Tiểu luận Nghiên cứu kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA

i MỤC LỤC Chương 1 KỸ THUẬT CHUYỂN GIAO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG WCDMA 1.1.Giới thiệu chương .............................................................................................. 1 1.2.Kỹ thuật chuyển giao ......................................................................................... 1 1.2.1.Sự cần thiết của việc chuyển giao trong hệ thống thông tin di động ................ 1 1.2.2.Tiêu chuẩn khi thực hiện chuyển giao ............................................................. 2 1.2.3.Trình tự của chuyển giao ................................................................................ 3 1.2.4.Các loại chuyển giao trong hệ thống WCDMA ............................................... 5 1.2.4.1.Chuyển giao trong cùng hệ thống (Intra-system Handover).......................... 5 1.2.4.2.Chuyển giao ngoài hệ thống (Inter-System Handover) ................................. 5 1.2.4.3.Chuyển giao cứng (HHO: Hard Handover) .................................................. 6 1.2.4.4.Chuyển giao mềm (Soft HO) và mềm hơn (Softer HO) ................................ 7 1.3.Kỹ thuật chuyển giao mềm ...............................................................................10 1.3.1.Nguyên lý chuyển giao mềm..........................................................................10 1.3.2.Đặc điểm cơ bản của chuyển giao mềm .........................................................11 1.4.Điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA .................................................13 1.4.1.Ý nghĩa của việc điều khiển công suất ...........................................................13 1.4.2.Phân loại điều khiển công suất .......................................................................15 1.4.2.1.Điều khiển công suất cho đường xuống và đường lên .................................15 1.4.2.2.Điều khiển công suất phân tán và tập trung .................................................15 1.4.2.3.Điều khiển công suất vòng hở, điều khiển công suất vòng kín, điều khiển công suất vòng ngoài ..............................................................................................15 1.4.3.Phân phối công suất đường xuống .................................................................18 1.5.Kết luận chương ...............................................................................................19 Chương 2 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THEO BƯỚC ĐỘNG DSSPC VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHÂN TÁN DPC 2.1. Giới thiệu chương ............................................................................................20 2.2.Một số lý thuyết sử dụng trong thuật toán .........................................................20 2.2.1.Hệ số tái sử dụng tần số (Frequency Reuse Factor) ........................................20 2.2.2.Nhiễu đồng kênh ............................................................................................22 ii 2.2.3.Nhiễu kênh lân cận ........................................................................................23 2.2.4.Hiệu ứng gần xa (Near-Far Effect) .................................................................24 2.2.5.Tải lưu lượng .................................................................................................26 2.2.6.Cấp độ phục vụ GoS (Grade of Service) ........................................................27 2.2.7.Hiệu quả sử dụng kênh ..................................................................................28 2.3.Thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC ..................................28 2.3.1.Tổng quan ......................................................................................................28 2.3.2.Thuật toán điều khiển công suất bước động DSSPC ......................................29 2.3.2.1. Khái niệm và lợi ích của độ dự trữ công suất (cửa sổ công suất) ................30 2.3.2.2.Sự hoạt động của mạng ...............................................................................31 2.3.2.4.Sự hoạt động của UE ..................................................................................32 2.4. Phương pháp điều khiển công suất phân tán ( DPC) ........................................35 2.4.1. Mô hình hệ thống ..........................................................................................35 2.4.3. Thuật toán điều khiển công suất phân tán ( DPC ) .........................................35 2.5.Kết luận chương ...............................................................................................36 Chương 3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ TÍNH TOÁN 3.1.Giới thiệu chương .............................................................................................37 3.2.Tổng quan.........................................................................................................37 3.3.Quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên trong hệ thống WCDMA ......................37 3.4. Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và điều khiển công suất phân tán DPC trong hệ thống WCDMA ................................................................................40 3.4.1.Thông số đầu vào ...........................................................................................41 3.4.2.Các công thức tính toán ................................................................................42 3.4.3. Điều khiển công suất theo bước động DSSPC ...............................................43 3.4.3.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển ......................................................................43 3.4.3.2. Kết quả tính toán ........................................................................................45 3.5.3. Điều khiển công suất phân tán DPC ..............................................................48 3.5.3.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển .....................................................................48 3.5.3.2. Kết quả tính toán ........................................................................................50 3.6. Kết luận .........................................................................................................51 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 531 iii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT  A AWGN Additive White Gaussian Noise - Nhiễu Gauss trắng cộng AMPS Advance Mobile Phone System - Hệ thống điện thoại di động tiên tiến B BER Bit Error Rate - Tỉ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying - Khóa dịch pha nhị phân BCCH Broadcast Control Channel - Kênh quảng bá điều khiển BCH Broadcast Channel - Kênh quảng bá BS Base Station - Trạm gốc BSC Base Station Controller - Bộ điều khiển trạm gốc BTS Base Tranceiver Station - Trạm vô tuyến gốc C CCCH Common Control Channel - Kênh điều khiển chung CDMA Code Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo mã CCPCH Common Control Physial Channel - Kênh vật lý điều khiển chung CPCC Common Power Control Channel - Kênh điều khiển công suất chung CPCH Common Packet Channel - Kênh gói chung CPICH Common Pilot Channel - Kênh hoa tiêu chung CN Core Network - Mạng lõi CS Circuit Switch - Chuyển mạch kênh CSICH CPCH Status Indication Channel - Kênh chỉ thị trạng thái cho CPCH C/I Carrier to Interference Ratio - Tỷ số sóng mang trên nhiễu CD/CA-ICH Collision Detection/Channel Assignment- Indication Channel Kênh chỉ thị phát hiện tranh chấp/ ấn định kênh D DCCH Dedicated Control Channel - Kênh điều khiển dành riêng DPCCH Dedicated Physical Control Channel - Kênh điều khiển vật lý riêng DPCH Dedicated Physical Channel - Kênh vật lý riêng DPC Distributed Power Control - Điều khiển công suất phân tán DPDCH Dedicated Physical Data Channel - Kênh số liệu vật lý riêng DL Down Link - Đường xuống DTCH Dedicated Traffic Channel - Kênh lưu lượng riêng DSCH Downlink Share Channel - Kênh dùng chung đường xuống iv DSSPC Dynamic Step-Size Power Control Điều khiển công suất theo bước động DSSS Direct Sequence Spread Spectrum - Trải phổ chuỗi trực tiếp EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Tốc độ bit tăng cường sử dụng cho nhánh tiến hoá GSM EIR Equipment Indentification Register - Thanh ghi nhận dạng thiết bị FACH Forward Access Channel - Kênh truy nhập đường xuống FCCCH Forward Common Control Channel Kênh điều khiển chung đường