật toán chuyển giao mềm khác nhau ............................ 62 3.2.4 Điều khiển công suất hướng xuống ................................................................. 62 a) Phân bố công suất dưới 3 điều kiện điều khiển công suất ................................ 63 b) Độ lợi SHO dưới những tác động của điều khiển công suất ............................. 65 CHƯƠNG IV: CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TỐI ƯU TRONG CHUYỂN GIAO MỀM......................................................................................................................... 67 4.1 Nguyên lý của cách tiếp cận mới ............................................................................ 67 4.2 Đánh giá tính khả thi .............................................................................................. 68 CHƯƠNG V: CHƯƠNG TRÌNH DEMO ............................................................................ 72 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 73 BẢNG TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................................... 74 PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 79 Báo cáo tốt nghiệp Mục lục hình vẽ SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 3 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình I.1 Sự phát triển của mạng di động ............................................................................ 7 Hình I.2 Lộ trình phát triển từ 2G đến 3G ......................................................................... 10 Hình I.3 Trải phổ và giải trải phổ ..................................................................................... 15 Hình I.4 Các công nghệ đa truy xuất................................................................................. 15 Hình I.5 Nguyên lý đa truy xuất trải phổ .......................................................................... 16 Hình I.6 Các vị trí điển hình của RRM trong mạng WCDMA .......................................... 18 Hình I.7 Hiệu ứng gần xa (điều khiển công suất hướng lên) ............................................. 19 Hình I.8 Bù nhiễu inter-cell (điều khiển công suất hướng xuống) ..................................... 20 Hình I.9 Thuật toán chung của điều khiển công suất vòng ngoài ....................................... 21 Hình I.10 Đường cong tải ................................................................................................... 22 Hình II.1 Các viễn cảnh của các kiểu chuyển giao khác nhau ......................................... 26 Hình II.2 Các thủ tục chuyển giao .................................................................................. 28 Hình II.3 Sự so sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm .................................. 30 Hình II.4 Nguyên lý chuyển giao mềm (trường hợp 2 đường) ........................................ 31 Hình II.5 Thuật toán chuyển giao mềm của IS-95A ........................................................ 32 Hình II.6 Thuật toán chuyển giao mềm WCDMA .......................................................... 33 Hình II.7 Giảm nhiễu hướng lên bằng cách sử dụng SHO .............................................. 35 Hình III.1 Nhiễu hướng lên ............................................................................................. 37 Hình III.2 Nhiễu hướng xuống ........................................................................................ 38 Hình III.3 χ ,Nhiễu inter-Cell hướng xuống tương đối ..................................................... 40 Hình III.4 η, Tỷ số nhiễu inter-Cell và intra-Cell ............................................................. 41 Hình III.5 Độ nhạy của nhiễu hướng xuống tương đối với các thông số vô tuyến ............ 41 Hình III.6 Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hướng xuống ...................... 42 Hình III.7 Ý nghĩa của β1 β2 β3 với các vị trí MS khác nhau ............................................. 47 Hình III.8 Hàm phân bố tích luỹ của β1 β2 và β3 .............................................................. 48 Hình III.9 Công suất tổng trung bình đối với vị trí của trạm di động ................................ 49 Hình III.10 Công suất kênh lưu lượng hướng xuống .......................................................... 49 Hình III.11 Vùng chuyển giao mềm và vùng phủ sóng hiệu quả của Cell .......................... 51 Hình III.12 Sự bố trí Cell .................................................................................................. 52 Hình III.13 Sơ đồ chọn lựa Cell......................................................................................... 56 Hình III.14 Lưu đồ chọn lựa Cell hoàn hảo ....................................................................... 57 Hình III.15 Lưu đồ chọn lựa Cell bình thường ................................................................... 58 Hình III.16 Lưu đồ thuật toán chuyển giao mềm IS-95A ................................................... 60 Hình III.17 Lưu đồ thuật toán chuyển giao mềm UTRA .................................................... 61 Hình III.18 So sánh vùng SHO của các thuật toán khác nhau............................................. 62 Hình IV.1 Điều khiển công suất hướng xuống trong Chuyển giao mềm ........................... 67 Hình IV.2 Công suất truyền tổng tương đối cho các MS trong chuyển giao mềm. ............ 71 Hình V.1 Mô hình chuyển giao ...................................................................................... 72 Báo cáo tốt nghiệp Mục lục bảng SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 4 MỤC LỤC BẢNG TABLE I.1 Các thông số kỹ thuật của hệ thống số thế hệ thứ 2 ........................................... 8 TABLE III.1 Bảng liên kết ............................................................................................... 54 TABLE IV.1 Các thông số hệ thống ..................................................................................... 71 Báo cáo tốt nghiệp Lời mở đầu SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 5 LỜI MỞ ĐẦU Như ta đã biết, các đầu cuối di động cho phép thuê bao truy xuất các dịch vụ trong khi đang di chuyển, điều này đặc biệt đã thúc đẩy sự phát triển 1 cách nhanh chóng của ngành công nghiệp mạng di động, và thay đổi nó từ một công nghệ mới thành một ngành công nghiệp lớn trong vòng ít hơn hai thập kỷ. Chuyển giao là một chức năng thiết yếu để đối phó với tính di động của các thuê bao di động. So với chuyển giao cứng truyền thống được sử dụng trong mạng di động GSM, thì chuyển giao mềm sử dụng trong IS-95 và được đề xuất cho mạng 3G có hiệu suất tốt hơn trên cả hai cấp độ đường dẫn và hệ thống. Trong hầu hết các phân tích trước đây về chuyển giao mềm đều tập trung vào hướng lên. Tuy nhiên, trong các mạng di động tương lai thì hướng xuống lại cực kỳ quan trọng đối với dung lượng hệ thống bởi tính bất đối xứng của các dịch vụ mới, chẳng hạn như lưu lượng Internet. Hiểu được vấn đề đó, nên luận án này sẽ đi sâu nghiên cứu các đặc tính của chuyển giao mềm cũng như những tác động của nó đến dung lượng hay hiệu suất hướng xuống trong mạng WCDMA. Cụ thể là: Chương 1: sẽ giới thiệu tổng quan về mạng thông tin di động Chương 2 + chương 3: giới thiệu về chuyển giao mềm và những tác động của nó ở cấp độ đường dẫn và hệ thống. Chương 4: sẽ đưa ra chiến lược điều khiển công suất tối ưu suốt trong quá trình chuyển giao mềm. Trong quá trình thực hiện luận án có thể em sẽ không tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được sự phê bình, góp ý của quý thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn. Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 6 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Sự phát triển của mạng di động 1.1.1 Hệ thống di động tương tự thế hệ đầu tiên Năm 1980 đã bắt đầu kỷ nguyên mạng điện thoại di động tế bào, và từ đó truyền thông di động đã trải qua những thay đổi đáng kể và phát triển lớn về mặt kinh nghiệm.Hình I.2 cho thấy sự tiến triển của mạng di động. Hệ thống di động thế hệ đầu tiên đã sử dụng phương thức truyền tương tự đối với các dịch vụ thoại. Năm 1979, hệ thống di động đầu tiên trên thế giới đã được đưa vào hoạt động bởi Nippon Telephone and Telegraph (NTT) ở Tokyo, Japan.Hệ thống đã sử dụng 600 kênh hai chiều trên phổ tần 30 MHz ở băng tần 800 MHz, với khoảng cách kênh là 25 kHz. 2 năm sau, kỷ nguyên di động tế bào đã hướng tới Châu Âu. 2 phổ biến nhất của hệ thống tương tự là Nordic Mobile Telephones (NMT) và Total Access Communication Systems (TACS).Năm 1981, hệ thống NMT-450 đã được thương mại hoá bởi NMT ở Scandinavia. Hệ thống hoạt động ở dải tần 450 MHz và 900 MHz với băng thông tổng cộng là 10 MHz. TACS, được ra mắt tại Anh vào năm 1982, hoạt động tại tần số 900 MHz với băng tần dành cho mỗi đường là 25 MHz và băng thông mỗi kênh là 25 kHz. TACS được mở rộng triển khai vào năm 1985. Ngoài NMT và TACS, một số hệ thống tương tự khác cũng đã được giới thiệu vào năm 1980 trên toàn Châu Âu. Ví dụ, ở Đức, hệ thống di động tế bào C-450 , hoạt động tại băng tần 450 MHz và 900 MHz (sau này) , được triển khai vào tháng Chín năm 1985. Tất cả các hệ thống này cung cấp khả năng chuyển vùng và chuyển giao nhưng mạng di động tế bào lại không cho phép liên kết nối giữa các quốc gia. Đây là một trong những khó khăn không thể tránh khỏi của mạng di động thế hệ đầu tiên. Tại Hoa Kỳ, mạng điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile Phone System) được đưa ra vào năm 1982. Hệ thống được phân bổ một băng thông 40 MHz trong dải tần từ 800 đến 900 MHz. Năm 1988, AMPS được bổ sung thêm 10 MHz băng thông và gọi là phổ mở rộng Expanded Spectrum (ES). 