xuống FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum - Trải phổ nhảy tần FDD Frequency Division Duplexing Ghép kênh song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo tần số FDCCH Forward Dedicated Control Channel Kênh điều khiển riêng đường xuống FOMA Freedom of Mobile Multimedia Access- Truy nhập đa phương tiện tự do GOS Grade Of Service - Cấp độ phục vụ GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thông tin di động toàn cầu GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chung H HSCSD High Speed Circuit Switch Data Kỹ thuật truyền dữ liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao I ICI Inter Channel Interference - Nhiễu xuyên kênh IMT-2000 Internation Mobile Telecommunications 2000 Tiêu chuẩn viễn thông di động quốc tế ISDN Integrates Service Digital Network - Mạng số liệu đa dịch vụ IS-95 North Amarican version of the CDMA standard Một phiên bản CDMA ở Bắc Mỹ ISI Intersymbol Interference - Nhiễu xuyên ký tự E F G v L LA Location Area - Khu vực định vị LOS Line of Sight - Tuyến truyền dẫn thẳng M ME Mobile Equipment - Thiết bị di động MS Mobile Station - Trạm di động MSC Mobile Switch Center - Trung tâm chuyển mạch di động MAC Medium Access Control - Điều khiển truy nhập môi trường N NAS Non Access Statum - Tầng không truy nhập O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OPC Open-loop Power Control - Điều khiển công suất vòng hở P PCCH Paging Control Channel - Kênh điều khiển tìm gọi PDCP Packet Data Convergence Protocol - Giao thức hội tụ số liệu gói PN Pseudo Noise - Nhiễu giả ngẫu nhiên PS Packet Switch - Chuyển mạch gói PLMN Public Land Mobile Network - Mạng di động công cộng mặt đất PSTN Public Switched Telephone Network Mạng chuyển mạch thoại công cộng Q QAM Quadrature Amplitude Modulation- Điều biên cầu phương QoS Quality of Service - Chất lượng dịch vụ (Q)PSK (Quadrature) Phase-Shift Keying - Khóa dịch pha (vuông góc) R RACH Random Access Channel - Kênh truy cập ngẫu nhiên RRM Radio Resource Management - Quản lý tài nguyên vô tuyến RNC Radio Network Control - Bộ điều khiển mạng vô tuyến RLB Radio Link Budgets - Quỹ năng lượng đường truyền vô tuyến RLC Radio Link Control - Điều khiển kết nối vô tuyến S SNR Signal to Noise Ratio - Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu vi SCH Synchronization Channel - Kênh đồng bộ SDCCH Stand alone Dedicated Control Channel - Kênh điều khiển dành riêng T TDMA Time Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo thời gian TDD Time Division Duplexing - Ghép song công phân chia thời gian THSS Time Hopping Spread Spectrum - Trải phổ nhảy thời gian U UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network Mạng truy cập vô tuyến toàn cầu UMTS Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu UL Uplink - Đường lên V VLR Visitor Location Register - Bộ định vị tạm trú W WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng vii LỜI MỞ ĐẦU  Ngày nay thông tin di động đóng góp một vai trò vô cùng to lớn trong cuộc sống. Các loại hình dịch vụ viễn thông phát triển rất đa dạng, chất lượng được nâng cao một cách rõ rệt đã đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người. Sở dĩ có được những thành quả như vậy là do sự phát triển không ngừng các công nghệ viễn thông trên thế giới, trong đó có công nghệ băng rộng WCDMA. Hệ thống WCDMA ra đời đã làm cho viễn thông thế giới bước sang một kỷ nguyên mới. Hiện nay, ở Việt Nam các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đang từng bước triển khai và đưa vào sử dụng hệ thống thông tin di động thứ ba này, nhằm mang lại những dịch vụ tốt nhất cho người sử dụng. Một trong những khâu quan trọng của hệ thống thông tin di động nói chung và hệ thống WCDMA nói riêng là Vấn đề chuyển giao và điều khiển công suất nhằm hạn chế ảnh hưởng “Hiệu ứng gần - xa” đến chất lượng thoại, tăng dung lượng hệ thống, khả năng chống lại fading,… Xuất phát từ tầm quan trọng đó nên em chọn đề tài tiểu luận “Nghiên cứu Kỹ thuật chuyển giao & Điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA”. Tiểu luận được chia làm 3 chương: Chương 1:“Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA”. Trong chương này sẽ tập trung đi sâu vào tìm hiểu ý nghĩa, nguyên lý cũng như cách phân loại về chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA. Chương 2: “Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và điều khiển công suất phân tán DPC”. Do đó trong chương này sẽ giới thiệu về lưu đồ thuật toán cũng như nguyên lý cơ bản của hai phương pháp này. Chương 3: “Tính toán và đưa ra kết quả”. Đây là chương quan trọng nhất của tiểu luận. Nội dung chương này sẽ kiểm chứng lại lý thuyết về hai thuật toán điều khiển công suất DSSPC và DPC. Việc tính toán và vẽ đồ thị theo từng bước lặp giúp cho chương trình điều khiển hoạt động theo bước động, đồ thị được vẽ liền nét liên tục, giá trị điều khiển (SIR, Pdk) được điều chỉnh liên tục đến khi đạt giá trị tối ưu, các thông số điều khiển không phải là mặc định mà người điều khiển có thể thiết lập lại cho phù hợp với hệ thống. Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 1 Chương 1 KỸ THUẬT CHUYỂN GIAO VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG WCDMA 1.1 Giới thiệu Ở trong chương này chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu về kỹ thuật chuyển giao, đặc biệt là chuyển giao mềm cũng như các phương pháp điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA. Bởi kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất là những vấn đề quan trọng nhằm đảm bảo cho các dịch vụ vô tuyến, giữ vững chất lượng QoS yêu cầu, hạn chế nhiễu giao thoa. Nội dung chương này sẽ đề cập đến mục đích, các tiêu chuẩn, trình tự cũng như các loại chuyển giao, đồng thời sẽ phân tích ý nghĩa của việc điều khiển công suất và các phương pháp của nó trong hệ thống WCDMA. 1.2 Kỹ thuật chuyển giao 1.2.1. Sự cần thiết của việc chuyển giao trong hệ thống thông tin di động Hệ thống thông tin di động WCDMA là hệ thống sử dụng trải phổ trực tiếp. Cấu trúc mạng gồm tập hợp các cell có hình lục giác liên kết với nhau tạo thành một mạng tổ ong. Trong mỗi cell có một BS đặt ở trung tâm của cell, đảm bảo việc phủ sóng cho các UE trong cell đó. Do đặc điểm của UE trong thông tin di động luôn luôn di chuyển, vì thế khi UE càng ở gần trạm gốc thì chất lượng tín hiệu tốt, nhưng khi UE di chuyển càng ra gần biên của cell thì chất lượng cuộc thoại càng giảm xuống và dần dần cuộc thoại sẽ bị ngắt. Do đó, cần phải có một kỹ thuật để chuyển cuộc thoại của UE vừa rời khỏi cell cũ sang cell mới để đảm bảo tính liên tục của cuộc thoại. Kỹ thuật này gọi là chuyển giao. Do đặc tính động của UE nên có thể thấy chuyển giao là một vấn đề rất quan trọng trong hệ thống thông tin di động tổ ong. Việc thực hiện chuyển giao càng tốt thì xác suất rớt cuộc gọi tại biên của các cell càng thấp, cũng có nghĩa là chất lượng cuộc thoại càng cao. Nếu UE rời khỏi vùng phủ sóng của một cell mà không được chuyển giao tốt thì xác suất rớt cuộc gọi là rất lớn, điều này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của thông tin. Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 2 Tuy nhiên, ngoài chuyển giao do UE di chuyển ra ngoài vùng biên của cell, tức là chuyển giao vì mục đích để cuộc thoại được liên tục (chuyển giao giải cứu) còn có các loại chuyển giao cho các mục đích sau:  Loại chuyển giao không phải do tín hiệu yếu, mà mục đích là để cải thiện chung về nhiễu. UE sẽ tối thiểu hóa công suất phát nếu nó thuộc cell có suy hao đường truyền tối thiểu với nó. Nếu các UE đều tối thiểu hóa công suất phát thì mức nhiễu chung cũng tối thiểu. Nếu hệ thống khởi động chuyển giao chỉ vì tối ưu hóa về nhiễu, thì đó là chuyển giao kiêng kị nhiễu (Confinement Handover). Sự chuyển giao này làm cho UE hoạt động thông tin trong vùng tối ưu nhất theo quan điểm phòng vệ nhiễu, mặc dù tín hiệu trước chuyển giao vẫn đủ mạnh. Vì thế, chuyển giao này chỉ thực hiện trong điều kiện biết rõ chất lượng truyền dẫn tốt sau khi chuyển giao.  Loại chuyển giao khác là chuyển giao lưu thông (Traffic Handover). Do điều kiện nào đó mà dung lượng của một cell tăng đột ngột, khi đó sự tắc nghẽn sẽ xảy ra. Để giải quyết vấn đề này, người ta chuyển giao sang cell kế cận vì thường vùng biên của các cell sẽ trùng lên nhau một cách đáng kể. 1.2.2. Tiêu chuẩn khi thực hiện chuyển giao Tiêu chuẩn chuyển giao phụ thuộc vào loại chuyển giao, vào cell được dự định chuyển giao đến và kết quả chuyển giao được dự kiến. Đối với chuyển giao giải cứu, tiêu chuẩn chuyển giao là:  Sai lỗi truyền dẫn.  Suy hao đường truyền.  