1.1.2 Hệ thống di động thế hệ thứ 2 và giai đoạn 2 + Hệ thống di động thế hệ thứ 2 được giới thiệu vào cuối những năm 1980.Các dịch vụ dữ liệu tốc độ thấp cũng như các dịch vụ thoại truyền thống được hỗ trợ. Các hệ thống này sử dụng kỹ thuật truyền dẫn số chứ không phải truyền dẫn tương tự. Do vậy, so với hệ thống di động thế hệ thứ nhất, hiệu suất phổ của thế hệ thứ 2 cao hơn, dịch vụ dữ liệu và khả năng chuyển vùng tốt hơn. Ở Châu Âu, hệ thống toàn cầu dành cho truyền thông di động có tên gọi là GSM (Global System for Mobile Communications) được triển khai để cung cấp một tiêu chuẩn mang tính thống nhất. Điều này cho phép các dịch vụ không có đường nối ra khỏi Châu Âu bằng phương thức chuyển vùng quốc tế. Hệ thống GSM sớm nhất hoạt động ở băng tần 900 MHz với băng thông tổng cộng là 50 MHz. Suốt trong quá trình phát triển hơn 20 năm, công nghệ GSM đã liên tục được cải tiến để cung cấp các dịch vụ tốt hơn trên thị trường. Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 7 Những công nghệ mới tiên tiến hơn được biết đến như là hệ thống thế hệ 2,5 (2,5G) đều được phát triển dựa trên nền tảng của hệ thống GSM gốc. Cho đến nay, như là một hệ thống di động lớn nhất trên toàn thế giới, GSM là công nghệ của sự lựa chọn tại hơn 190 quốc gia với khoảng 787.000.000 thuê bao. Hình I.1 Sự phát triển của mạng di động Tại Hoa Kỳ, đã có 3 dòng phát triển của hệ thống di động tế bào số. Hệ thống đầu tiên, được giới thiệu vào năm 1991, đó là IS-54 (North America TDMA Digital Cellular), trong đó có một phiên bản mới hỗ trợ các dịch vụ bổ sung (IS 136) được giới thiệu vào năm 1996. Trong đó, IS-95 đã được triển khai vào năm 1993. Sự uỷ nhiệm truyền thông liên bang Mỹ Federal Communications Commision (FCC) cũng bán đấu giá một khối phổ mới trong dải tần 1900 MHz (PCS), cho phép GSM 1900 nhập vào thị trường Mỹ. Ở Nhật Bản, hệ thống Personal Digital Celluar (PDC), ban đầu được biết đến như là JDC (Japanese Digital Cellular) bước đầu được định nghĩa vào năm 1990. Dịch vụ thương mại đã được bắt đầu bởi NTT vào năm 1993 ở băng tần 800 MHz và năm 1994 ở băng tần 1,5 GHz. Bảng I.1 cho thấy các thông số kỹ thuật của bốn hệ thống di động số thế hệ thứ hai điển hình. Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 8 GSM IS-136 IS-95 PDC Đa truy xuất TDMA TDMA CDMA TDMA Điều chế GMSK π/4-DQPSK Coherent π/4-DQPSK Coherent 8-PSK QPSK/O-QPSK π/4-DQPSK Độ rộng kênh 200 kHz 30 kHz 1.25 kHz 25 kHz Tốc độ bit 270.833 kbit/s 48.6 kbit/s(π/4-DQPSK) 72.9 kbit/s(8-PSK) 1.2288 Mchip/s 42 kbit/s Độ dài khung 4.615 ms 40 ms 20 ms 20 ms Số khe/khung 8/16 6 1 3/6 Băng tần (lên/xuống) (MHz) 880 915/935 960 1720-1785/1805-1880 1930-1990/1850-1910 824-849/869-894 1930-1990/1850-1910 824-849/869-894 1930-1990/1850- 1910 810 826/910 956 1429-1453/1477- 1501 Tốc độ dữ liệu cho phép tối đa (kbit/s) HSCSD: 57.6 GPRS: 115.2-182.4 IS-136+: 43.2 IS 95A: 14.4 IS 95B: 115.2 28.8 Chuyển giao Cứng Cứng Mềm Cứng TABLE I.1 Các thông số kỹ thuật của hệ thống số thế hệ thứ 2 Ngày nay, hệ thống di động tế bào số thế hệ thứ hai vẫn chiếm ưu thế trong ngày công nghiệp di động trên toàn thế giới. Tuy nhiên, họ đang tiến triển theo hướng hệ thống thế hệ thứ ba (3G) vì những nhu cầu về lưu lượng di động và sự xuất hiện của các loại hình dịch vụ mới. Các hệ thống mới, chẳng hạn như là HSCSD (High Speed Circuit Switched Data), GPRS (General Packet Radio Service), và IS 95B, thường được gọi chung là thế hệ 2,5 (2,5G). HSCSD, GPRS và EDGE tất cả đều dựa trên nền tảng của hệ thống GSM ban đầu. HSCSD là sự cải tiến đầu tiên của giao tiếp vô tuyến GSM: nó bó các khe thời gian GSM để cho ra một tốc độ dữ liệu tối đa về mặt lý thuyết là 57,6 Kbit/s ( 4 bit/s). HSCSD cung cấp cả 2 loại hình dịch vụ đối xứng và bất đối xứng và nó được triển khai tương đối dễ dàng. Tuy nhiên, HSCSD không dễ dàng về mặt giá cả cạnh tranh. Sau HSCSD, GPRS là bước phát triển tiếp theo của giao tiếp vô tuyến GSM. Ngoài bó các khe thời gian, thì 4 sơ đồ mã hoá kênh mới được đề xuất. GPRS cung cấp “always on” các gói dữ liệu chuyển mạch gói với băng thông chỉ được sử dụng khi cần thiết. Vì vậy, GPRS cho phép GSM truy xuất Internet với hiệu suất phổ cao bằng cách sử dụng các khe thời gian khác nhau giữa các User. Về mặt lý thuyết, GPRS có Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 9 thể hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên tới 160 Kbit/s (hiện tại GPRS cung cấp 40 Kbit/s). Triển khai GPRS không dễ dàng như là HSCSD vì mạng lõi cần phải được nâng cấp tốt. EDGE sử dụng cấu trúc vô tuyến GSM và khung TDMA nhưng với một sơ đồ điều chế mới, 8QPSK, thay vì GMSK, qua đó tăng gấp 3 lần so với GSM thông qua việc sử dụng cùng một băng thông. EDGE kết hợp với GPRS sẽ cung cấp tốc độ dữ lieu cho mỗi User lên đến 384 Kbit/s. 1.1.3 Hệ thống di động thế hệ thứ 3 và cao hơn nữa Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x. Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s. Để phân biệt với các hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, các hệ thống thông tin di động thế hệ 3 gọi là các hệ thống thông tin di động băng rộng. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống W-CDMA và CDMA2000 đã được ITU chấp thuận và đưa vào hoạt động trong những năm đầu của những thập kỷ 2000. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ 3. - W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) là sự nâng cấp của các hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, IS-136. - CDMA2000 là sự nâng cấp của hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ CDMA: IS-95. Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 10 Hình I.2 Lộ trình phát triển từ 2G đến 3G Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3: Thông tin di động thế hệ thứ 3 xây dựng trên cơ sở IMT-2000 được đưa vào phục vụ từ năm 2001. Mục đích của IMT-2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời bảo đảm sự phát triển liên tục của thông tin di động thế hệ 2.  Tốc độ của thế hệ thứ ba được xác định như sau: - 384 Kb/s đối với vùng phủ sóng rộng. - 2 Mb/s đối với vùng phủ sóng địa phương.  Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba (3G): - Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau: + Đường lên : 1885-2025 MHz. + Đường xuống : 2110-2200 MHz. - Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến: + Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến. + Tương tác với mọi loại dịch vụ viễn thông. - Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau: trong công sở,ngoài đường trên xe, vệ tinh. - Có thể hỗ trợ các dịch vụ như: Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 11 +Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: 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. a) Cấu trúc mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 UMTS Hệ thống W-CDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS. Về mặt chức năng có thể chia cấu trúc mạng W-CDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN ) và mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN ), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến là phần nâng cấp của W-CDMA. Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong W-CDMA còn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống. Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến WCDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM. Cấu trúc của UMTS  UE (User Equipment) Thiết bị người sử dụng thực hiện chức năng giao tiếp người sử dụng với hệ thống. UE gồm hai phần : Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 12 - Thiết bị di động (ME : Mobile Equipment) : Là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin vô tuyến trên giao diện Uu. - Module nhận dạng thuê bao UMTS (USIM) : Là một thẻ thông minh chứa thông tin nhận dạng của thuê bao, nó thực hiện các thuật toán nhận thực, lưu giữ các khóa nhận thực và một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối.  UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network) Mạng truy nhập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy nhập vô tuyến. UTRAN gồm hai phần tử : - Nút B : Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu. Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến. - Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC : Có chức năng sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó). RNC còn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN.  CN (Core Network) - HLR (Home Location Register) : Là thanh ghi định vị thường trú lưu giữ thông tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng. Các thông tin này bao gồm : Thông tin về các dịch vụ được phép, các vùng không được chuyển mạng và các thông tin về dịch vụ bổ sung như : trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi. - MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register) : Là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí của nó. MSC có chức năng sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh. VLR có chức năng lưu giữ bản sao về lý lịch người sử dụng cũng như vị trí chính xác của UE trong hệ thống đang phục vụ. - GMSC (Gateway MSC) : Chuyển mạch kết nối với mạng ngoài. - SGSN (Serving GPRS) : Có chức năng như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gói (PS). - GGSN (Gateway GPRS Support Node) : Có chức năng như GMSC nhưng chỉ phục vụ cho các dịch vụ chuyển mạch gói.  Các mạng ngoài - Mạng CS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh. - Mạng PS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.  Các giao diện vô tuyến - Giao diện CU : Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME. Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh. - Giao diện UU : Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS. Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 13 - Giao diện IU : Giao diện này nối UTRAN với CN , nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau. - Giao diện IUr : Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau. - Giao diện IUb : Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC. IUb được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn. b) Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo: Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 sang thế hệ 4 qua giai đoạn trung gian là thế hệ 3,5 có tên là mạng truy nhập gói đường xuống tốc độ cao HSDPA. Thế hệ 4 là công nghệ truyền thông không dây thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 cho đến 1.5 Gb/giây. Công nghệ 4G được hiểu là chuẩn tương lai của các thiết bị không dây. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mb/giây khi di chuyển và tới 1 Gb/giây khi đứng yên, cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao. Chuẩn 4G cho phép truyền các ứng dụng phương tiện truyền thông phổ biến nhất, góp phần tạo nên các những ứng dụng mạnh mẽ cho các mạng không dây nội bộ (WLAN ) và các ứng dụng khác. Thế hệ 4 dùng kỹ thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM, là kỹ thuật nhiều tín hiệu được gởi đi cùng một lúc nhưng trên những tần số khác nhau. Trong kỹ thuật OFDM, chỉ có một thiết bị truyền tín hiệu trên nhiều tần số độc lập (từ vài chục cho đến vài ngàn tần số). Thiết bị 4G sử dụng máy thu vô tuyến xác nhận bởi phần mềm SDR (Software - Defined Radio) cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn bằng cách dùng đa kênh đồng thời. Tổng đài chuyển mạch mạng 4G chỉ dùng chuyển mạch gói, do đó, giảm trễ thời gian truyền và nhận dữ liệu. 1.2 Tổng quan về công nghệ CDMA 1.2.1 Nguyên lý trải phổ (CDMA) Hệ thống truyền thông số được thiết kế để tối đa hoá dung lượng sử dụng.Từ nguyên tắc dung lượng kênh của Shannon được biểu diễn ở (1.1), hiển nhiên rằng dung lượng kênh có thể được tăng lên bằng cách tăng băng thông kênh. (1.1) Trong đó B là băng thông (Hz), C là dung lượng kênh (bit/s), S là công suất tín hiệu và N là công suất nhiễu.Do đó, đối với một tỷ số S/N cụ thể (Signal to Noise ratio:SNR), dung lượng sẽ được tăng lên nếu băng thông sử dụng để truyền thông tin được tăng lên.CDMA là một công nghệ trải phổ của tín hiệu băng hẹp thành tín hiệu băng rộng trước khi truyền.CDMA thường được gọi là Spread-Spectrum Multiple Access (SSMA). )1(log. 2 N SBC  Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 14 Tỷ số của băng thông truyền và băng thông dữ liệu được gọi là độ lợi xử lý Gp (cũng được gọi là hệ số trải phổ): Hoặc (1.2) Trong đó Bt là băng thông truyền, Bi là băng thông của tín hiệu mang thông tin, B là băng thông RF và R là tốc độ thông tin dữ liệu.Tỷ số S/N liên quan đến tỷ số Ec/N0, trong đó Eb là năng lượng của 1 bit, và N0 là mật độ phổ công suất nhiễu, điều này dẫn đến: (1.3) Do vậy, đối với yêu cầu Eb/N0 cố định, độ lợi xử lý cao thì tỷ số S/N phải nhỏ. Trong hệ thống CDMA đầu tiên IS 95, băng thông truyền là 1,25 MHz. Trong hệ thống WCDMA, băng thông truyền là khoảng 5 MHz. Trong CDMA, mỗi User được gán một chuỗi mã duy nhất (mã trải phổ) được sử dụng để trải tín hiệu băng hẹp thành tín hiệu băng rộng trước khi được truyền đi. Đối với máy thu, do biết đựơc chuỗi mã đối với mỗi User nên nó có thể giải mã phục hồi lại dữ liệu ban đầu. 1.2.2 Trải phổ và giải trải phổ Trải phổ và giải trải phổ là những hoạt động cơ bản nhất của hệ thống DS-CDMA, được đưa ra ở hình I.3. Dữ liệu ngừơi dùng ở đây được giả sử là điều chế BPSK với tốc độ chuỗi bit là R. Nguyên lý trải phổ là nhân mỗi bit dữ liệu người dùng với một chuỗi mã chu kỳ n bit, được gọi là chips.Ở đây, n=8, do đó hệ số trải phổ là 8.Dữ liệu sau khi trải phổ có tốc độ là 8 × R và nó có cùng dạng ngẫu nhiên giống như là mã trải phổ.Sự gia tăng tốc độ dữ liệu bằng hệ số 8 tương ứng với sự mở rộng phổ đang sử dụng của tín hiệu dữ liệu người dùng. Tín hiệu băng rộng sau đó sẽ được truyền đi thông qua một kênh vô tuyến đến đầu cuối nhận. i t p B BG  R BGp  p bb GI E BI RE N S 1 00     Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 15 Hình I.3 Trải phổ và giải trải phổ Trong giải trải phổ, tín hiệu cao tần nhận được từ máy thu sẽ được nhân trở lại với một chuỗi mã giống hệt như trong quá trình trải phổ.Như được hiển thị trên hình, dữ liệu người dùng ban đầu đã được phục hồi hoàn toàn. 1.2.3 Đa truy xuất Một mạng truyền thông di động là một hệ thống đa người dùng, trong đó một số lượng lớn người sử dụng cùng chia sẻ chung một tài nguyên vật lý để truyền và nhận thông tin.Khả năng đa truy xuất là một trong những thành phần cơ bản. Việc trải phổ tín hiệu được truyền cho một tính khả thi về đa truy xuất của hệ thống CDMA. Hình I.4 đưa ra ba công nghệ đa truy xuất khác nhau đó là : CDMA, TDMA, FDMA Hình I.4 Các công nghệ đa truy xuất Trong FDMA (Fequency Devision Multiple Access), các tín hiệu của các User khác nhau được truyền trong mỗi kênh khác nhau với một tần số điều chế khác nhau. Trong TDMA (Time Division Multiple Access), tín hiệu của các User khác nhau được truyền trong các khe thời gian khác nhau. Với hai công nghệ trên, số User tối đa có thể chia sẻ các kênh vật lý đồng thời là cố định. Tuy nhiên, trong CDMA, tín hiệu của các User khác nhau được truyền trên cùng một băng tần tại cùng một thời gian. Mỗi tín hiệu của User này như là nhiễu đối với tín hiệu của User khác và do đó dung lượng của hệ thống CDMA có mối liên quan chặt chẽ đến cấp độ nhiễu: không có số lượng tối đa Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 16 cố định, do đó, dung lượng giới hạn mềm được đưa vào sử dụng. Hình I.5 đưa ra một ví dụ về cách 3 User có thể truy xuất đồng thời trong một hệ thống CDMA. Tại đầu thu, User 2 thực hiện giải trải phổ tín hiệu thông tin của nó trở lại dạng tín hiệu băng hẹp, nhưng các User khác không làm được. Điều này là bởi mối tương quan chéo giữa mã của User chủ định và mã của các User khác là rất nhỏ: mạch dò chỉ đặt công suất của tín hiệu chủ định và một phần nhỏ tín hiệu từ các User khác vào trong băng thông thông tin. Độ lợi xử lý, cùng với bản chất băng rộng của quá trình xử lý đã đưa ra những lợi ích của hệ thống CDMA, như là dung lượng mềm và hiệu suất phổ cao. Tuy nhiên, tất cả những lợi ích này đòi hỏi việc sử dụng chuyển giao mềm và điều khiển công suất chặt chẽ để tránh tín hiệu của một User che khuất tín hiệu của User khác.Điều khiển công suất và chuyển giao mềm sẽ được giải thích chi tiết hơn ở các phần sau. Hình I.5 Nguyên lý đa truy xuất trải phổ 1.2.4 Các đặc điểm chính của công nghệ WCDMA WCDMA (Wideband CDMA) là công nghệ thông tin di động thế hệ ba giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA. Trong các công nghệ thông tin di động thế hệ ba thì WCDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình. WCDMA có các đặc điểm cơ bản sau : - Là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độ bit lên cao (lên đến 2 Mbps). - Tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóng mang 5 MHz, do đó hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao đem lại nhiều lợi ích như độ lợi đa phân tập. Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 17 - Hỗ trợ tốc độ người sử dụng thay đổi liên tục. Mỗi người sử dụng cung cấp một khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhưng tốc độ có thể thay đổi từ khung này đến khung khác. - Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD. Trong mô hình FDD sóng mang 5 MHz sử dụng cho đường lên và đường xuống, còn trong mô hình TDD sóng mang 5 MHz chia xẻ theo thời gian giữa đường lên và đường xuống. - WCDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễ dàng phát triển các trạm gốc vừa và nhỏ. - WCDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trên kênh hoa tiêu, do đó có thể nâng cao dung lượng và vùng phủ. - WCDMA được thiết kế dễ dàng nâng cấp hơn các hệ thống CDMA như tách sóng đa người sử dụng, sử dụng anten thông minh để nâng cao dung lượng và vùng phủ. - WCDMA được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng và dung lượng của mạng. - Lớp vật lý mềm dẻo dễ thích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang. - Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1 - Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến. Nhược điểm chính của W_CDMA là hệ thống không cho phép trong băng TDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu các môi trường làm việc khác nhau. Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA có thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2 Mbps. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đa điểm. Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cung cấp dễ dàng các dịch vụ mới như: điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa phương tiện khác. 1.3 Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: Radio Resource Management) 1.3.1 RRM trong mạng di động Radio Resource Management (RRM) trong mạng 3G có trách nhiệm cải thiện việc sử dụng các nguồn tài nguyên giao tiếp không gian.Các mục tiêu của RRM có thể được tóm tắt như sau:  Đảm bảo QoS đối với các ứng dụng khác nhau.  Duy trì vùng phủ sóng theo kế hoạch.  Tối ưu hoá dung lượng hệ thống. Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 18 Trong mạng 3G, tiền phân bố (pre-allocating) tài nguyên và quá kích thước (over-dimensioning) mạng là không khả thi bởi vì không dự đoán trước được sự cần thiết và các yêu cầu khác nhau của các dịch vụ khác nhau. Vì vậy, quản lý tài nguyên vô tuyến bao gồm 2 phần: cấu hình tài nguyên vô tuyến và tái cấu hình. Cấu hình tài nguyên vô tuyến có trách nhiệm phân bố tài nguyên một cách hợp lý khi có các yêu cầu mới vào hệ thống để mạng ổn định và không rơi vào tình trạng quá tải. Nhưng, sự tắc nghẽn có thể xảy ra trong mạng 3G bởi vì tính di động của người dùng, tái cấu hình tài nguyên vô tuyến chịu trách nhiệm phân bố lại tài nguyên trong mạng khi tải tăng lên hoặc tắt nghẽn bắt đầu xuất hiện. Nó có trách nhiệm điều chỉnh lại hệ thống quá tải một cách nhanh chóng và điều khiển trở lại tải mục tiêu. 1.3.2 Chức năng của RRM Quản lý tài nguyên vô tuyến có thể được chia thành các chức năng đó là điều khiển công suất, chuyển giao, điều khiển thâm nhập và điều khiển tải. Hình I.6 thể hiện các vị trí điển hình của RRM trong mạng WCDMA. Hình I.6 Các vị trí điển hình của RRM trong mạng WCDMA a) Điều khiển công suất (Power Control) Điều khiển công suất là một yếu tố cần thiết trong tất cả các hệ thống di động bởi các vấn đề về pin và các lý do an toàn, nhưng trong hệ thống CDMA, điều khiển công suất là điều cần thiết bởi bản chất nhiễu được giới hạn trong hệ thống CDMA. Trong GSM, điều khiển công suất chậm (tần số xấp xỉ 2 Hz) được triển khai.Trong IS-95 điều khiển công suất nhanh với tần số 800 Hz được hỗ trợ ở đường lên, nhưng ở đường xuống, một vòng điều khiển công suất tương đối chậm (xấp xỉ 50 Hz) điều khiển công suất truyền đi.Trong WCDMA, điều khiển công suất nhanh với tần số 1,5 kHz được hỗ trợ trong cả 2 đường lên và đường xuống. Điều khiển công suất nhanh và chặt chẽ là một trong những khía cạnh quan trọng của hệ thống WCDMA. Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 19 Các lý do để sử dụng điều khiển công suất là khác nhau đối với đường lên và đường xuống. Các mục tiêu của điều khiển công suất có thể được tóm tắt như sau:  Khắc phục hiệu ứng gần xa ở đường lên  Tối ưu hoá dung lượng hệ thống bằng cách điều khiển nhiễu  Tối đa hoá tuổi thọ pin của đầu cuối di động Hình I.7 cho thấy vấn đề gần xa ở hướng lên. Các tín hiệu từ các MS (mobile station) khác nhau được truyền đi đồng thời trên cùng một băng tần trong hệ thống WCDMA. Nếu không có điều khiển công suất, tín hiệu đến từ một MS ở gần BS nhất sẽ có thể chặn các tín hiệu từ các MS khác đang ở xa hoặc rất xa BS (Base station). Trong trường hợp xấu nhất một MS công suất quá cao có thể chặn toàn bộ các MS trong một cell. Giải pháp đưa ra là sử dụng điều khiển công suất để đảm bảo rằng các tín hiệu đến từ các đầu cuối khác nhau có cùng một công suất và SIR (Signal-to- interference Ratio) khi chúng đến trạm gốc BS. Hình I.7 Hiệu ứng gần xa (điều khiển công suất hướng lên) Ở hướng xuống, không có vấn đề gần xa trong viễn cảnh một MS ảnh hưởng đến nhiều MS khác.Điều khiển công suất có trách nhiệm bù nhiễu inter-cell mà các trạm di động phải chịu, đặc biệt là ranh giới giữa các cell gần nhau như trong hình I.8. Hơn nữa, điều khiển công suất ở hướng xuống có nhiệm vụ giảm thiểu nhiễu tổng để giữ giá trị QoS cho phép. Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 20 Hình I.8 Bù nhiễu inter-cell (điều khiển công suất hướng xuống) Trong hình I.8, mobile 2 phải chịu nhiễu inter-cell nhiều hơn mobile 1. Do đó, để đáp ứng cùng một mục tiêu chất lượng, phần công suất thêm vào cần thiết phải được phân bổ cho các kênh hướng xuống giữa BS và mobile 2. Có 3 kiểu điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA đó là: điều khiển công suất vòng hở, điều khiển công suất vòng đóng và điều khiển công suất vòng ngoài.  Điều khiển công suất vòng hở Điều khiển công suất vòng hở được sử dụng ở chế độ FDD UMTS dành cho thiết lập công suất ban đầu cho di động.Trạm di động ước tính suy hao đường truyền giữa trạm gốc và trạm di động bằng cách sử dụng một mạch điều khiển độ lợi tự động (AGC:Automatic Gain Control) để đo cường độ tín hiệu nhận được.Theo ước tính suy hao đường truyền đó, trạm di động có thể quyết định công suất truyền hướng lên. Điều khiển công suất vòng hở có hiệu quả trong hệ thống TDD bởi vì hướng lên và hướng xuống là đối ứng, nhưng nó không phải rất hiệu quả cho hệ thống FDD bởi các kênh hướng lên và hướng xuống hoạt động ở các dải tần khác nhau và fading Rayleigh ở đường lên và đường xuống là độc lập nhau. Vì vậy, điều khiển công suất vòng hở có độ chính xác không cao.Và đó là lý do tại sao nó chỉ được sử dụng như là để thiết lập công suất ban đầu trong hệ thống FDD.  Điều khiển công suất vòng kín Điều khiển công suất vòng kín, cũng còn được gọi là điều khiển công suất nhanh trong hệ thống WCDMA, có nhiệm vụ điều khiển công suất truyền của MS (hướng lên) hoặc của trạm gốc (hướng xuống) để chống lại fading của kênh vô tuyến và đáp ứng SIR mục tiêu thiết lập bởi vòng ngoài. Lấy ví dụ, ở hướng lên, trạm gốc so sánh SIR nhận được từ MS với SIR mục tiêu. Nếu SIR nhận được lớn hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC ‘0’ đến MS thông qua kênh điều khiển được chỉ định hướng xuống. Còn nếu SIR nhận được nhỏ hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC ‘1’ đến MS.Bởi vì tần số của điều khiển công suất vòng kín là rất lớn nên nó có thể bù fading nhanh cũng như fading chậm.Một ví dụ khác ở hướng xuống, MS sẽ căn cứ vào Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 21 SIR nhận được từ BS và sự điều khiển công suất từ trạm gốc, nó sẽ điều khiển công suất phát của nó một cách thích hợp.  Điều khiển công suất vòng ngoài Điều khiển công suất vòng ngoài là cần thiết để duy trì chất lượng của truyền thông tại mức độ yêu cầu bằng cách thiết lập giá trị mục tiêu cho điều khiển công suất vòng kín. Nó nhằm mục đích cung cấp chất lượng yêu cầu đó là không xấu và không tốt. Tần số của điều khiển công suất vòng ngoài điển hình là từ 10-100 kHz. Hình I.9 thể hiện các thuật toán chung của điều khiển công suất vòng ngoài. Hình I.9 Thuật toán chung của điều khiển công suất vòng ngoài Điều khiển công suất vòng ngoài so sánh chất lượng thu được với chất lượng yêu cầu. Thông thường chất lượng được định ngh ĩa như là một BER (Bit Error Rate) hoặc FER (Fame Error Rate) mục tiêu nhất định. Mối quan hệ giữa SIR mục tiêu và chất lượng mục tiêu phụ thuộc vào tốc độ di động và cấu hình đa đường. Nếu chất lượng nhận được là tốt, điều đó có nghĩa là SIR mục tiêu hiện tại đủ cao để đảm bảo QoS yêu cầu. Để giảm thiểu khoảng thừa, SIR mục tiêu sẽ được giảm. Tuy nhiên, nếu chất lượng thu được xấu hơn chất lượng yêu cầu, SIR mục tiêu cần phải được tăng lên để đảm bảo yêu cầu về QoS. b) Điều khiển chuyển giao (Handover control) Chuyển giao là một phần cần thiết của các hệ thống truyền thông di động tế bào. Tính di động là nguyên nhân dẫn đến những biến động về chất lượng đường dẫn và mức độ nhiễu trong hệ thống di động tế bào, đôi khi đòi hỏi một User cụ thể phải thay đổi trạm gốc dịch vụ của nó. Và sự thay đổi này được gọi là Chuyển Giao (Handover). Phần sau sẽ trình bày chi tiết hơn về vấn đề này. c) Điều khiển thâm nhập (Admission control) Nếu tải giao tiếp không gian được phép tăng quá mức thì vùng phủ sóng của Cell sẽ giảm xuống dưới giá trị mong muốn ( còn được gọi là “tế bào thở”) và QoS của các kết nối đang tồn tại sẽ không thể đảm bảo. Lý do của hiện tượng “tế bào thở” là vì Chất lượng nhận được tốt hơn chất lượng yêu cầu Đúng Sai Tăng SIR mục tiêu Giảm SIR mục tiêu Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 22 đặc tính giới hạn nhiễu của hệ thống CDMA. Do đó, trước khi nhận một kết nối mới, điều khiển thâm nhập cần phải kiểm tra rằng việc nhận kết nối mới đó sẽ không hi sinh đi vùng phủ sóng mục tiêu hoặc QoS của các kết nối đã tồn tại. Điều khiển thâm nhập sẽ chấp nhận hoặc từ chối một yêu cầu để thiết lập một đường bao truy xuất vô tuyến trong mạng truy xuất vô tuyến. Chức năng của điều khiển thâm nhập được đặt ở RNC, nơi mà có thể thu được thông tin tải của nhiều Cell. Giải thuật điều khiển thâm nhập ước tính sự tăng lên của tải để thiết lặp đường bao trong mạng truy xuất vô tuyến. Ước tính tải được đưa vào trong cả 2 hướng lên và hướng xuống. Đường bao yêu cầu chỉ có thể được chấp nhận nếu điều khiển thâm nhập trong cả 2 hướng chấp nhận nó, ngược lại nó sẽ bị từ chối bởi nhiễu thêm vào mạng là quá mức. Nói chung, các chiến lược điều khiển thâm nhập có thể được chia thành 2 loại đó là: chiến lược điều khiển thâm nhập dựa trên công suất băng rộng và chiến lược điều khiển thâm nhập dựa trên số lượng đưa vào. Hình I.10 đưa ra điều khiển thâm nhập dựa trên công suất băng rộng. Hình I.10 Đường cong tải Người sử dụng mới sẽ không được chấp nhận nếu kết quả mới của mức nhiễu tổng cao hơn giá trị ngưỡng: (1.4) : : _ _ thresholdoldtotal thresholdoldtotal IIIadmid IIIreject   Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 23 Giá trị ngưỡng giống như là mức tăng lớn nhất của nhiễu hướng lên và có thể được thiết lập bởi quy sự hoạch mạng vô tuyến. Trong chiến lược điều khiển thâm nhập dựa trên số lượng đưa vào, một User yêu cầu mới sẽ không được chấp nhận vào mạng truy xuất vô tuyến nếu kết quả mới của tải tổng cao hơn giá trị ngưỡng: (1.5) Cần lưu ý rằng chiến lược điều khiển thâm nhập được áp dụng riêng rẽ cho hướng lên và hướng xuống, các chiến lược điều khiển thâm nhập khác nhau có thể được sử dụng trong mỗi hướng. d) Điều khiển Tải (Điều khiển tắc nghẽn) Một nhiệm vụ quan trọng của chức năng quản lý tài nguyên vô tuyến đó là chắc chắn rằng hệ thống không bị quá tải và vẫn ổn định. Nếu hệ thống đúng mục tiêu, và điều khiển thâm nhập làm việc tốt thì tình trạng quá tải sẽ hiếm khi xảy ra. Tuy nhiên, trong mạng di động, tình trạng quá tải ở một vài nơi là không thể tránh khỏi bởi tài nguyên vô tuyến không thể được phân bổ trước trong mạng. Khi gặp phải tình trạng quá tải thì điều khiển tải (cũng được gọi là điều khiển tắc nghẽn) sẽ trả lại hệ thống một cách nhanh chóng và điều khiển trở lại tình trạng tải mục tiêu, được định nghĩa bởi sự quy hoạch mạng vô tuyến. Các công việc điều khiển tải để giảm bớt hoặc cân bằng tải được liệt kê bên dưới:  Từ chối các lệnh cấp nguồn hướng xuống nhận được từ MS.  Giảm tỷ số Ec/N0 mong muốn hướng lên được sử dụng bởi điều khiển công suất nhanh hướng lên.  Thay đổi kích cỡ vùng chuyển giao mềm để chứa nhiều User hơn.  Chuyển giao đến một sóng mang WCDMA khác.(inter-frequency handover)  Chuyển giao đến mạng chồng lấp khác(mạng UMTS hoặc mạng GSM khác)  Giảm tốc độ bit của người sử dụng thời gian thực, ví dụ mã hoá thoại AMR.  Giảm lưu lượng dữ liệu gói vào (dịch vụ không thời gian thực).  Rớt cuộc gọi trong cách điều khiển. Hai công việc đầu tiên trong danh sách là 2 thao tác nhanh được thực hiện trong BS. 2 thao tác có thể đặt trong 1 khe thời gian,với tần số 1,5 kHz và cung cấp độ ưu tiên cho các dịch vụ khác nhau. Giải pháp thứ 3, thay đổi kích cỡ vùng chuyển giao mềm đặc biệt hữu dụng trong mạng giới hạn hướng xuống và sẽ được thảo luận rõ hơn ở các chương sau. Các thao tác điều khiển tải khác đặc trưng chậm hơn.Chuyển giao inter- frequency và chuyển giao inter-system có thể khắc phục tình trạng quá tải bằng cách thresholdoldtotal thresholdoldtotal Ladmid Lreject     _ _ : : Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 24 cân bằng tải.Thao tác cuối cùng là rớt User thời gian thực (thoại hoặc User dữ liệu chuyển mạch kênh) để giảm tải. Công việc này chỉ được đưa vào nếu tải của toàn bộ mạng vẫn rất cao ngay cả khi đã đưa vào các thao tác điều khiển tải khác để giảm quá tải. Giao tiếp không gian WCDMA và sự gia tăng dự kiến của lưu lượng không thời gian thực trong mạng thế hệ thứ 3 đưa ra một sự lựa chọn lớn về các thao tác có thể để xử lý tình trạng quá tải, và vì vậy việc giảm tải bằng cách thực hiện rớt User thời gian thực là rất hiếm khi. Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 25 CHƯƠNG II: CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG 3G WCDMA 2.1 Tổng quan về chuyển giao trong mạng di động Trong mạng di động các thuê bao có thể truy nhập dịch vụ khi đang di chuyển hay nói cách khác mạng di động cung cấp tính tự do cho thuê bao trong một phạm di động nhất định. Tuy nhiên, tính tự do này mang đến sự không chắc chắn trong hệ thống di động. Tính di động của các thuê bao là nguyên nhân dẫn đến những biến động trong cả chất lượng đường dẫn và mức độ nhiễu, đôi khi đòi hỏi rằng một thuê bao cụ thể phải thay đổi trạm gốc dịch vụ của nó. Và thao tác này được gọi là chuyển giao (Handover:HO). Chuyển giao là một thành phần thiết yếu để đối phó với tính di động của thuê bao. Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ không dây khi thuê bao di động di chuyển qua các ranh giới tế bào. Trong hệ thống di động tế bào thế hệ thứ nhất như AMPS, chuyển giao là tương đối đơn giản. Trong hệ thống di động thế hệ thứ 2 như GSM và PACS thì chuyển giao được đưa lên một mức cao hơn ở nhiều hình thức bao gồm các giải thuật được sử dụng. Phức tạp hơn, các thủ tục quyết định chuyển giao và xử lý tín hiệu đã được tích hợp trong những hệ thống này và sự trì hoãn quyết định chuyển giao cũng được giảm thiểu đáng kể. Từ lúc công nghệ CDMA được giới thiệu, một ý tưởng khác đã được đề xuất để cải tiến quá trình chuyển giao, đó là chuyển giao mềm và đây là công việc trọng tâm trong luận án này. 2.1.1 Các kiểu chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA Có 4 kiểu chuyển giao khác nhau trong mạng di động WCDMA. Đó là:  Chuyển giao trong cùng một hệ thống ( Intra-system HO ) Chuyển giao trong cùng hệ thống có thể được chia thành chuyển giao cùng tần số và chuyển giao khác tần số. Chuyển giao cùng tần số xuất hiện giữa các cell thuộc cùng sóng mang WCDMA. Chuyển giao khác tần số xuất hiện giữa các cell hoạt động trên các tần số sóng mang khác nhau.  Chuyển giao ngoài hệ thống ( Inter-system HO ) Chuyển giao ngoài hệ thống xuất hiện giữa các Cell thuộc 2 công nghệ truy xuất vô tuyến (RAT) khác nhau hoặc các chế độ truy xuất khác nhau. Trường hợp được mong đợi thường gặp nhất trong kiểu thứ nhất đó là giữa hệ thống WCDMA và GSM/EDGE. Chuyển giao giữa các hệ thống CDMA khác nhau cũng thuộc kiểu chuyển giao này. Lấy một ví dụ về chuyển giao giữa các chế độ truy xuất khác nhau đó là giữa UTRA FDD và UTRA TDD.  Chuyển giao cứng ( Hard Handover:HHO ) Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 26 Chuyển giao cứng là một thể loại của các thủ tục chuyển giao, trong đó tất cả các kết nối cũ của một trạm di động được giải phóng trước khi một kết nối mới được thiết lặp. Đối với các kênh yêu cầu thời gian thực thì nó có nghĩa là ngắt một kết nối ngắn của kênh, còn đối với các kênh không yêu cầu thời gian thực thì HHO có nghĩa là không tổn hao. Chuyển giao cứng có thể đặt trong kiểu chuyển giao cùng tần số hoặc khác tần số.  Chuyển giao mềm ( SHO ) và chuyển giao mềm hơn ( Softer HO ) Chuyển giao mềm là chuyển giao giữa hai BS khác nhau, còn chuyển giao mềm hơn là chuyển giao giữa ít nhất 2 sector của cùng một BS. Trong suốt quá trình chuyển giao mềm, MS giao tiếp một cách tức thì với hai (chuyển giao hai đường) hoặc nhiều cell của các BS khác nhau thuộc cùng RNC (Intra-RNC) hoặc các RNC khác nhau (Inter-RNC). Trên đường xuống máy di động nhận hai tín hiệu với tỉ số kết hợp lớn nhất; ở đường lên, kênh mã hoá di động được phát hiện bởi cả hai BS (chuyển giao hai đường), và được gởi đến RNC cho việc lựa chọn kết hợp. Hai vòng điều khiển công suất tích cực tham gia vào quá trình chuyển giao mềm, mỗi vòng cho một BS. Trong trường hợp chuyển giao mềm hơn, MS được điều khiển ít nhất bởi hai sector của cùng BS, do đó RNC không được tham gia và chỉ có một vòng điều khiển công suất tích cực. Chuyển giao mềm và mềm hơn chỉ sử dụng một sóng mang, do đó chúng là các quá trình chuyển giao trong cùng một tần số. Hình II.1 cho thấy một vài viễn cảnh của các loại chuyển khác nhau. Hình II.1 Các viễn cảnh của các kiểu chuyển giao khác nhau 2.1.2 Các mục tiêu của chuyển giao Chuyển giao có thể được bắt đầu trong 3 cách khác nhau đó là: bắt đầu từ thuê bao di động, bắt đầu từ mạng và hỗ trợ thuê bao. Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 27  Bắt đầu từ thuê bao: thuê bao thực hiện các phép đo về chất lượng, lựa chọn trạm gốc tốt nhất, và chuyển mạch, với sự điều phối của mạng. Kiểu chuyển giao này thường được kích hoạt bởi các liên kết kém chất lượng được đo từ thuê bao.  Bắt đầu từ mạng: Trạm gốc thực hiện các phép đo và báo cáo về RNC để quyết định có nên chuyển giao hay không. Ngoài điều khiển đường dẫn vô tuyến, chuyển giao bắt đầu từ mạng còn được thực hiện bởi những lý do khác hơn, ví dụ như để điều khiển sự phân phối lưu lượng giữa các Cell. Chẳng hạn như chuyển giao vì lý do lưu lượng được điều khiển bởi trạm gốc (TRHO). Nếu tải của Cell nguồn vượt quá mức cho phép, và tải của một Cell lân cận thấp hơn một mức cho phép khác, thì khi đó Cell nguồn sẽ thu hẹp vùng phủ sóng của nó, chuyển giao một số lưu lượng đến Cell lân cận. Vì vậy, tỷ lệ chặn tổng thể có thể giảm, dẫn đến việc sử dụng tài nguyên Cell tốt hơn.  Hỗ trợ thuê bao: ở đây mạng và thuê bao đều thực hiện các phép đo. Thuê bao báo cáo các kết quả đo lường từ những trạm gốc gần đó và mạng sẽ thực hiện quyết định có nên chuyển giao hay không. Các mục tiêu của chuyển giao có thể được tóm tắt như sau:  Đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ không dây khi các thuê bao di động di chuyển qua các ranh giới của Cell.  Giữ QoS được yêu cầu  Giảm tối đa mức nhiễu của toàn hệ thống  Chuyển vùng giữa các mạng khác nhau  Phân phối tải từ các khu vực điểm nóng.(Cân bằng tải) Các yếu tố có thể được sử dụng để khởi xướng quá trình chuyển giao có đó là: chất lượng đường dẫn (hướng lên hoặc hướng xuống), sự thay đổi dịch vụ, thay đổi tốc độ, vì các lý do lưu lượng hoặc sự can thiệp của O&M (Operation and Maintenance). 2.1.3 Các thủ tục và phép đo chuyển giao Thủ tục chuyển giao có thể được chia thành ba giai đoạn: đo lường, quyết định và thực hiện, được minh hoạ trong hình II.2. Trong giai đoạn đo lường chuyển giao, các thông tin cần thiết để thực hiện quyết định chuyển giao được đo. Ở hướng xuống, trạm di động thực hiện các phép đo để đo tỷ số Ec/I0 của kênh hoa tiêu chung (CPICH: Common Pilot Channel) của Cell dịch vụ của nó và các Cell lân cận. Đối với một số loại chuyển giao nào đó, các phép đo khác là hết sức cần thiết. Lấy ví dụ trong mạng bất đồng bộ như UTRA FDD (WCDMA), thông tin định thời tương đối giữa các Cell cần được đo để điều chỉnh định thời truyền trong chuyển giao mềm để cho phép 1 sự kết hợp chặt chẽ ở máy thu Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 28 Rake. Tuy nhiên, việc truyền dẫn từ các trạm gốc khác nhau sẽ rất khó để kết hợp và đặc biệt là hoạt động điều khiển công suất trong chuyển giao mềm sẽ bị trì hoãn thêm. Hình II.2 Các thủ tục chuyển giao Trong giai đoạn quyết định chuyển giao, các kết quả đo lường được so sánh với ngưỡng được xác định trước đó và sau đó nó quyết định có bắt đầu thực hiện chuyển giao hay không. Các giải thuật chuyển giao khác nhau sẽ có các điều kiện kích hoạt khác nhau. Trong giai đoạn thực hiện, quá trình chuyển giao được hoàn thành và các thông số liên quan cũng được thay đổi tuỳ theo các kiểu chuyển giao khác nhau. Ví dụ, trong giai đoạn thực hiện của chuyển giao mềm, khi trạm di động vào hoặc rời bỏ trạng thái chuyển giao mềm thì một trạm gốc mới sẽ được đưa vào hoặc giải phóng, các cài đặt tích cực được cập nhật và công suất của mỗi kênh tham gia vào quá trình chuyển giao mềm được điều chỉnh. 2.2 Chuyển giao mềm (SHO) Chuyển giao mềm được giới thiệu bởi công nghệ CDMA. So với tiêu chuẩn chuyển giao cứng thì chuyển giao mềm có một số ưu điểm lợi thế hơn. Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm như sự phức tạp và sự tiêu thụ nguồn tài nguyên bổ sung. Việc quy hoạch tổng phí Chuyển giao mềm (soft handover overhead) là một trong những thành phần cơ bản của việc quy hoạch và tối ưu hoá mạng vô tuyến. Trong phần này sẽ trình bày các nguyên lý cơ bản của chuyển giao mềm. Đo lường thông tin cần thiết để quyết định chuyển giao.(vd: Ec/I0 của kênh CPICH của Cell dịch vụ và các Cell lân cận,thông tin định thời tương đối giữa các Cell. Thoả tiêu chuẩn chuyển giao Hoàn thành quá trình chuyển giao. Cập nhật các thông số liên quan. Giai đoạn đo lường Giai đoạn quyết định Giai đoạn thực hiện Yes No Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 29 2.2.1 Nguyên lý của chuyển giao mềm Chuyển giao mềm khác với quá trình chuyển giao cứng truyền thống. Với chuyển giao cứng, một quyết định xác định được thực hiện để chuyển giao hay không chuyển giao và trạm di động chỉ truyền thông với một trạm gốc tại thời gian đó. Còn với chuyển giao mềm, một quyết định có điều kiện được thực hiện để quyết định có chuyển giao hay là không. Tuỳ thuộc vào những thay đổi của cường độ tín hiệu kênh hoa tiêu từ 2 hoặc nhiều trạm gốc tham gia vào quá trình, một quyết định tốt nhất cuối cùng sẽ được thực hiện để truyền thông với một và chỉ một trạm gốc mà thôi. Và điều này thường xảy ra sau khi đã chắc chắn rằng tín hiệu đến từ trạm gốc được chọn mạnh hơn tín hiệu đến từ các trạm gốc khác. Trong chu kỳ chuyển tiếp của quá trình chuyển giao mềm, trạm di động truyền thông đồng thời với tất cả trạm gốc đang kết nối với nó. Sự khác nhau giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm giống như sự khác nhau giữa các cuộc thi bơi tiếp sức và chạy tiếp sức. Chuyển giao cứng xảy ra tại một điểm thời gian, trong khi đó chuyển giao mềm kéo dài trong một chu kỳ thời gian. Hình II.3 đưa ra quá trình cơ bản của chuyển giao cứng và chuyển giao mềm (trường hợp 2 đường). Giả sử có một đầu cuối di động bên trong chiếc xe hơi di chuyển từ Cell 1 đến Cell 2, BS1 là trạm gốc ban đầu của trạm di động. Trong khi di chuyển, trạm di động đo đồng thời cường độ tín hiệu kênh hoa tiêu nhận được từ các trạm gốc lân cận. Với chuyển giao cứng đưa ra ở hình II.3(a), việc kích hoạt được mô tả đơn giản như sau: If (pilot_Ec/I0)2 – (pilot_Ec/I0)1 > D và BS1 là BS dịch vụ Handover to BS2 Else Do not handover end Trong đó (pilot_Ec/I0)1 và (pilot_ Ec/I0)2 lần lượt là tỷ số Ec/I0 kênh hoa tiêu nhận được từ BS1 và BS2; D là số dự trữ trễ. Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 30 Hình II.3 Sự so sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm Lý do giới thiệu số dự trữ trễ D trong giải thuật chuyển giao cứng là để tránh tác động của hiện tượng “ping-pong” , là hiện tượng mà khi trạm di động di chuyển trong và ngoài biên giới của Cell, thì quá trình chuyển giao cứng thường xuất hiện. Ngoài tính di động của thuê bao, hiện tượng fading của kênh vô tuyến cũng làm cho tác động “ping-pong” càng trở nên nghiêm trọng hơn. Bằng việc giới thiệu số dự trữ trễ D, tác động của “ping-pong” sẽ giảm nhẹ hơn bởi khi đó trạm di động sẽ không chuyển giao ngay đến trạm gốc tốt hơn. Số dự trữ càng lớn thì tác động của hiện tượng “ping-pong” càng giảm. Tuy nhiên, nếu số dự trữ lớn thì điều đó cũng đồng nghĩa với độ trì hoãn tăng. Hơn nữa, trạm di động cũng gây thêm nhiễu đối với các Cell lân cận do các kết nối chất lượng kém suốt trong thời gian trì hoãn. Do đó, đối với chuyển giao cứng thì số dự trữ trễ D là khá quan trọng. Khi quá trình chuyển giao cứng xuất hiện, kết nối lưu lượng ban đầu với BS1 sẽ bị rớt trước khi thiết lặp một kết nối mới với BS2 và cũng vì lý do đó mà ta nói chuyển giao cứng là một quá trình “Break before make” có nghĩa là “ngắt trước khi nối”. Trong trường hợp chuyển giao mềm, được đưa ra ở hình II.3(b), trước khi (pilot_ Ec/I0)2 vượt quá (pilot_Ec/I0)1,chỉ cần điều kiện kích hoạt chuyển giao mềm được thoả mãn thì trạm di động sẽ vào trạng thái chuyển giao mềm và một kết nối mới được thiết lặp. Trước khi BS1 bị rớt (điều kiện rớt chuyển giao được thoả mãn) thì trạm di động sẽ truyền thông đồng thời với cả BS1 và BS2. Vì vậy, không giống như chuyển giao cứng, chuyển giao mềm là một quá trình “nối trước ngắt sau” hay người ta còn gọi là “make before break”. Cho đến nay, một số thuật toán đã được đề xuất để Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 31 hỗ trợ chuyển giao mềm và các tiêu chuẩn khác nhau được sử dụng trong các thuật toán khác nhau. Quá trình chuyển giao mềm là không giống nhau trong các hướng truyền khác nhau. Hình II.4 minh hoạ cho điều đó. Ở hướng lên, trạm di động truyền tín hiệu đến không gian thông qua ăngten đẳng hướng của nó. Hai trạm gốc đang kết nối với nó có thể nhận được tín hiệu một cách đồng thời bởi hệ số tái sử dụng tần số của một trong những hệ thống CDMA. Sau đó, những tín hiệu này sẽ được truyền thẳng tới RNC để thực hiện kết hợp lựa chọn. Khung nào tốt hơn sẽ được chọn và khung kia sẽ bị bỏ đi. Do đó, ở hướng lên, không có kênh bổ sung cần thiết để hỗ trợ cho quá trình chuyển giao mềm. Hình II.4 Nguyên lý chuyển giao mềm (trường hợp 2 đường) Ở hướng xuống, cả 2 BS sẽ cùng truyền các tín hiệu giống nhau đến trạm di động, và khi trạm di động nhận thấy chúng thì nó có thể kết hợp một cách dễ dàng các tín hiệu này. Thông thường, chiến lược kết hợp tỷ lệ tối đa sẽ được sử dụng để cung cấp một lợi ích bổ sung được gọi là phân tập đa dạng. Tuy nhiên, để hỗ trợ cho quá trình chuyển giao ở hướng xuống thì cần ít nhất một kênh hướng xuống bổ sung (SHO 2 đường). Kênh hướng xuống bổ sung này tác động đến các User khác giống như nhiễu bổ sung trong giao tiếp không gian. Vì vậy, để hỗ trợ cho quá trình chuyển giao mềm ở hướng xuống thì yêu cầu phải có thêm tài nguyên. Và kết quả là,ở hướng xuống, hiệu suất của quá trình chuyển giao mềm phụ thuộc vào sự cân bằng giữa độ lợi phân tập đa dạng (macrodiversity) và sự tiêu thụ nguồn tài nguyên bổ sung. 2.2.2 Thuật toán chuyển giao mềm Thuật toán có một tầm ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của quá trình chuyển giao mềm. Hình II.5 đưa ra thuật toán chuyển giao mềm của IS-95A (cũng còn được gọi là thuật toán CDMAone cơ bản) Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 32 Hình II.5 Thuật toán chuyển giao mềm của IS-95A Trong hình:  The Active set (Tập tích cực): là danh sách các Cell mà hiện đang kết nối với trạm di động.  The Candidate set (Tập ứng cử): là danh sách các Cell mà hiện không được sử dụng trong kết nối chuyển giao mềm, nhưng các giá trị Ec/I0 kênh pilot của chúng là đủ mạnh để được bổ sung vào tập tích cực.  The neighbouring set ( Tập lân cận): là danh sách các Cell mà tram di động đo lường liên tục, nhưng các giá trị Ec/I0 kênh pilot của chúng không đủ mạnh để bổ sung vào tập tích cực. Trong IS-95A, ngưỡng chuyển giao là một giá trị Ec/I0 cố định nhận được từ kênh hoa tiêu. Nó rất dễ thực hiện, nhưng lại gặp nhiều khó khăn khi phải đối mặt với những thay đổi tải động. Dựa trên thuật toán IS-95A, nhiều biến đổi của thuật toán cdmaOne với tính năng động hơn ngưỡng cố định đã được đề xuất cho hệ thống IS- 95B và cdma2000. Trong WCDMA sử dụng các thuật toán phức tạp hơn, được minh hoạ như trên hình II.6 Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 33 Hình II.6 Thuật toán chuyển giao mềm WCDMA Thuật toán chuyển giao mềm WCDMA có thể được mô tả như sau:  Lúc đầu. Chỉ có ô 1 và ô 2 nằm trong tập tích cực  Tại sự kiện A. (Ec/I0)P-CPICH3 > (Ec/I0)P-CPICH1 - (R1a-H1a/2) trong đó (Ec/I0)P-CPICH1 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh hoa tiêu của ô 1 mạnh nhất, (Ec/I0)P-CPICH3 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh hoa tiêu của ô 3 nằm ngoài tập tích cực và R1a là hằng số dải báo cáo (do RNC thiết lập, H1a/2 là thông số trễ và (R1a-H1a/2) là cửa sổ kết nạp cho sự kiện 1a. Nếu bất đẳng thức này tồn tại trong khoảng thời gian ΔT thì ô 3 được kết nạp vào tập tích cực  Tại sự kiện C. (Ec/I0)P-CPICH4 > (Ec/I0)P-CPICH2 +H1c/2, trong đó (Ec/I0)PCPICH4 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của ô 4 nằm ngoài tập tích cực và (Ec/I0)PCPICH2 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của ô 2 tồi nhất trong tập tích cực, H1C là thông số trễ. Nếu quan hệ này tồn tại trong thời gian ΔT và tập tích cực đã đầy thì ô 2 bị loại ra khỏi tập tích cực và ô 4 sẽ thế chỗ của nó trong tập tích cực  Tại sự kiện B. (Ec/I0)P-CPICH1 < (Ec/I0)P-CPICH3- (R1b+H1b/2) trong đó (Ec/I0)P-CPICH1 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh hoa tiêu của ô 1 yếu nhất trong tập tích cực, (Ec/I0)P-CPICH3 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của ô 3 mạnh nhất trong tập tích cực, R1b hằng số dải báo cáo (do RNC thiết lập), H1b/2 là thông số trễ và (R1b+H1b/2) là cửa sổ loại cho Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 34 sự kiện 1B. Nếu quan hệ này tồn tại trong khoảng thời gian ΔT thì ô 3 bị loại ra khỏi tập tích cực Trong thuật toán WCDMA, người ta sử dụng ngưỡng tương đối chứ không sử dụng ngưỡng tuyệt đối. So với IS-95A, lợi ích lớn nhất của giải thuật này đó là sự biểu diễn tham số một cách dễ dàng, và nhờ có các giá trị ngưỡng tương đối nên không yêu cầu bất kỳ một sự thay đổi tham số nào đối với các khu vực có nhiễu cao và thấp. Hầu hết công việc trong luận án này đều dựa trên thuật toán chuyển giao mềm WCMDA. 2.2.3 Đặc điểm của chuyển giao mềm So với chuyển giao cứng truyền thống thì chuyển giao mềm cho thấy những ưu điểm rõ ràng hơn, ví dụ như là loại bỏ hiện tượng “ping pong” và làm cho đường truyền dẫn liên tục hơn, không bị gẫy khúc. Không có hiện tượng “ping pong” có nghĩa là số lượng tải trên mạng báo hiệu thấp hơn và với chuyển giao mềm cũng sẽ không bị mất dữ liệu do sự phá vỡ truyền dẫn tạm thời (xảy ra trong chuyển giao cứng). Ngoài lý do xử lý tính di động của thuê bao, còn có một lý do khác nữa để thực hiện chuyển giao mềm trong CDMA; đó là sử dụng nó như một cơ chế để giảm nhiễu (được thực hiện cùng với điều khiển công suất). Hình II.7 đưa ra 2 viễn cảnh. Ở viễn cảnh thứ nhất (hình a), điều khiển công suất được sử dụng. Ở viễn cảnh thứ 2 (hình b), điều khiển công suất và chuyển giao mềm đều được hỗ trợ. Giả sử rằng trạm di động đang di chuyển từ BS1 đến BS2. Tại vị trí đang xét, tín hiệu nhận được từ BS2 mạnh hơn từ BS1 điều này có nghĩa là BS2 tốt hơn BS1. Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 35 Hình II.7 Giảm nhiễu hướng lên bằng cách sử dụng SHO Ở hình (a), vòng điều khiển công suất làm tăng công suất truyền của trạm di động để đảm bảo QoS ở hướng lên khi trạm di động di chuyển ra xa trạm gốc dịch vụ của nó (BS1). Ở hình (b), trạm di động đang trong trạng thái chuyển giao mềm và cả 2 trạm gốc truyền thông một cách đồng thời với trạm di động, các tín hiệu thu được sau đó được trạm gốc truyền thẳng tới RNC để thực hiện kết hợp. Ở hướng lên, việc kết hợp lựa chọn được sử dụng trong chuyển giao mềm, khung nào mạnh nhất sẽ được chọn và khung yếu hơn sẽ bị xoá bỏ đi. Bởi vì BS2 tốt hơn BS1 nên để đạt được cùng một QoS mong muốn thì yêu cầu công suất truyền của trạm di động ở hình (b) phải nhỏ hơn so với hình (a). Vì vậy, nhiễu góp vào hệ thống bởi trạm di động ở hướng lên sẽ thấp hơn bởi quá trình chuyển giao mềm luôn luôn giữ cho trạm di động liên kết với BS tốt nhất. Ở hướng xuống thì có vẻ phức tạp hơn, mặc dù tỷ lệ kết hợp tối đưa ra một độ lợi về phân tập đa dạng nhưng cũng cần thiết phải hỗ trợ thêm kênh hướng xuống bổ sung vào quá trình chuyển giao mềm. Có thể tóm tắt các đặc điểm chính của chuyển giao mềm như sau:  Ưu điểm  Giảm hiện tượng “ping-pong”, từ đó dẫn tới giảm tổng phí và số lượng tải trên mạng báo hiệu Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 36  Truyền dẫn liên tục, không xảy ra gián đoạn suốt trong quá trình chuyển giao mềm.  Không có số dự trữ trễ, dẫn tới độ trì hoãn thấp hơn.  Giảm nhiễu hướng lên, dẫn đến: chất lượng truyền thông tốt hơn cho một số lượng người dùng nhất định đồng thời tăng số lượng người dùng với cùng một Qos yêu cầu.  Các ràng buộc về thời gian trên mạng ít hơn, điều này có nghĩa là thời gian xếp hàng để có được một kênh mới từ BS mong muốn sẽ dài hơn, giúp cho xác suất chặn và rớt cuộc gọi giảm đi.  