Trễ truyền dẫn. Trong quá trình thông tin giữa UE và BS thì các thông tin về chất lượng truyền dẫn, mức tín hiệu sẽ được UE đo lường liên tục một cách định kỳ. Sau đó, dựa vào các yếu tố trên đưa ra dự đoán về suy hao đường truyền. UE truyền số liệu đo lường về BS một đến hai lần trong một giây. Đối với chuyển giao kiêng kị nhiễu, tiêu chuẩn là kết quả so sánh chất lượng truyền dẫn với các cell kế cận. Thường chỉ đo được suy hao truyền dẫn giữa các UE và BS ở đường xuống mà thôi. Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 3 Còn đối với chuyển giao lưu thông, tiêu chuẩn là tải lưu lượng của mỗi BS do MSC và BSC biết được. 1.2.3. Trình tự của chuyển giao Trình tự của chuyển giao gồm ba giai đoạn chính:  Giai đoạn đánh giá.  Giai đoạn quyết định.  Giai đoạn thực thi. Nhiệm vụ của ba giai đoạn trong quá trình chuyển giao được minh họa qua hình vẽ 1.1. Hình 1.1 Các trình tự của chuyển giao  Đo lường là nhiệm vụ quan trọng trong quá trình chuyển giao vì:  Mức tín hiệu trên đường truyền dẫn vô tuyến thay đổi rất lớn tùy thuộc vào fading và tổn hao đường truyền. Những thay đổi này phụ thuộc vào môi trường trong cell và tốc độ di chuyển của thuê bao.  Số lượng các báo cáo đo lường quá nhiều sẽ làm ảnh hưởng đến tải hệ thống. Để thực hiện chuyển giao, trong suốt quá trình kết nối, UE liên tục đo cường độ tín hiệu của các cell lân cận và thông báo kết quả tới mạng, tới RNC.  Pha quyết định chuyển giao bao gồm đánh giá tổng thể về QoS của kết nối, so sánh nó với các thuộc tính QoS yêu cầu và ước lượng từ các cell lân cận. Tùy theo kết quả so sánh mà ta có thể quyết định thực hiện hay không thực hiện chuyển giao. RNC kiểm tra các giá trị của các báo cáo đo đạc để kích hoạt đồng bộ các điều Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 4 kiện chuyển giao. Nếu các điều kiện này bị kích hoạt, RNC phục vụ sẽ cho phép thực hiện chuyển giao. Các thuật ngữ và các tham số trong thuật toán chuyển giao:  Ngưỡng giới hạn trên: là mức tín hiệu của kết nối đạt giá trị cực đại cho phép thỏa mãn một chất lượng dịch vụ QoS yêu cầu.  Ngưỡng giới hạn dưới: là mức tín hiệu của kết nối đạt giá trị cực tiểu cho phép thỏa mãn một chất lượng dịch vụ QoS yêu cầu. Do đó mức tín hiệu của nối kết không được nằm dưới ngưỡng đó.  Giới hạn chuyển giao: là tham số được định nghĩa trước, được thiết lập tại điểm mà cường độ tín hiệu của cell bên cạnh (cell B) vượt quá cường độ tín hiệu của cell hiện tại (cell A) một lượng nhất định.  Tập tích cực: là một danh sách các nhánh tín hiệu (các cell) mà UE thực hiện kết nối đồng thời tới mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN). Giả sử thuê bao UE trong cell A đang chuyển động về phía cell B, tín hiệu hoa tiêu của cell A bị suy giảm đến mức ngưỡng giới hạn dưới. Khi đạt tới mức này, xuất hiện các bước chuyển giao theo các bước sau đây: (1) Cường độ tín hiệu A bằng với mức ngưỡng giới hạn dưới. Còn tín hiệu B sẽ được RNC nhập vào tập tích cực. Khi đó UE sẽ thu tín hiệu tổng hợp của hai kết nối đồng thời đến UTRAN. Ngưỡng trên Tín hiệu tổng Giới hạn chuyển giao Thời gian Tín hiệu B Ngưỡng dưới Tín hiệu A C ư ờn g độ t ín h iệ u (1) (2) (3) Hình 1.2 Nguyên tắc chung của các thuật toán chuyển giao Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 5 (2) Tại vị trí này, chất lượng tín hiệu B tốt hơn tín hiệu A nên nó được coi là điểm khởi đầu khi tính toán giới hạn chuyển giao. (3) Cường độ tín hiệu B bằng hoặc tốt hơn ngưỡng giới hạn dưới. Tín hiệu A bị xóa khỏi tập tích cực bởi RNC. Kích cỡ của tập tích cực có thể thay đổi được và thông thường ở trong khoảng từ 1 đến 3 tín hiệu. 1.2.4. Các loại chuyển giao trong hệ thống WCDMA Chuyển giao trong hệ thống WCDMA phân thành bốn loại:  Chuyển giao trong cùng hệ thống.  Chuyển giao ngoài hệ thống.  Chuyển giao cứng.  Chuyển giao mềm và mềm hơn Hình 1.3 Các loại chuyển giao trong hệ thống WCDMA 1.2.4.1. Chuyển giao trong cùng hệ thống (Intra-system Handover) Chuyển giao trong cùng hệ thống bao gồm hai loại: chuyển giao cùng tần số, chuyển giao khác tần số. Chuyển giao cùng tần số xuất hiện giữa các cell cùng sóng mang trong hệ thống WCDMA. Chuyển giao khác tần số xuất hiện giữa các cell hoạt động trên các tần số sóng mang khác nhau. 1.2.4.2. Chuyển giao ngoài hệ thống (Inter-System Handover) Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 6 Chuyển giao ngoài hệ thống xuất hiện giữa các cell thuộc hai kỹ thuật truy nhập vô tuyến khác nhau RAT (Radio Access Transmission ) hoặc giữa các mode truy nhập vô tuyến khác nhau RAM (Radio Access Mode). Trường hợp thông thường nhất của loại này là chuyển giao giữa mạng WCDMA và mạng GSM/EDGE. Chuyển giao giữa hai hệ thống CDMA cũng thuộc loại này. Thí dụ của loại chuyển giao RAM bên ngoài là chuyển giao giữa hai mode: UTRAN FDD và UTRAN TDD. 1.2.4.3. Chuyển giao cứng (HHO: Hard Handover) Chuyển giao cứng được thực hiện khi cần chuyển sang một kênh tần số mới, là loại chuyển giao được thực hiện dựa trên nguyên tắc “cắt trước nối sau” (“Break before Make”), tức là liên kết với kênh lưu lượng cũ bị cắt bỏ trước khi nó được nối đến kênh lưu lượng mới. Tuy nhiên, nhược điểm chính của loại chuyển giao này là xác suất rớt cuộc thoại trong quá trình chuyển giao cao, chất lượng cuộc thoại thấp. Chuyển giao cứng có thể xảy ra trong một số trường hợp như: chuyển giao từ một cell này sang cell khác khi hai cell có các tần số sóng mang khác nhau hoặc từ một cell này sang cell khác khi các cell này được nối đến hai RNC khác nhau và không tồn tại giao diện Iur giữa hai RNC này.  Chuyển giao cứng cùng tần số Chuyển giao cứng cùng tần số có thể thực hiện khi giao diện Iur không còn hiệu lực. Trường hợp chuyển giao này có thể phát sinh nếu chuyển giao gồm hai RNC được cung cấp bởi các hãng sản xuất khác nhau. Trong chuyển giao cứng cùng tần số, UE truyền trong phạm vi dải tần số bằng nhau, nhưng kết nối cũ kết thúc trước khi kết nối mới có thể được thiết lập, do đó gây ngắt quãng kết nối trong khoảng thời gian ngắn. Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 7 Hình 1.4 Chuyển giao cùng tần số  Chuyển giao cứng khác tần số Đây là kiểu chuyển giao giống chuyển giao GSM, giữa hai tần số WCDMA f1 và f2. Trong trường hợp chuyển giao này, kết nối qua cell cũ (cell A) bị xoá và kết nối đến mạng vô tuyến vẫn được duy trì qua cell mới (cell B). Chuyển giao khác tần số cũng có thể thực hiện giữa hai tần số trong giới hạn của cùng một cell. Trong chuyển giao khác tần số cần thiết phải đo cường độ tín hiệu và chất lượng ở các tần số khác trong khi vẫn có các kết nối với tần số hiện tại. Hình 1.5 Chuyển giao cứng khác tần số 1.2.4.4. Chuyển giao mềm (Soft HO) và mềm hơn (Softer HO) Chuyển giao mềm và mềm hơn dựa trên nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt” (“Make before Break”). Chuyển giao mềm hay chuyển giao giữa các cell là chuyển giao được thực hiện giữa các cell khác nhau. Chuyển giao mềm hơn hay chuyển giao giữa các đoạn cell là chuyển giao giữa các đoạn cell của cùng một cell. Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 8 Chuyển giao mềm UE phát đến và thu từ hai BS này đồng thời. UE thu đồng thời thông tin từ các BS và kết hợp chúng để được thông tin tốt nhất. Ở đường lên thông tin phát đi từ UE được các BS thu lại rồi chuyển đến RNC để được kết hợp chung. Trong chuyển giao mềm các BS đều phát lệnh điều khiển công suất UE ở vùng chồng lấn vùng phủ của hai đoạn cell thuộc hai trạm gốc khác nhau (chuyển giao hai đường). Thông tin giữa UE và BS xảy ra đồng thời ở hai kênh của giao diện vô tuyến từ hai (hoặc hơn) BS khác nhau. Chuyển giao mềm chỉ có thể được thực hiện khi cả BS cũ lẫn BS mới đều làm việc ở cùng một tần số. UE thông tin với 2 sector của 2 cell khác nhau (chuyển giao 2 đường) hoặc với 3 sector của 3 cell khác nhau (chuyển giao 3 đường). BS điều khiển trực tiếp quá trình xử lý cuộc gọi trong quá trình chuyển giao gọi là BS sơ cấp, các BS khác không điều khiển quá trình cuộc gọi gọi là các BS thứ cấp. Chuyển giao mềm kết thúc khi hoặc BS sơ cấp hoặc BS thứ cấp bị loại bỏ. Nếu BS sơ cấp bị loại thì BS sơ cấp trở thành BS thứ cấp của cuộc gọi này. Chuyển giao ba đường có thể kết thúc bằng cách loại bỏ một trong số các BS và trở thành chuyển giao hai đường. Hình 1.6 Chuyển giao mềm hai đường  Sector Kết nối cũ  Cell B Cell A     Kết nối mới BS UE Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 9 Lợi ích của chuyển giao mềm là quá trình thông tin trên kênh lưu lượng hướng đi và hướng về. Hệ số thu phải đủ lớn để đảm bảo thu được vì công suất phát thấp được yêu cầu trên kênh lưu lượng hướng đi và hướng về. Điều này có