Nhược điểm  Phức tạp hơn trong việc thực hiện quá trình chuyển giao cứng  Cần phải bổ sung thêm nguồn tài nguyên mạng ở hướng xuống ( tài nguyên về mã và công suất ) Báo cáo tốt nghiệp Chương III: Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn và cấp hệ thống SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 37 CHƯƠNG III : PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CẤP ĐƯỜNG DẪN VÀ CẤP HỆ THỐNG 3.1 Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn 3.1.1 Phân tích nhiễu hướng xuống Tổng quan Như đã đề cập trong chương 1, các hệ thống CDMA là các hệ thống giới hạn nhiễu và do đó việc đánh giá nhiễu là một trong những thủ tục cơ bản để phân tích hệ thống CDMA. Nhiễu tổng được trải nghiệm bởi trạm di động có thể được chia thành 2 phần đó là : nhiễu trong cùng một Cell(intra-Cell) và nhiễu giữa các Cell khác nhau(inter-Cell). Ở hướng lên, xét một trạm di động nào đó thì nhiễu intra-Cell đến từ tất cả những trạm di động khác được phục vụ bởi cùng một trạm gốc; đối với nhiễu inter- Cell thì bao gồm tất cả những tín hiệu thu được từ tất cả các trạm di động trong các Cell lân cận khác ngoại trừ Cell dịch vụ của trạm di động. Do đó, ở hướng lên, nhiễu có liên quan đến việc phân phối tải trong mạng chứ không liên quan đến vị trí của chính trạm di động đó. Hình III.1 Nhiễu hướng lên Ở hướng xuống, được đưa ra trên hình III.2, nhiễu intra-Cell của một trạm di động nào đó đến từ chính trạm gốc dịch vụ của nó: loại nhiễu này là do mất một phần tính trực giao giữa các User do hiệu ứng đa đường. WCDMA sử dụng các mã trực giao khác nhau ở hướng xuống đối với các User riêng biệt và không có bất kỳ một sự lan truyền đa đường nào cũng như không có nhiễu intra-Cell khi tính trực giao vẫn còn. Thông thường, tính trực giao nằm giữa 0,4 đến 0,9 (trường hợp lý tưởng là bằng 1). Nhiễu intra-Cell trong thực tế bao gồm một phần công suất của các kênh điều khiển chung và các kênh lưu lượng hướng xuống đối với các User khác trong cùng một Cell. Nhiễu inter-Cell là công suất nhận được của trạm di động từ tất cả các trạm gốc lân cận khác ngoại trừ trạm gốc dịch vụ của nó. Bởi vì trong chế độ FDD WCDMA, các Báo cáo tốt nghiệp Chương III: Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn và cấp hệ thống SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 38 trạm gốc là không đồng bộ, nên tính trực giao không có tác dụng trong nhiễu inter- Cell, vì vậy có sự xuất hiện của nhiễu inter-Cell. Hình III.2 Nhiễu hướng xuống Bởi vì các nguồn nhiễu được cố định bởi những trạm gốc ở hướng xuống, nên đối với một trạm di động nào đó thì luôn xuất hiện nhiễu hướng xuống đến vị trí của nó. a) Nhiễu intra-Cell và nhiễu inter-Cell Đối với một MS tại khoảng cách r từ trạm gốc dịch vụ của nó, sự suy giảm lan truyền là tỷ lệ với: Trong đó, α là độ mất đường dẫn với giá trị điển hình là 4; ζ (dB) có phân bố Gaussian, biểu diễn sự suy giảm do hiệu ứng màn chắn, với trung bình 0 và một độ lệch chuẩn σ độc lập với khoảng cách; nó khoảng từ 5 đến 12 với một giá trị điển hình 8-10dB đối với macroCell. Xét trạm di động được đặt tại vị trí (r1,θ1) trong hình III.2, giả sử rằng BS1 là trạm gốc dịch vụ của nó. Khi đó nhiễu intra-Cell hướng xuống Iintra-Cell nhận được từ BS1 có thể được biểu diễn là: (3.1) Trong đó PT1 là công suất truyền tổng của BS1 ; a là hệ số trực giao hướng xuống (bằng 1 đối với trực giao lý tưởng và bằng 0 đối với không trực giao). Bởi vì cả nhiễu intra-Cell và tín hiệu mong muốn đều được truyền từ một nguồn, nên chúng chịu cùng một sự suy giảm.Vì vậy, không cần thiết phải sử dụng điều khiển công suất trong một hệ thống Cell riêng lẻ. Nhiễu inter-Cell Iinter-Cell có thể được biểu diễn như sau: 1010.),(    rrL 10 11int 1 10)1(     raPI Tcellra Báo cáo tốt nghiệp Chương III: Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn và cấp hệ thống SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 39 (3.2) Trong đó PTi là công suất truyền tổng của BSi ; ri là khoảng cách từ trạm di động đến BSi ; M là chỉ số của các trạm gốc gây nhiễu inter-Cell. Về lý thuyết, nhiễu inter- Cell đến từ tất cả các trạm gốc xung quanh ngoại trừ trạm gốc dịch vụ. Ở đây, chỉ có các trạm gốc thuộc lớp thứ nhất và lớp thứ hai được sử dụng bởi vì công suất nhận được từ những trạm gốc bên ngoài lớp thứ 2 là không đáng kể. Từ (3.1), có thể thấy được rằng nhiễu intra-Cell dựa vào khoảng cách từ trạm di động đến trạm gốc dịch vụ của nó ,r1, nhưng nó không phụ thuộc vào θ1 . Tuy nhiên, nhiễu inter-Cell lại không những phụ thuộc vào r1 mà còn phụ thuộc vào θ1 bởi khoảng cách từ trạm di động đến các trạm gốc khác, ri , là một hàm số của r1 và θ1. (3.3) Rõ ràng rằng đối với một trạm di động nào đó, nhiễu hướng xuống có mối quan hệ chặt chẽ với vị trí của trạm di động. Điều này là bởi các nguồn nhiễu được cố định bởi những trạm gốc ở hướng xuống. Giả sử rằng tải trong hệ thống được phân bố một cách thống nhất và công suất truyền tổng của mỗi trạm gốc là giống nhau, ký hiệu là PT, (3.2) có thể được viết lại thành: (3.4) Trong đó, hệ số χ cung cấp cho ta một phép đo về nhiễu inter-Cell với công suất truyền tổng BS. χ có mối quan hệ với vị trí của trạm di động. Ở đây, bán kính Cell được tiêu chuẩn hoá đến 1. Hình III.3 cho thấy ý nghĩa của χ đối với các trạm di động tại các vị trí khác nhau trong cùng một Cell lục giác. Trục x-y biểu diễn vị trí của trạm di động và trục z biểu diễn giá trị của χ . Bởi vì bán kính Cell R được tiêu chuẩn hoá đến 1 nên χ không phải là giá trị thực tế của tỷ số nhiễu inter-Cell với PT nhưng mức nhiễu inter-Cell tương đối được trải nghiệm bởi các trạm di động tại các vị trí khác nhau.      M i iTiceller i rPI 2 10 int 10                   19,....11,9 6/)8(cos3..2)3( 18,....10,8 6/)8(cos32..2)32( 72 3/)2(cos3..2)3( 11 22 1 11 22 1 11 22 1 iiRrRr iiRrRr iiRrRr ri         M i T celler TiTceller P IPrPI 2 int10 int .10 1    Báo cáo tốt nghiệp Chương III: Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn và cấp hệ thống SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 40 Hình III.3 χ ,Nhiễu inter-Cell hướng xuống tương đối Rõ ràng là nhiễu inter-Cell có mối quan hệ chặt chẽ với vị trị trạm di động, không chỉ có khoảng cách r mà còn phụ thuộc cả vào góc θ. Các trạm di động ở gần biên giới Cell ( cả góc và cạnh ) sẽ nhận được nhiễu inter-Cell lớn nhất. Biểu diễn khu vực ở gần có (r = R, θ = 30º) như là góc của Cell và khu vực ở gần có (r =       2 3 R, θ = 0º) như là cạnh của Cell. Trong hình a, σ = 0dB, chỉ có thành phần tổn hao đường dẫn. Trong hình b, σ = 8dB thì bao gồm cả các tác động của sự che khuất và ý nghĩa của χ cũng được tính toán. Và cũng có thể thấy được rằng sự che khuất nó sẽ làm tăng giá trị nhiễu trung bình. Bỏ qua nhiễu nhiệt, tỷ số của nhiễu inter-Cell và nhiễu intra-Cell, ký hiệu là η có thể được biểu diễn là: (3.5) Hình III.4 cho thấy ý nghĩa của tỷ số nhiễu inter-Cell và intra-Cell đối với các trạm di động tại các vị trí khác nhau trong một Cell lục giác. Khi không có sự che khuất trên vùng phủ sóng, thì giá trị của nhiễu inter-Cell sẽ gấp khoảng 5,5 lần so với nhiễu intra-Cell đối với các User ở gần góc của Cell lục giác. Sự che khuất làm cho giá trị trung bình của η tăng đến 32. Như đã đề cập ở Chương 1 ( phần 1.3.2), nhiễu inter- Cell là nguyên nhân chính để sử dụng điều khiển công suất ở hướng xuống và nó đặc biệt quan trọng đối với các User ở gần góc Cell lục giác của các hệ thống đa Cell. a r r raP rP I I M i i T M i iT cellra celler ii              1 10)( 10)1( 10 2 10 )( 1 10 1 2 10 int int 1 1        Báo cáo tốt nghiệp Chương III: Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn và cấp hệ thống SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 41 Hình III.4 η, Tỷ số nhiễu inter-Cell và intra-Cell Hình III.5 biểu diễn độ nhạy của các hệ số χ và η với các thông số vô tuyến khác nhau: trục x biểu diễn khoảng cách từ trạm di động đến trạm gốc dịch vụ của nó, α là độ mất đường dẫn; σ là độ lệch chuẩn của sự che khuất và a là hệ số trực giao hướng xuống. Hình III.5 Độ nhạy của nhiễu hướng xuống tương đối với các thông số vô tuyến Trong hình III.5, ta thấy khi khoảng cách từ MS đến trạm gốc dịch vụ tăng sẽ dẫn đến cả χ và η cũng tăng theo, điều này là dễ hiểu bởi cả χ và η đều phụ thuộc vaò r1,.Tại 1 vị trí nhất định, xét 2 đường cong có cùng α = 4 và σ = 8, do χ độc lập với a nên tương ứng với 2 giá trị a khác nhau (a = 0.6 và a = 0.9) thì 2 đường cong vẫn trùng nhau còn với η thì đường cong nào có a lớn hơn sẽ có η cao hơn. Lấy 1 dẫn chứng khác, xét 2 đường cong xanh dương và xanh lam trong cả 2 hình, đường cong nào có σ cao hơn thì sẽ có χ và η lớn hơn (do sự gia tăng của σ là lớn hơn của α). Qua đó, ta có thể thấy được rằng cà χ và η đều rất nhạy với sự thay đổi của các thông số liên quan (σ, α, a, r1…). Báo cáo tốt nghiệp Chương III: Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn và cấp hệ thống SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 42 Vì trong chế độ FDD WCDMA, các trạm gốc là không đồng bộ với nhau nên tính trực giao không cải thiện được nhiễu inter-Cell, vì vậy hệ số trực giao a chỉ tác động đến η. Khi tính trực giao giữa các kênh hướng xuống trong cùng một trạm gốc được duy trì tốt thì nhiễu intra-Cell có thể được giảm bớt. Một vài điểm cần lưu ý nữa đó là độ mất đường dẫn càng lớn sẽ tương ứng với nhiễu inter-Cell càng thấp và sự che khuất sẽ làm tăng nhiễu inter-Cell và tỷ số nhiễu tương đối. b) Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hướng xuống Để đảm bảo QoS, trạm gốc cần phân bổ giá trị công suất đến mỗi trạm di động một cách hợp lý để bù cho sự can nhiễu. Nếu trạm di động không ở trong trạng thái chuyển giao mềm, như trạm di động 1 đưa ra trong hình III.6(a) thì chỉ duy nhất có một kênh hướng xuống được thiết lập giữa trạm di động và trạm gốc dịch vụ của nó là BS1.Theo yêu cầu dịch vụ và nhiễu hướng xuống tổng nhận được bởi mobile 1 (ký hiệu là I0) thì công suất P được phân bổ trên kênh hướng xuống giữa trạm di động và trạm gốc. Kênh này hoạt động như là nhiễu inter-Cell và nhiễu intra-Cell đến mobile 2 và mobile 3 tương ứng. Nếu mobile 1 đang ở trong trạng thái chuyển giao mềm thì nó sẽ truyền thông đồng thời với cả 2 trạm gốc