ý nghĩa là tổng nhiễu của hệ thống giảm và kết quả là dung lượng của hệ thống tăng lên, đồng nghĩa với chất lượng cuộc thoại tốt hơn. Ngoài ra công suất phát thấp từ UE cũng làm tăng tuổi thọ và thời gian làm việc của pin. Trong chuyển giao mềm, nếu một trạm di động thu được tín hiệu điều khiển công suất tăng từ một trạm gốc và thu được tín hiệu điều khiển công suất giảm từ một trạm gốc khác thì UE sẽ giảm công suất phát của nó. Để thực hiện điều này có hiệu quả thì phải đảm bảo có một tuyến liên kết thông tin tin cậy từ trạm gốc thứ hai. Chuyển giao mềm hơn Chuyển giao mềm hơn xảy ra giữa hai hay nhiều sector thuộc cùng một BS. Trong trường hợp này chỉ có một vòng điều khiển công suất do BS điều khiển để phục vụ cả hai đoạn cell. Trong chuyển giao mềm hơn, UE ở vùng chồng lấn giữa hai vùng phủ của hai đoạn cell của BS. Thông tin giữa UE và BS xảy ra đồng thời trên hai kênh giao diện vô tuyến. Vì thế, cần sử dụng hai mã khác nhau ở đường xuống để UE có thể phân biệt được hai tín hiệu. Dữ liệu bị chia nhỏ tại BS và được định tuyến tới các anten khác nhau. Máy thu của UE nhận hai tín hiệu này bằng phương pháp xử lý RAKE. Hình 1.7 Chuyển giao mềm ba đường Cell A Cell C cell B Kết nối mới Cell A Cell B Kết nối cũ Hình 1.8 Chuyển giao mềm hơn Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 10 Ở đường lên cũng xảy ra quá trình tương tự như ở UE: BS thu được kênh mã của UE ở từng đoạn cell, sau đó chuyển chúng đến cùng máy thu RAKE và kết hợp chúng để nhận được tín hiệu tốt nhất.  Chuyển giao mềm - mềm hơn UE thông tin với một sector của cùng thuộc một BS A và hai sector của BS B. Các tài nguyên mạng cần cho kiểu chuyển giao này gồm tài nguyên cho chuyển giao mềm hai đường giữa BS A và BS B cộng với tài nguyên cho chuyển giao mềm hơn tại BS B. 1.3 Kỹ thuật chuyển giao mềm 1.3.1. Nguyên lý chuyển giao mềm Chuyển giao mềm khác với tiến trình chuyển giao cứng truyền thống. Đối với chuyển giao cứng quyết định có chuyển giao hay không là xác định và di động chỉ liên lạc với một BS. Với chuyển giao mềm quyết định chuyển giao hay không là có điều kiện. Phụ thuộc vào sự thay đổi của cường độ tín hiệu hoa tiêu từ hai hay nhiều BS có liên quan, một quyết định cứng sẽ xảy ra để chỉ liên lạc với một BS. Điều này thường xảy ra sau khi xác định rõ tín hiệu từ một BS này lớn hơn đáng kể so với các BS khác. Tại thời điểm chuyển tiếp của chuyển giao mềm di động liên lạc cùng lúc với tất cả các BS trong tập tích cực. Sự khác biệt giữa chuyển giao cứng và mềm là chuyển giao cứng xảy ra trong một điểm thời gian trong khi chuyển giao mềm kết thúc sau một giai đoạn thời gian. Hình 2.10 Nguyên lý của chuyển giao mềm Hình 1.9 Chuyển giao mềm - mềm hơn       Cell thuộc BS A Cell thuộc BS B Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 11 Ở đường lên, di động truyền tín hiệu lên không trung qua một anten đa hướng. Hai BS đang thiết lập hiện hành có thể đồng thời cùng lúc nhận tín hiệu. Do đó tín hiệu được truyền thẳng tới RNC để kết hợp lựa chọn. Khung tốt hơn sẽ được lựa chọn, khung còn lại sẽ bị loại bỏ. Do đó ở đường lên không cần thêm kênh để chuyển giao mềm. Ở đường xuống, các tín hiệu giống nhau được truyền qua cả hai BS và di động có thể dễ dàng kết hợp các tín hiệu từ các BS khác nhau do nó xem chúng chỉ là các thành phần đa đường phụ thêm. Phương án kết hợp hệ số cực đại thường được sử dụng sẽ cung cấp một lợi ích gọi là sự đa dạng vĩ mô (macrodiversity). Tuy nhiên để hỗ trợ chuyển giao mềm trong đường xuống ta cần thêm ít nhất một kênh đường xuống (chuyển giao mềm hai đường). Với những thuê bao khác, kênh đường xuống thêm vào này tựa như nhiễu thêm trong giao diện vô tuyến. Như thế để hỗ trợ chuyển giao mềm trong đường xuống cần thêm nhiều tài nguyên. Kết quả là ở phương đường xuống hoạt động của chuyển giao mềm phụ thuộc vào độ lợi đa dạng vĩ mô và độ tiêu tốn thêm tài nguyên. 1.3.2. Đặc điểm cơ bản của chuyển giao mềm Chuyển giao mềm là một hình thức phân tập đường truyền (phân tập vĩ mô). Độ lợi phân tập cao vì cần ít công suất ở các đường lên và đường xuống hơn. Điều này có nghĩa tổng nhiễu giao thoa giảm. Kết quả là dung lượng trung bình của hệ thống tăng. Ngoài ra, công suất phát thấp hơn sẽ tăng tuổi thọ acquy của UE và thời gian đàm thoại sẽ lâu hơn. So với chuyển giao cứng, chuyển giao mềm có những đặc điểm nổi bật như hạn chế hiện tượng “ping-pong”, và truyền dẫn liên tục không bị gián đoạn. Không có hiện tượng “ping-pong” nghĩa là tải nhỏ hơn trên mạng báo hiệu và với chuyển giao mềm không có hiện tượng mất dữ liệu do bị ngắt tạm thời như trong chuyển giao cứng. Về phía máy di động, thì có lý do khác để thực hiện chuyển giao mềm trong mạng WCDMA: cùng với điều khiển công suất, chuyển giao mềm dùng để giảm nhiễu máy thu. Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 12 Hình 1.11 Sự giảm bớt nhiễu giao thoa bởi chuyển giao mềm ở đường lên Các ưu điểm của chuyển giao mềm  Chuyển giao mềm làm giảm hoặc loại bỏ được ảnh hưởng của hiện tượng “ping-pong” xảy ra trong chuyển giao cứng. Cụ thể: Điều hòa tải trên mạng. Trong trường hợp tải của một cell vì một lý do nào đó tăng đột ngột thì hệ thống sẽ chuyển giao sang các cell kế cận có lưu lượng tải thấp hơn. Làm cho thông tin của người sử dụng được liên tục hơn, không có các tiếng “kíc” như trong chuyển giao cứng (do tín hiệu bị ngắt quãng trong một thời gian ngắn) trong quá trình chuyển giao. Nhất là đối với các modem số, tiếng “kíc” thường gây ra lỗi số liệu và mất đồng bộ.  Với chuyển giao mềm không có độ dự trữ trễ, tức là giảm được thời gian trễ tương đương do phân tập có chọn lựa. Điều này được thực hiện bởi việc chuyển mạch “tức thời” đến trạm gốc có cường độ tín hiệu mạnh nhất trong quá trình chuyển giao (đường lên) và tránh được nhiễu cộng kết hợp với trễ chuyển giao. Vì thế: Cung cấp chất lượng thông tin tốt hơn cho người sử dụng. Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 13 Số UE/cell tăng lên cùng với một giá trị Ec/Io (tăng dung lượng). Công suất phát yêu cầu cho đường lên thấp hơn nên giảm được nhiễu đường lên.  Do trong chuyển giao mềm, UE có khả năng thông tin đồng thời với nhiều hơn một trạm gốc (phân tập), điều này làm tăng độ tin cậy của hệ thống, đảm bảo sự liên tục và chất lượng của tín hiệu.  Giảm thời gian thâm nhập mạng như thiết lập kênh truyền, thời gian đợi trung bình để có một kênh mới từ BS đích sẽ dài hơn, điều này làm giảm khả năng gây nghẽn và rớt cuộc gọi.  Một ưu điểm nữa của chuyển giao mềm là khi nó được kết hợp với điều khiển công suất. Vì vùng chuyển giao mềm là nơi mà cường độ tín hiệu của UE yếu và khả năng gây nhiễu của nó lên các UE của các các cell lân cận là lớn nhất nên khi chuyển giao mềm kết hợp với điều khiển công suất sẽ làm cho nhiễu của các UE tại các vùng này giảm xuống, tức là nhiễu của toàn bộ hệ thống giảm. Điều này sẽ làm tăng dung lượng của hệ thống và cải thiện chất lượng cuộc thoại. Những hạn chế của chuyển giao mềm  Thực hiện phức tạp hơn chuyển giao cứng.  Chuyển giao mềm làm giảm dung lượng đường xuống. Do trong quá trình chuyển giao mềm, UE thông tin đồng thời với hai hay nhiều hơn các trạm gốc, tức là cũng sẽ có hai hay nhiều hơn các kênh lưu lượng đường xuống được cấp phát cho UE. Điều này làm giảm tài nguyên mạng, dẫn đến làm giảm dung lượng đường xuống. Do đó, cần sử dụng thêm tài nguyên mạng ở đường xuống.  Làm tăng nhiễu đường xuống (đến những người sử dụng khác) khi chuyển giao mềm được xử lý bởi vì có nhiều hơn hai trạm gốc cùng phát đến một UE thay vì một trạm gốc như trong chuyển giao cứng. Điều này cũng có thể làm tăng nhiễu đường lên khi cả đường lên và đường xuống cùng sử dụng chung một tần số. 1.4 Điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA 1.4.1. Ý nghĩa của việc điều khiển công suất Trong hệ thống thông tin di động WCDMA, các UE đều phát chung một tần số ở cùng thời gian nên chúng gây nhiễu đồng kênh với nhau. Chất lượng truyền dẫn của đường truyền vô tuyến đối với từng người sử dụng trong môi trường đa Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 14 người sử dụng phụ thuộc vào tỷ số Eb/No ( Eb là năng lượng bit, No là mật độ tạp âm trắng Gausơ bao gồm tự tạp âm và tạp âm quy đổi từ máy phát của người sử dụng khác). Để đảm bảo tỷ số Eb/No không đổi và lớn hơn ngưỡng yêu cầu cần điều khiển công suất UE. Ở hệ thống WCDMA việc điều khiển công suất là bắt buộc và phải nhanh nếu không dung lượng của hệ thống sẽ bị giảm. Dung lượng của hệ thống di động WCDMA đạt giá trị cực đại nếu công suất phát của UE được điều khiển sao cho ở BS công suất thu được là như nhau đối với tất cả các người sử dụng. Điều khiển công suất được sử dụng cho đường lên để tránh hiện tượng “gần- xa” và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lên dung lượng của hệ thống. Điều khiển công suất là điều khiển công suất phát từ mỗi thuê bao sao cho công suất thu của mỗi thuê bao ở trạm gốc là bằng nhau. Đối với đường xuống không cần điều khiển công suất ở hệ thống đơn cell, vì nhiễu gây ra của các người sử dụng khác luôn ở mức không đổi với tín hiệu hữu ích, các tín hiệu đều phát chung và vì thế không xảy ra sự khác biệt về tổn hao truyền sóng như ở đường lên. Hình 1.12 Các hiệu ứng gần xa (điều khiển công suất đường lên) Hình 2.12 cho thấy vấn đề về hiệu ứng gần xa ở đường lên tín hiệu từ những UE khác nhau được truyền đồng thời trên cùng một băng tần trong hệ thống WCDMA. Mục đích chính của kỹ thuật điều khiển công suất là sẽ làm cực đại SIR tại mỗi kênh của hệ thống WCDMA, giữ yêu cầu tối thiểu QoS của các kênh. Hơn nữa, điều khiển công suất còn để chống lại hiệu ứng Fading Rayleigh trên tín hiệu truyền đi bởi việc bù cho Fading nhanh của kênh truyền. Ngoài ra việc điều khiển công suất còn có tác dụng giảm nhiễu đa đường, vì công suất phát của máy di động thấp nên làm tăng tuổi thọ của pin. Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 15 1.4.2. Phân loại điều khiển công suất 1.4.2.1. Điều khiển công suất cho đường xuống và đường lên Điều khiển công suất cho đường lên (từ UE đến BS) là một yêu cầu hệ thống rất quan trọng vì hiệu ứng “gần-xa”. Trong trường hợp này, cần có một dải động để điều khiển khoảng chừng 80 dB. Ở đường xuống, không yêu cầu điều khiển công suất trong hệ thống đơn tế bào, từ đó các tín hiệu được truyền cùng nhau và thay đổi cùng nhau. Tuy nhiên trong hệ thống đa tế bào, nhiễu giao thoa từ các cell bên cạnh làm giảm sự độc lập từ vị trí các cell đã cho và do đó làm giảm hiệu suất. Như vậy, phải sử dụng điều khiển công suất trong trường hợp này để làm giảm sự giao thoa giữa các cell. 1.4.2.2. Điều khiển công suất phân tán và tập trung Một bộ điều khiển tập trung có tất cả các thông tin về các kết nối được thiết lập và độ lợi kênh và điều khiển tất cả các mức công suất trong mạng hay một phần của mạng. Điều khiển công suất tập trung theo yêu cầu tín hiệu điều khiển phạm vi rộng trong mạng và không thể ứng dụng trong thực tế. Chúng có thể sử dụng để đưa ra giới hạn về hiệu suất của thuật toán phân tán. Bộ điều khiển phân tán chỉ điều khiển công suất của một trạm phát đơn và thuật toán chỉ phụ thuộc vào nội bộ, như SIR hay độ lợi kênh của người sử dụng đặc biệt. Những thuật toán này thực hiện tốt trong trường hợp lý tưởng nhưng trong các hệ thống thực tế có một số hiệu ứng không thích hợp như:  Tín hiệu đo và điều khiển làm mất thời gian dẫn đến thời gian trễ trong hệ thống.  Công suất phát hợp lý của máy phát bị hạn chế bởi giới hạn vật lý và sự lượng tử hóa. Những hạn chế bên ngoài khác như công suất phát cực đại trên một kênh đặc biệt tác động đến công suất ra.  Chất lượng là một sự đo đạc chủ quan và cần phải tận dụng sự đo đạc khách quan hợp lý. 1.4.2.3. Điều khiển công suất vòng hở, điều khiển công suất vòng kín, điều khiển công suất vòng ngoài Điều khiển công suất vòng hở (OPC: Open-loop Power Control) Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 16 OPC hay còn gọi là phương pháp tự điều khiển (AGC: Automation Gain Control) ở máy di động. Trước khi phát, máy di động giám sát tổng công suất thu được từ trạm gốc. Công suất đo được cho thấy tổn hao đường truyền đối với từng người sử dụng để căn cứ vào đó, máy di động điều chỉnh công suất phát của mình tỷ lệ nghịch với tổng công suất mà nó thu được. Điều khiển công suất vòng hở có thể là không tuyến tính. Mục đích là cho phép đáp ứng nhanh với sự hiệu chỉnh âm, nhưng đáp ứng chậm với sự hiệu chỉnh dương. Nếu cường độ tín hiệu thu được cao, có nghĩa là máy di động rất gần trạm gốc hoặc lượng suy hao đường dẫn thấp thì máy di động điều chỉnh cho công suất phát giảm xuống. Tốc độ tăng công suất phát máy di động thường phải nằm trong tốc độ điều khiển công suất mạch vòng khép kín từ trạm gốc. Bằng cách này các máy di động không thể tăng công suất phát quá lớn cho dù có sự suy giảm đột ngột chất lượng thoại trên kênh hướng xuống. Như vậy, trong phương pháp này trạm gốc không tham gia vào quá trình điều khiển công suất. Nhược điểm của phương pháp OPC là do điều kiện truyền sóng của đường lên và đường xuống khác nhau, nhất là do fading nhanh nên sự đánh giá sẽ thiếu chính xác. Tần số trung tâm của các đường lên và đường xuống thường nằm ở các băng tần khác nhau nên sẽ không có sự đối xứng giữa hai đường, vì thế tổn hao đường truyền giữa hai đường là khác nhau Trong hệ thống WCDMA, phương pháp này chỉ được sử dụng để thiết lập công suất gần đúng khi truy cập mạng lần đầu tiên. Điều khiển công suất vòng kín Điều khiển công suất vòng kín (trong hệ thống WCDMA còn gọi là điều khiển công suất nhanh) chịu trách nhiệm kiểm soát công suất truyền của UE (đường lên) hay là BS (đường xuống) nhằm phản ứng lại fading của kênh vô tuyến và đạt được SIR đích do vòng ngoài thiết lập. Ở phương pháp này BS (hoặc UE) thường xuyên ước tính tỷ số tín hiệu trên can nhiễu thu được (SIR nhận) và so sánh nó với tỷ số SIR. Ví dụ ở đường lên trạm gốc sẽ so sánh SIR nhận từ UE với SIR đích mỗi khe thời gian một lần (0,666 ms). Nếu như SIR nhận được lớn hơn SIR đích trạm gốc sẽ truyền một lệnh điều khiển công suất phát “0” tới UE thông qua đường xuống dành cho kênh kiểm soát. Nếu SIR nhận nhỏ hơn đích thì BS truyền một lệnh Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 17 kiểm soát công suất phát “1” đến UE. Bởi vì tần số điều khiển công suất vòng kín nhanh nên có thể bù cho fading nhanh và fading chậm. Hình 1.13 Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín Kỹ thuật điều khiển công suất vòng kín như vậy (còn gọi là vòng trong) cũng được sử dụng cho đường xuống mặc dù ở đây không có hiện tượng gần xa vì tất cả các tín hiệu đến các UE trong cùng một cell đều bắt đầu từ một BS. Tuy nhiên lý do điều khiển công suất ở đây như sau. Khi UE tiến đến gần biên giới cell, nó bắt đầu chịu ảnh hưởng ngày càng tăng của nhiễu từ các cell khác. Điều khiển công suất trong trường hợp này để tạo một lượng dự trữ công suất cho các UE trong trường hợp nói trên. Ngoài ra điều khiển công suất đường xuống cho phép bảo vệ các tín hiệu yếu do fading Rayleigh gây ra, nhất là khi các mã sửa lỗi làm việc không hiệu quả. Điều khiển công suất vòng ngoài thực hiện đánh giá dài hạn chất lượng đường truyền trên cơ sở tỷ lệ lỗi khung FER hoặc BER để quyết định SIR đích cho điều khiển công suất vòng trong. Điều khiển công suất vòng ngoài Điều khiển công suất vòng ngoài cần thiết để duy trì chất lượng thông tin ở mức yêu cầu bằng cách thiết lập chỉ tiêu đích cho điều khiển công suất nhanh. Điều khiển công suất vòng ngoài nhằm đảm bảo chất lượng yêu cầu: không xấu hơn và không tốt hơn. Tần số của điều khiển công suất vòng ngoài thường là 10-100 Hz. Thuật toán của điều khiển công suất vòng ngoài được biểu diễn trên hình 1.14. Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 18 Hình 1.14 Thuật toán điều khiển công suất vòng ngoài thông thường Điều khiển công suất vòng ngoài thực hiện điều chỉnh giá trị SIR đích ở BS (UE) cho phù hợp với từng yêu cầu của từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng các đường truyền vô tuyến như nhau. Chất lượng của đường truyền vô tuyến được đánh giá bằng tỷ số bit lỗi (BER: Bit Error Rate) hay tỉ số khung lỗi (FER: Frame Error Rate). Mối liên quan giữa SIR đích và chất lượng đích phụ thuộc vào tốc độ di động và đặc điểm truyền nhiều đường. Nếu chất lượng thu tốt hơn nghĩa là SIR đích hiện tại đủ để đảm bảo chất lượng dịch vụ yêu cầu. Tuy nhiên nếu chất lượng thu thấp hơn chất lượng yêu cầu thì SIR đích cần được tăng lên để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) yêu cầu. Hình 1.15 Điều khiển công suất vòng ngoài Hình 1.15 cho thấy sự thay đổi SIR đích theo thời gian. Và việc để SIR đích thả nổi xung quanh một giá trị tối thiểu là nhằm mục đích đáp ứng được yêu cầu chất lượng. 