BS1 và BS2. Khi đó 2 kênh dành riêng hướng xuống được thiết lập để hỗ trợ cho quá trình chuyển giao mềm, được đưa ra trên hình III.6(b). Trong hình, P1 và P2 lần lượt là công suất được phân bổ cho các kênh từ trạm gốc BS1 và BS2 tương ứng. P1 tác động như là nhiễu intra-Cell đối với mobile 2 và nhiễu inter- Cell đối với mobile 3, còn P2 thì tác động như là nhiễu inter-Cell đối với mobile 2 và nhiễu intra-Cell đối với mobile 3. Hình III.6 Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hướng xuống So sánh 2 trường hợp thì ta thấy những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hướng xuống là khá phức tạp. Khi không có chuyển giao mềm, thì mobile 1 góp Báo cáo tốt nghiệp Chương III: Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn và cấp hệ thống SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 43 một phần công suất P đến nhiễu hướng xuống tổng. Khi có chuyển giao mềm, thì sự góp phần này sẽ bao gồm cả P1 và P2. Sự gia tăng nhiễu do mobile 1 sẽ ảnh hưởng đến các trạm gốc tích cực khác trong hệ thống: tất cả các trạm gốc này cần điều chỉnh công suất kênh của chúng để đáp ứng được những thay đổi về nhiễu. Điều này bù lại sẽ làm thay đổi mức nhiễu tổng mà mobile 1 nhận được, kết quả là sự thay đổi của P hoặc P1 và P2 (trường hợp SHO). Sự tuần hoàn này sẽ lặp đi lặp lại cho đến khi hệ thống đạt đến một sự cân bằng mới. Trong các hệ thống CDMA, điều khiển công suất có trách nhiệm đối với việc điều chỉnh này. Bởi các đặc tính giới hạn nhiễu nên trong các hệ thống CDMA, sự chịu đựng nhiễu thấp luôn luôn là nguyên lý chính của sự phận bố tài nguyên vô tuyến. Do đó, quá trình chuyển giao mềm có dẫn đến mức nhiễu thấp hơn chuyển giao cứng thông thường hay không, còn phụ thuộc chặt chẽ vào giá trị của P, P1 và P2 . Những giá trị công suất này liên quan đến các sự kiện nhất định, như là vị trí của trạm di động, sự suy giảm kênh vô tuyến và chiến lược phân chia công suất được sử dụng trong quá trình chuyển giao mềm. 3.1.2 Sự phân bố công suất hướng xuống Sự phân bố công suất là một thủ tục rất quan trọng đối với các hệ thống CDMA. Công suất truyền tổng của trạm gốc được chia thành 2 phần: một phần là dành cho các kênh điều khiển chung hướng xuống, như là kênh hoa tiêu chung (CPICH) và kênh đồng bộ (SCH) và phần công suất còn lại được phân bổ cho các User như là các kênh hướng xuống dành riêng. Thông thường, phần công suất dành cho các kênh điều khiển chung chiếm khoảng 20 đến 30% công suất truyền tổng của trạm gốc. Để tối thiểu hoá can nhiễu và sự tiêu thụ tài nguyên vô tuyến, thì hệ thống cố gắng phân bố cùng một lượng công suất thấp nhất có thể đến mỗi kênh dành riêng đối với các User riêng rẽ, nhưng điều này là độc lập với yêu cầu QoS. Dưới sự điều khiển công suất hướng xuống một cách hoàn hảo, thì tỷ số năng lượng bit trên mật độ phổ công suất nhiễu Eb/I0 nhận được của các trạm di động sẽ được giữ ở giá trị mong muốn. Khi trạm di động chỉ được kết nối với một trạm gốc,thì chỉ có một kênh dành riêng hướng xuống là tích cực đối với trạm di đông này, nhưng khi trạm di động đang ở trạng thái chuyển giao mềm, thì có ít nhất 2 trạm gốc được tham gia vào sự phân bố công suất. Và cả 2 tình huống này sẽ được phân tích riêng rẽ ở phần sau. a) Phân bố công suất không có SHO Vẫn sử dụng vị trí tại (r1,θ1) của trạm di động được đưa ra ở hình III.2. Khi không có chuyển giao mềm, trạm di động chỉ truyền thông với duy nhất một trạm gốc tại một thời điểm. Giả sử rằng BS1 là trạm gốc dịch vụ của nó, tỷ số Eb/I0 nhận được của trạm di động có thể được biểu diễn là: (3.6)       19 2 1010 11 10 1 0 11 1 1010)1( 10 R i iTiT sb rPraP rPW I E        Báo cáo tốt nghiệp Chương III: Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn và cấp hệ thống SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 44 Trong đó, W là tốc độ chip; R là tốc độ bit dịch vụ; ν là hệ số hoạt động; ở đây không quan tâm đến nhiễu nhiệt. Vì vậy, để giữ giá trị QoS mong muốn, thì công suất truyền yêu cầu của kênh hướng xuống Ps có thể được suy ra từ (3.6) là: (3.7) Trong đó (Eb/I0)t là giá trị mong muốn của Eb/I0 . Giá trị của Eb/I0 được quyết định bởi RNC. Theo BER, RNC có thể thay đổi giá trị mong muốn để duy trì QoS. Giả định rằng tải được phân phối đồng đều trên toàn hệ thống, tất cả các trạm gốc truyền cùng một giá trị công suất. Ps có thể được viết lại là: (3.8) Hệ số β1 biểu diễn cường độ tương đối của công suất yêu cầu đối với trạm di động tại vị trí (r1,θ1) mà không có chuyển giao mềm. b) Phân bố công suất với SHO Khi một trạm di động đang ở trong trạng thái chuyển giao mềm, tất cả các trạm gốc nằm trong tập tích cực cần phân bố công suất một cách thích hợp đối với các kênh hướng xuống được liên kết với trạm di động đó. Ở đây, chuyển giao mềm 2 đường và 3 đường được tham chiếu một cách riêng rẽ.  SHO 2 đường Với SHO 2 đường, giả sử rằng BS1 và BS2 là 2 trạm gốc dịch vụ của trạm di động, tín hiệu mong muốn từ 2 trạm gốc này được tổng hợp với nhau. Các mô hình tổng hợp khác nhau có thể được sử dụng, nhưng như với hầu hết các phần trước đó trong luận án này thì tỷ số tổng hợp tối đa được sử dụng ở đây. Tỷ số Eb/I0 nhận được của trạm đi động có thể được biểu diễn là: (3.9)                  19 2 10 )( 1 1 0 1 10)()1( i i TiT t b s i r rPaP I E W RP   TT i i t b s PPr ra I E W RP i ..10)(1 1 19 2 10 )( 10 1                                                         19 2,1 1010 22 10 22 19 2 1010 11 10 11 20100 1010)1( 10 1010)1( 10 2 2 1 1 jj jTjT s i iTiT s bbb ji rPraP rP rPraP rP R W I E I E I E              Báo cáo tốt nghiệp Chương III: Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn và cấp hệ thống SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 45 Trong đó r1 và r2 biểu diễn khoảng cách từ trạm di động đến BS1 và BS2 tương ứng; Ps1 và Ps2 là công suất truyền từ BS1 và BS2 tương ứng. Suốt trong quá trình chuyển giao mềm, 2 vòng điều khiển công suất được tích cực. Để ngăn chặn sự trôi dạt công suất thì đã có một số chiến lược được đề xuất và chiến lược điều khiển công suất cân bằng, được thông qua bởi 3GPP đã được sử dụng. Cũng như bên trong điều khiển công suất vòng kín, thì một vòng điều chỉnh được thực hiện để cân bằng công suất hướng xuống giữa các Cell trong tập tích cực trong phân tập đa dạng. Chiến lược điều khiển công suất này tránh được sự trôi dạt công suất, dẫn đến công suất truyền tải tăng lên và các vấn đề trở nên ổn định. Trong trường hợp lý tưởng, Ps1 = Ps2 . Sử dụng cùng một giả định, công suất truyền đối với mỗi kênh hướng xuống có thể được biểu diễn là: (3.10) Do đó, công suất tổng cần thiết để hỗ trợ cho trạm di động này là: TT jj j i i t b ss PP r r a r ra I E W R PP Ji .. 101 1 101 1 2 2 19 2,1 10 )( 2 19 2 10 )( 1 0 21 21                                     (3.11) Hệ số β2 biểu diễn cường độ tương đối công suất yêu cầu (công suất tổng) của trạm di động dưới quá trình chuyển giao mềm 2 đường.  SHO 3 đường Tương tự như các phân tích đối với SHO 2 đường, một trạm di động dưới SHO 3 đường sẽ có tỷ số Eb/I0 nhận được là:                              19 2,1 10 )( 2 19 2 10 )( 1 0 21 21 101 1 101 1 jj j i i T t b ss Ji r r a r ra P I E W R PP      3020100                    I E I E I E I E bbbb Báo cáo tốt nghiệp Chương III: Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn và cấp hệ thống SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 46 Từ đó đưa ra:                                         19 3,1 10 )( 3 19 2,1 10 )( 2 19 2 10 )( 1 0 321 321 101 1 101 1 101 1 kk k jj j i i T t b sss KJi r r a r r a r ra P I E W R PPP        (3.12) Công suất tổng cần thiết để hỗ trợ cho trạm di động này là: TT kk k jj j i i t b sss PP r ra r r a r ra I E W R PPP KJi .. 101 1 101 1 101 1 3 3 19 3,1 10 )( 3 19 2,1 10 )( 2 19 2 10 )( 1 0 321 321                                                  (3.13) Hệ số β3 biểu diễn cường độ tương đối công suất yêu cầu (công suất tổng) của trạm di động khi chuyển giao mềm 3 đường. Công suất được phân bố đến một User nào đó đóng vai trò như là nhiễu đối với các User khác. Do đó, các giá trị β1 β2 β3 được sử dụng để chỉ ra mức độ nhiễu mà các trạm di động phải chịu trong các tình huống khác nhau là bao nhiêu. Hình III.7 cho thấy ý nghĩa của các giá trị β1 β2 β3 đối với các trạm di động tại các vị trí khác nhau. Trong hình r1/R là khoảng cách được tiêu chuẩn hoá từ trạm di động đến BS1. Các trường hợp (a), (b), (c), (d) tương ứng với các giá trị σ và θ1 khác nhau. Các thông số khác sử dụng các giá trị điển hình như W=3840kchip/s, R=12.2kbit/s, ν=0.5, α=4, a=0.6, (Eb/I0)t=5dB. Báo cáo tốt nghiệp Chương III: Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn và cấp hệ thống SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 47 Hình III.7 Ý nghĩa của β1 β2 β3 với các vị trí MS khác nhau Các kết quả trong các trường hợp(có hay không có sự che khuất) có thể được giải thích như sau. Khi không tính đến sự che khuất, được đưa ra ở hình (a) và (c), thì mối quan hệ giữa β1 β2 và β3 là β1 < β2 < β3 . Điều này có nghĩa là có thêm một phần công suất cần thiết hỗ trợ cho quá trình chuyển giao mềm để giữ cùng một tỷ số Eb/I0 mong muốn:càng nhiều trạm gốc trong tập tích cực thì công suất yêu cầu càng lớn. Khi có tính đến sự che khuất, thì sự suy giảm kênh vô tuyến sẽ thay đổi một cách tự động. Để đáp ứng cùng một giá trị Eb/I0 mong muốn thì tốt nhất là phải thay đổi công suất phân bố cần thiết. Trong hình (b) và (d), ý nghĩa của các giá trị β1 β2 và β3 được đưa ra với giá trị σ bằng 8dB. Rõ ràng là đối với các trạm di động ở gần biên giới Cell, với chuyển giao mềm, thì công suất trung bình cần thiết để đáp ứng cùng một giá trị Eb/I0 mong muốn sẽ thấp hơn. Đối với các User ở gần góc của Cell, thì thậm chí công suất tổng của SHO 3 đường còn thấp hơn cả SHO 2 đường. Ở hình (b) khi r/R > 0,8 thì β3 < Báo cáo tốt nghiệp Chương III: Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn và cấp hệ thống SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 48 β2 . Tuy nhiên, đối với các trạm di động nằm trên đường có θ = 0º, thì SHO 2 đường luôn luôn có hiệu suất tốt hơn SHO 3 đường. Hình III.8 biểu diễn Hàm phân bố tích luỹ (Cumulat