1.4.3. Phân phối công suất đường xuống Phân phối công suất đường xuống là một thủ tục rất quan trọng trong các hệ thống WCDMA. Tổng công suất truyền của BS gồm hai phần, một phần dành cho UE không chuyển động SIR đích Thời gian Chương 1 Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong WCDMA 19 kênh kiểm soát đường xuống chung như là kênh hoa tiêu chung (CPICH) và kênh đồng bộ (SCH); phần kia dùng cung cấp cho các thuê bao như là các kênh đường xuống chuyên dụng. Thường thì công suất dành cho các kênh kiểm soát chung chiếm khoảng 20 đến 30 % tổng công suất truyền của BS. Nhằm giảm thiểu nhiễu giao thoa cũng như sự tiêu tốn tài nguyên vô tuyến, hệ thống cố cung cấp cho mỗi kênh chuyên dụng của các thuê bao cá nhân càng ít công suất càng tốt mà không ảnh hưởng đến nhu cầu chất lượng dịch vụ. Với sự điều khiển công suất đường xuống lý tưởng, hệ số mật độ phổ công suất năng lượng bit trên nhiễu ob IE của tất cả các di động được giữ ở giá trị đích. Khi di động chỉ được nối với một BS, chỉ có một kênh đường xuống chuyên dụng dành cho di động này; nhưng khi di động trong tình trạng chuyển giao mềm ít nhất sẽ có hai BS liên quan đến việc cung cấp công suất. 1.5 Kết luận chương Chuyển giao và điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động WCDMA là một trong những khâu quan trọng của hệ thống. Nó hạn chế được ảnh hưởng của hiệu ứng gần xa đến chất lượng dịch vụ thoại, dung lượng của hệ thống và khả năng chống lại fading vốn là đặc trưng của môi trường di động. Chương này đã trình bày cụ thể về các kỹ thuật chuyển giao cũng như các phương pháp điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA. Chính vì tầm quan trọng của việc điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA nên ở chương tiếp theo sẽ đề cập đến hai phương pháp điều khiển công suất và sẽ đi sâu vào tìm hiểu nguyên lý cũng như thuật toán của hai phương pháp này. Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 20 Chương 2 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THEO BƯỚC ĐỘNG (DSSPC) VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHÂN TÁN (DPC) TRONG HỆ THỐNG WCDMA 2.1 Giới thiệu chương Chương này đề cập đến hai thuật toán điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động WCDMA. Đó là điều khiển công suất theo bước động và điều khiển công suất phân tán. Thuật toán DSSPC (Dynamic Step-Size Power Control) là phương pháp điều khiển công suất hướng lên thông minh dựa trên việc sử dụng dữ liệu gốc, vòng lặp kín và sự tương thích với những nhân tố quản lý tài nguyên vô tuyến. Thuật toán DPC (Distributed Power Control) chỉ sử dụng thông tin SIR và sử dụng kỹ thuật lặp để điều khiển công suất truyền đến mức tối ưu và đáp ứng các yêu cầu về chất lượng của người sử dụng. 2.2. Một số lý thuyết sử dụng trong thuật toán 2.2.1. Hệ số tái sử dụng tần số (Frequency Reuse Factor) Phổ tần số sử dụng trong hệ thống thông tin di động là có hạn nên người ta phải tìm cách sử dụng lại tần số để có thể tăng dung lượng điện thoại phục vụ. Giải pháp này được gọi là quy hoạch tần số hay tái sử dụng tần số. Việc sử dụng lại tần số được thực hiện bằng cách cấu trúc lại kiến trúc hệ thống thông tin di động theo mô hình tổ ong. Mô hình sử dụng lại tần số dựa trên việc gán cho mỗi cell một nhóm kênh vô tuyến của cell lân cận với nó (cell láng giềng). Trong hệ thống WCDMA, hệ số tái sử dụng tần số là 1. Nguyên lý cơ bản khi thiết kế các hệ thống tổ ong là các mẫu sử dụng lại tần số (các kênh vô tuyến ở cùng một tần số sóng mang ) để phủ sóng cho các vùng địa lý khác nhau. Các vùng này phải khác nhau một cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh có thể xảy ra đều ở mức chấp nhận được. Việc tái sử dụng tần số có nghĩa là hệ thống được chia ra thành nhiều cluster, trong mỗi cluster thì dùng hết số tần số được cấp. Do tần số dùng lặp lại nên các cluster phải được định cỡ và sắp xếp Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 21 sao cho nhiễu đồng kênh giữa hai tần số giống nhau trong hai cluster sát nhau là bé nhất có thể. Hình 2.1 Mẫu sử dụng lại tần số 3/9 Ở hình 2.1 là mẫu sử dụng lại tần số 3/9, có nghĩa là có 9 nhóm tần số được sử dụng để ấn định cho 3 vị trí trạm gốc, mỗi trạm gốc phủ sóng cho 3 cell. Như vậy sẽ có 9 cell/cluster. Ngoài 3/9 ra còn có hai kiểu mẫu tái sử dụng lại tần số thường được dùng, đó là 4/12 và 7/21. Khi số nhóm tần số cell giảm đi tương ứng với 21;12 và 9, nghĩa là số kênh tần số có thể dùng cho mỗi trạm tăng lên và khoảng cách giữa các trạm đồng kênh sẽ giảm tương ứng với tỉ lệ là 7,9 ; 6 và 5,2. Điều này cũng đồng nghĩa với số thuê bao sẽ được phục vụ tăng lên, tương ứng theo tỷ lệ 248; 664 và 883 nhưng đồng thời nhiễu trong hệ thống cũng tăng lên. Như vậy, việc lựa chọn mẫu sử dụng lại tần số phải dựa trên các đặc điểm địa lý vùng phủ sóng, mật độ thuê bao của vùng phủ sóng và tổng số kênh của mạng được cấp. Thông thường mẫu 3/9 sử Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 22 dụng cho những vùng có mật độ lưu lượng cao, 4/12 sử dụng cho những vùng có mật độ lưu lượng trung bình và 7/21 sử dụng cho những vùng có mật độ lưu lượng thấp. 2.2.2. Nhiễu đồng kênh Như đã đề cập ở trên, việc tái sử dụng tần số có nghĩa là trong một vùng phủ cho trước nhiều trạm sử dụng cùng một tập tần số. Các cell này được gọi là các cell đồng kênh và nhiễu giữa các tín hiệu của các cell này được gọi là nhiễu đồng kênh. Nếu đối với tạp âm nhiệt để khắc phục nó ta chỉ cần tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) thì đối với nhiễu đồng kênh ta không thể chỉ đơn giản tăng công suất sóng mang của máy phát. Sỡ dĩ như vậy vì việc tăng công suất sóng mang sẽ dẫn đến tăng nhiễu đến các cell đồng kênh khác. Để giảm nhiễu đồng kênh này, các cell đồng kênh phải được đặt phân cách vật lý một khoảng cách tối thiểu để đảm bảo sự cách li cần thiết về truyền sóng. Tỷ số sóng mang trên nhiễu C/I (Carrier to Interference Ratio) được định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu. [ dB ] (2.1) Trong đó : Công suất tín hiệu mong muốn từ trạm gốc cần thiết. Hình 2.2a Nhiễu đường lên Hình 2.2b Nhiễu đường xuống Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 23 : Công suất tín hiệu nhiễu thu được. Nếu ta biết được các mức tín hiệu của các cell đồng kênh thì ta có thể xác định được tỷ số SIR cho kênh đường xuống bằng phương trình trên. 2.2.3. Nhiễu kênh lân cận Nhiễu gây ra do sự tràn tín hiệu của phổ băng bên của các sóng nhiễu vào băng thu khi chúng chiếm kênh lân cận kênh thu. Bởi vậy, ảnh hưởng của nhiễu phụ thuộc phần lớn vào độ chọn lọc máy thu và độ rộng phổ băng bên ngoài băng của các sóng nhiễu. Khoảng cách giữa các kênh lân cận và sự phân định của các kênh tần số trong một khu vực xác định nhằm tránh nhiễu lân cận kênh. Vấn đề này trở nên nghiêm trọng nếu người sử dụng kênh lân cận phát rất gần máy thu của thuê bao đang thu tín hiệu từ trạm gốc mong muốn. Hiện tượng này gọi là “hiện tượng gần xa”, máy thu của thuê bao bắt được máy phát gần (cùng loại được hệ thống tổ ong sử dụng). Một dạng khác xảy ra khi UE gần trạm gốc phát trên gần với kênh mà UE yếu khác đang sử dụng. Trạm gốc có thể gặp khó khăn khi phân biệt người sử dụng di động mong muốn với” sự dò rỉ công suất “ từ UE kênh lân cận ở gần. Ta có thể giảm nhiễu kênh lân cận bằng cách đảm bảo phân cách tần số giữa các kênh trong một cell càng lớn càng tốt. Như vậy, thay vì phân bổ kênh ở một băng tần liên tục cho một cell, các kênh cần được phân bổ sao cho phân cách tần số giữa chúng là cực đại. Bằng cách phân bổ lần lượt các kênh trong băng tần cho các cell khác nhau, ta có rất nhiều sơ đồ phân bổ kênh cho phép phân cách các kênh lân cận trong một cell thành N độ rộng băng tần kênh, trong đó N là kích cỡ cụm. Nhiễu kênh lân cận có thể phân ra hai loại, đó là: nhiễu kênh lân cận “trong băng” và nhiễu kênh lân cận “ngoài băng”. Gọi là nhiễu “trong băng” khi tâm của độ rộng băng tần tín hiệu gây nhiễu nằm trong độ rộng băng tần của tín hiệu mong muốn. Gọi là nhiễu kênh lân cận “ngoài băng” khi tâm của độ rộng băng tần tín hiệu gây nhiễu nằm ngoài độ rộng băng tần của tín hiệu mong muốn. Nhiễu kênh lân cận tập trung chủ yếu vào nhiễu kênh lân cận trong băng vì dạng nhiễu này luôn có một ảnh hưởng dễ nhận thấy đối với tín hiệu mong muốn, trái lại nhiễu ngoài băng là vấn đề không mấy nghiêm trọng. Tỷ số sóng mang trên kênh lân cận C/A (biểu diễn mức tín hiệu ở kênh mong muốn thu trên kênh liền kề): Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 24 [dB] (2.2) Trong đó : Cường độ tín hiệu thu nhận từ kênh mong muốn. : Cường độ tín hiệu nhận được từ kênh lân cận. Giá trị C/A thấp sẽ dẫn đến BER cao . 2.2.4. Hiệu ứng gần xa (Near-Far Effect) Hiệu ứng gần xa là hiệu ứng mà trong đó một hệ thống nhiều người sử dụng gặp nguy hiểm do sự có mặt của một tín hiệu mạnh. Xét hệ thống đa truy nhập DSSS, giả thiết rằng có k người sử dụng phát tín hiệu trên cùng một kênh. Tín hiệu thu được bị nhiễu do tạp âm và các tín hiệu của (k-1) người sử dụng khác. Giả sử N0/2 là PSD (Tạp âm trắng Gauso) của kênh tạp âm, PS là công suất trung bình của từng tín hiệu thì PSD tín hiệu của từng người sử dụng là: (2.3) Khi đó SNR tương đương là: (2.4) Biểu thức trên cho thấy nhiễu làm tăng xác suất bit. Bây giờ ta khảo sát một trong số (K-1) người gây nhiễu rất gần máy thu. Do luật suy hao đường truyền tỷ lệ nghịch hàm mũ n (ở thông tin di động, N có thể lớn hơn 2) của truyền lan sóng điện từ, tín hiệu của người gây nhiễu đến máy thu khi này sẽ lớn hơn rất nhiều, giả sử , trong đó a tăng bình phương khi người gây nhiễu này tới gần máy thu. Chẳng hạn, nếu người gây nhiễu mạnh này ở gần máy thu 10 lần hơn so với máy phát tín hiệu chủ định thì a là: 102=100. Như vậy, SNR tương đương là: (2.5) Khi a lớn, SNR giảm mạnh và xác suất lỗi trở nên quá lớn. Nói cách khác, ta có thể duy trì xác suất lỗi ở mức cho phép bằng cách giảm số (K-2) người sử dụng và số người sử dụng này có khi phải loại bỏ hoàn toàn khi a lớn. Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 25 Hình 2.3 thể hiện hiệu ứng gần xa ở đường lên. Tín hiệu từ các UE khác nhau được truyền đồng thời trên cùng một băng thông trong hệ thống WCDMA. Nếu không điều khiển công suất, tín hiệu từ UE gần BS nhất có thể chặn tín hiệu từ các UE khác xa BS hơn. Trong tình huống xấu nhất, một UE có công suất quá lớn sẽ chặn tất cả các UE trong cùng cell. Giải pháp là sử dụng điều khiển công suất để đảm bảo tín hiệu đến từ các kết cuối khác nhau có cùng công suất hay cùng SIR (Signal-to-Interference Ratio) khi đến trạm BS. Ở hướng xuống, không có hiện tượng gần xa. Tất cả các tín hiệu đến các UE trong một cell đều bắt nguồn từ một trạm gốc BS. Tuy nhiên, việc điều khiển công suất ở đường xuống là để bù vào sự suy hao do nhiễu ở các kênh lân cận, đặc biệt những máy di động ở gần đường biên của cell được chỉ ra ở hình 3.4. Hơn nữa, điều khiển công suất ở đường xuống để cực tiểu nhiễu tổng cộng và giữ giá trị đích của Q0S. Hình 2.4 Bù nhiễu ở kênh lân cận (điều khiển công suất đường xuống) Ở hình 2.4, UE2 chịu ảnh hưởng của nhiễu kênh lân cận nhiều hơn UE1. Do đó, để đạt được cùng đích chất lượng, công suất lớn hơn sẽ được phân bổ cho kênh đường xuống giữa BS và UE2. Hình 2.3 Vấn đề gần-xa (điều khiển công suất đường lên) Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 26 2.2.5. Tải lưu lượng Trong lý thuyết viễn thông, chúng ta thường sử dụng thuật ngữ lưu lượng để biểu thị cường độ lưu lượng, tức là lưu lượng trong một đơn vị thời gian. Thuật ngữ về lưu lượng có nguồn gốc từ tiếng Ý và có nghĩa là “độ bận rộn”. Theo (ITU- T,1993), lưu lượng được định nghĩa như sau: Cường độ lưu lượng: Mật độ lưu lượng tức thời trong một nhóm tài nguyên dùng chung là số tài nguyên bận tại thời điểm đó. Nhóm tài nguyên dùng chung có thể là một nhóm phục vụ như đường trung kế. Đơn vị của cường độ lưu lượng là Erlang (kí hiệu là Erl). Đây là đơn vị không có thứ nguyên, ra đời năm 1946 để ghi nhớ công ơn của nhà toán học người Đan Mạch A. K. Erlang - người đã tìm ra lý thuyết lưu lượng điện thoại. Chẳng hạn một kênh vô tuyến bị chiếm trong thời gian 30 phút trong một giờ sẽ mang 0,5 Erlang lưu lượng. Lưu lượng của một thuê bao A được xác định bởi mức độ cuộc gọi và thời gian trung bình của mỗi cuộc gọi. )( 3600 . Erl Tn A  (2.6) Trong đó: A: Lưu lượng thông tin trên một người sử dụng (Erlang) n: Số cuộc gọi trung bình trên giờ người sử dụng T: Thời gian trung bình cho một cuộc gọi (s) n, T phụ thuộc vào con số thống kê của từng mạng. Từ A ta có thể tính được số kênh yêu cầu cần thiết trong mạng tế bào. Ví dụ:  Thời gian trung bình của mỗi cuộc gọi: 120 (s)  Số cuộc gọi cho thuê bao vào giờ bận: 1  Số thuê bao: 1000 Từ trên có thể tính dung lượng mỗi thuê bao như sau: A = (1*120)/3600 = 33mErlang Như vậy, cứ 1000 thuê bao di động thì lưu lượng là 33Erl. Con số này dùng để tính toán số kênh yêu cầu trong mạng tổ ong. Hiện nay, tồn tại hai mô hình toán học cơ bản của lý thuyết lưu lượng: mô hình Erlang- B và mô hình Erlang- C. Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 27  Mô hình Erlang-B : là mô hình hệ thống hoạt động theo kiểu suy hao, trong đó những cuộc gọi bị nghẽn sẽ bị bỏ rơi chứ không được lưu giữ lại dưới dạng nào đó để chờ cho đến khi rỗi. Mô hình này áp dụng cho mạng UMTS.  Mô hình Erlang-C : là mô hình hệ thống hoạt động theo kiểu chờ, nếu cuộc gọi bị nghẽn thì hệ thống sẽ giữ lại đợi cho đến khi có kênh được giải phóng. Tồn tại ba khái niệm lưu lượng: lưu lượng phục vụ, lưu lượng được truyền, lưu lượng bị chặn. Lưu lượng phục vụ là tổng lưu lượng phục vụ cho tất cả mọi người sử dụng. Lưu lượng được truyền là lưu lượng được kênh truyền đi, lưu lượng bị chặn là lưu lượng trong quá trình thiết lập cuộc gọi mà không được truyền ngay lập tức. Lưu lượng phục vụ = Lưu lượng được truyền + Lưu lượng bị chặn (2.7) 2.2.6. Cấp độ phục vụ GoS (Grade of Service) Là đại lượng biểu thị số % cuộc gọi không thành công. Hay GoS còn được xác định bằng xác suất nghẽn đường truyền vô tuyến trong vấn đề khởi tạo cuộc gọi trong giờ cao điểm. Giờ cao điểm được chọn theo yêu cầu của khách hàng tại giờ cao điểm nhất trong một tuần, tháng hoặc năm. Cấp bậc phục vụ là dấu mốc được sử dụng để định nghĩa hiệu năng yêu cầu của một hệ thống phân bổ trung kế trên cơ sở đặc tả xác xuất yêu cầu để một người sử dụng đạt được truy nhập kênh khi cho trước số lượng kênh khả dụng trong hệ thống. Nhiệm vụ của người thiết kế hệ thống vô tuyến là ước tính dung lượng yêu cầu cực đại và phân bổ đúng số lượng kênh để đáp ứng GoS. GoS thường được cho ở xác suất cuộc gọi bị chặn hay xác suất mà cuộc gọi phải trễ (đợi) lớn hơn một thời gian sắp hàng nào đó. Để có GoS tốt thì khả năng tắc nghẽn phải giảm. Điều này có nghĩa là số người sử dụng thấp, hoặc là số tải đến (lưu lượng phục vụ) phải nằm trong giới hạn phục vụ của kênh. Ngược lại, nếu GoS kém thì khả năng tắt nghẽn sẽ cao, tương ứng với số người sử dụng cao. Chính vì vậy, khi tính toán số kênh trên cơ sở lưu Xử lý thiết lập cuộc gọi Kênh lưu lượng (TCH) Tải đến A(GoS) Tải từ chối Tải phục vụ A(1-GoS) Hình 2.5 Quá trình thiết lập cuộc gọi Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 28 lượng cần thiết đòi hỏi phải có sự thỏa hiệp giữa số lượng người sử dụng và chất lượng phục vụ, có nghĩa là phải chỉ rõ mức nghẽn. Cấp độ phục vụ có thể chấp nhận được thường từ 2-5%, nó có nghĩa là tối đa 2-5% lưu lượng bị nghẽn, 98-95% lưu lượng truyền đi. Cấp bậc phục vụ GoS càng thấp thì hiệu suất sử dụng kênh càng cao. 2.2.7. Hiệu quả sử dụng kênh Hiệu quả sử dụng kênh là hiệu suất sử dụng tối đa một kênh mà không xảy ra nghẽn. Hiệu quả sử dụng kênh có thể định nghĩa là tỷ số tải phục vụ trên tổng số kênh. Nếu gọi A là lưu lượng phục vụ, ta có: Lưu lượng bị chặn = A . GoS. (2.8) Lưu lượng được truyền = A . ( 1- GoS ). (2.9) Hiệu suất đường trục = A . ( 1- GoS )/số kênh của đường trục (2.10) Ví dụ: Nếu số kênh là 6s, lưu lượng của 70 thuê bao A = 2,2759 Erl, GoS = 2% Lưu lượng được truyền = A(1- GoS) = 2,2759 ( 1- 0,02) = 2,2304 Erl. Hiệu suất sử dụng kênh là = 2,2304/6 = 37,17% Nếu cấp bậc phục vụ tồi hơn, 10% chẳng hạn thì đối với 6 kênh, lưu lượng A = 3,7584 Erl thì lưu lượng được truyền = 0,9 . 3,7584 = 3,3826 Erl. Hiệu suất sử dụng kênh là = 3,3826/6 = 56,37% Nếu giảm cấp độ phục vụ GoS thì với cùng một số kênh lưu lượng có thể phục vụ được nhiều thuê bao hơn. Vậy cấp bậc phục vụ càng thấp thì hiệu suất sử dụng kênh càng cao. 2.3. Thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC 2.3.1. Tổng quan Mục đích của thuật toán điều khiển công suất theo bước động là để cải thiện đặc tính của hệ thống thông tin di động tổ ong UMTS/WCDMA. Phương pháp này sử dụng các lệnh điều khiển công suất động, SIR nhận (công suất nhận) và dữ liệu hỗ trợ định vị điện thoại cầm tay. Ngoài ra, sự kết hợp giữa điều khiển công suất, điều khiển cho phép và điều khiển chuyển giao nhằm mục đích cải thiện độ hội tụ của phương pháp điều khiển công suất này. Điều khiển công suất là một cơ chế cần thiết đối với sự vận hành của hệ thống WCDMA. Điều quan trọng trong cơ chế điều khiển công suất chính là làm tối đa hóa tỉ số SIR cực tiểu của các kênh trong hệ thống WCDMA, giải quyết các yêu cầu về chất lượng dịch vụ QoS cho mỗi kênh. Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 29 Thuật toán điều khiển công suất thường chia làm hai nhóm:  Phân tán (Distributed).  Tập trung (Centralized). Đối với các thuật toán điều khiển công suất tập trung, đòi hỏi bộ điều khiển trung tâm phải biết được cường độ tín hiệu của tất cả các đường truyền dẫn vô tuyến đang hoạt động. Đồng thời lờ đi việc xử lý, giải quyết những thay đổi của công suất truyền. Điều này sẽ làm tăng tính phức tạp của mạng hệ thống cũng như việc thực thi sẽ đòi hỏi độ phức tạp cao hơn. Nguyên nhân là do các thuật toán này yêu cầu thông tin chi tiết của các kênh vô tuyến một cách tập trung - điều này không được đáp ứng trong thời gian thực cũng như trong các mạng di động đa tế bào. Các thuật toán điều khiển công suất phân tán không cần yêu cầu thông tin về các kênh vô tuyến độc lập một cách tập trung. Thay vào đó, chúng cho phép thích ứng với các mức công suất khác nhau bằng cách chỉ dùng các đại lượng đo vô tuyến cục bộ. Điều khiển công suất phân tán chú ý tới sự thay đổi của chất lượng dịch vụ - một trong những yếu tố vô cùng quan trọng của các hệ thống thông tin di động tế bào sau này. Tuy nhiên, chúng lại không quan tâm tới việc thực thi các kết nối mới thay cho các kết nối đã tồn tại trong QoS. Các phương thức điều khiển công suất có thể được nhóm thành hai loại chính sau đây:  Điều khiển công suất dựa trên tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR.  Điều khiển công suất dựa trên công suất truyền. Điều khiển công suất dựa trên SIR hay còn gọi là điều khiển công suất dựa trên chất lượng bởi SIR phản ánh xác suất bit lỗi nhận được. Đây cũng chính là tiêu chí dùng để đánh giá chất chất lượng dịch vụ QoS. Đặc biệt ở đường lên, điều khiển công suất dựa trên SIR có đáp ứng dung lượng biến thiên theo nhiễu giao thoa, có thể được nhìn thấy bởi máy cầm tay phía thu đường lên. Tuy nhiên, việc điều khiển các hồi tiếp dương và các ảnh hưởng của nó là điều rất phức tạp bởi một hệ thống thì bao gồm nhiều trạm gốc BS và nhiễu tại mỗi trạm gốc lại có độ sai lệch hoàn toàn độc lập với nhau. Điều khiển công suất dựa trên công suất truyền lại dựa trên sự đo đạc chính xác các thông số của kênh vô tuyến. Nguyên lý cơ bản của các thuật toán loại này là công suất được điều chỉnh tùy theo độ sai lệch kênh vô tuyến đã được đo đạc. 2.3.2. Thuật toán điều khiển công suất bước động DSSPC Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 30 2.3.2.1. Khái niệm và lợi ích của độ dự trữ công suất (cửa sổ công suất) Độ dự trữ SIR nhiều mức là sự giả thiết về biến đổi kênh ban đầu mà cần phải được xác định theo kết quả của phép đo vô tuyến thời gian thực. Những giới hạn trên và dưới của độ dự trữ công suất tuỳ thuộc vào tải/giao thoa của mạng vô tuyến trong truy cập vô tuyến hay tại mức tế bào. Bằng việc xác định độ dự trữ công suất nhằm đảm bảo các chỉ tiêu và độ ổn định của hệ thống. Do mạng vô tuyến là môi trường động nên vùng dự trữ công suất có thể dao động lên trên hoặc xuống dưới khi mức tải và nhiễu giao thoa thay đổi. Khi kênh mang (bearer) vô tuyến được thiết lập, DSSPC sẽ điều khiển kênh mang này (có quan hệ với mức công suất phát) để tối ưu hóa mức công suất phát này nằm trong giới hạn cho phép của độ dự trữ công suất. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng thông tin về QoS của kênh mạng cũng như mức nhiễu giao thoa mà nó gây ra cho mạng và dung lượng của mạng có liên quan tới nhiễu. Để cung cấp chất lượng dịch vụ tốt nhất với mức tối thiểu công suất truyền (hay SIR) thì cần phải cân bằng giữa chất lượng dịch vụ QoS, dung lượng mạng, quản lý cước kênh mang…Tuy nhiên, mức điều khiển công suất không nhất thiết phải là mức nhỏ nhất có thể nhưng lại phụ thuộc vào chiến thuật cân bằng được sử dụng. Đó là cung cấp QoS tốt nhất với công suất truyền (hoặc SIR) ở mức thấp nhất nhằm duy trì một mức tương ứng của dung lượng Hình 2.6 Dự trữ SIR với các chất lượng dịch vụ khác nhau Hình 2.6 đã chỉ rõ mức công suất truyền của trạm di động được điều khiển để nó hội tụ ở mức tối ưu. Thay vì giới hạn một mức cho SIR mà ở đây SIR đa mức sẽ được dùng bao gồm các giới hạn ngưỡng trên và ngưỡng dưới. Vì vậy, ứng với mỗi Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 31 dịch vụ như thoại, dữ liệu hay hình ảnh sẽ có các mức công suất truyền tối ưu riêng mà công suất của UE từ ở mức trên hay mức dưới sẽ được hội tụ về đó. 2.3.2.2.Sự hoạt động của mạng Hình 2.7 Quá trình tạo lập- quyết định TPC trong DSSPC Hình 2.7 là giản đồ hoạt động căn bản của phương pháp DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên. Trong điều khiển công suất đường lên, bên cạnh mạng thì điều khiển truy cập vô tuyến và trạm gốc cũng nằm trong một phần điều khiển của tiến trình điều chỉnh công suất. Sai Sai Đúng Bắt đầu Nhận công suất ban đầu và các thông số SIR_real > SIRmax Tiếp tục Đúng Đúng Sai Đúng SIRoptmax ≤ SIR_real SIRoptmin ≤ SIR_real SIRmin ≤ SIR_real SIR_real < SIRmin Sai Lệnh tăng công suất truyền Công suất nhận tối ưu Lệnh giảm công suất truyền Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 32 Các đối tượng điều khiển cho phép và điều khiển công suất của bộ điều khiển truy nhập vô tuyến sẽ thiết lập các đích chất lượng tín hiệu, bao gồm: SIR_max, SIR_opt_max, SIR_opt_min, SIR_min. Điều này có thể dựa trên thông tin lưu lượng sẵn có trong AC(Admission Control), cường độ tín hiệu, SIR, các độ ưu tiên truy cập, thông tin hỗ trợ định vị… Như đã chỉ ra trong hình 2.7, trạm gốc phát lệnh công suất truyền (TPC: Transmit Power Command) bằng việc so sánh SIR nhận được tương ứng công suất của kênh đường lên với các ngưỡng xác định của SIR tương ứng với độ dự trữ công suất. 2.3.2.4.Sự hoạt động của UE Đầu tiên, UE nhận lệnh điều khiển công suất từ trạm gốc BS. Nó ghi lệnh điều khiển công suất tiếp theo vào thanh ghi bit lệnh. Việc thay đổi dữ liệu gốc được lưu trữ tại đây, bao gồm dữ liệu về những lệnh điều khiển công suất gần đây nhất, các kích thước bước, tọa độ của máy cầm tay. UE kiểm tra giá trị lệnh điều khiển công suất, kích thước bước và thông tin hỗ trợ định vị bao gồm cả sự thay đổi của dữ liệu gốc. Nếu lệnh điều khiển công suất hoặc chuỗi kích thước bước là chẵn, nghĩa là mức công suất không hoàn toàn thay đổi nhưng được giữ ổn định và không có số lượng đáng kể cần thay đổi công suất truyền. Nếu lệnh điều khiển công suất hoặc chuỗi kích thước bước không phải là số chẵn thì tiến trình điều khiển sẽ tiến tới bước kiểm tra lệnh, hay nói cách khác chỉ có duy nhất một tập lệnh điều khiển công suất được lặp lại thường xuyên. Trong trường hợp đó, kích thước bước lớn hơn sẽ được chú ý tới để bù vào sự thay đổi của công suất truyền. Nếu lệnh điều khiển công suất hoặc chuỗi kích thước bước không chẵn cũng không lẻ mà được lặp lại một cách bất quy tắc thì tiến trình điều khiển sẽ tiến thẳng tới bước, nơi mà điều khiển công suất nhanh không nhiễu xảy ra. Trạm di động có khả năng định vị sẽ được dùng để dự đoán sự thay đổi đó. Việc tính toán kích thước bước động DSS (Dynamic Step-Size) dựa trên công thức (2.11). DSS là kết quả kết hợp của hằng số và biến số trong điều khiển công suất. Do đó, UE điều chỉnh công suất truyền của nó bằng cách thêm DSS vào công suất tín hiệu ban đầu Po như sau: Ptrx(dB) = Po(dB) + DSS (dB) Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 33 DSS(dB) = α. β. γ, với γ = 1 khi ∆SIR < 0 -1 khi ∆SIR > 0 (2.11) Trong đó:  α: Kích thước bước cố định đã được xác định trước.  β: Thành phần động của DSS, được định nghĩa dựa trên giá trị SIR thực và SIR đích tương ứng với kết nối vô tuyến. Mục đích của DSS là để bù vào sự suy giảm công suất vì kênh truyền không ổn định. Để xác định giá trị β thì phải có thông số SIR nhận được và SIR đích. Tuy nhiên, các thông tin này chỉ có ở trạm gốc. Vì vậy, đối với việc điều chỉnh công suất truyền đường lên sẽ có hai cách để thực thi phương pháp điều khiển công suất này: 1. Thông tin liên quan đến SIR được truyền đến trạm di động bằng cách dùng tín hiệu kênh riêng hay kênh chung. Bộ phân tích dữ liệu gốc (HDAL: History Data Analyzer Logic) của trạm di động tính toán giá trị của  dựa trên bảng dò tìm (bảng 3.1). 2. Giá trị của  được tính toán tại BS bằng việc dùng tiêu chuẩn được định nghĩa trong bảng dò tìm. Do vậy, thông tin được truyền đến trạm di động là . . Trong trường hợp này UE không cần tính toán tới các tham số liên quan đến SIR nên giảm bớt được độ phức tạp cũng như sự tiêu thụ pin của nó. 2.1 Bảng tra cứu dành cho DSSPC Trong bảng 2.1, Ki = ( 0, …, Kn+1 ) là số nguyên, có thể tối ưu dựa trên những phép đo thực tế liên quan đến mạng vô tuyến. Tiêu chuẩn so sánh SIR   SIRopt_min SIRreal  SIR max 0 X(tùy ý) SIRopt_max SIRreal SIRmax K1 1 SIRreal > SIRmax K2 1 SIRmin SIRreal  SIRopt_min K1 -1 SIRreal < SIRmin K2 -1 Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 34 Do đó, nó có thể thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổi thời gian thực trong chất lượng tín hiệu vì fading và SIR đích cho kênh mang yêu cầu ánh xạ bởi mạng. Trong ví dụ này các giá trị nhiều mức của SIR đích được định nghĩa như: SIR_max, SIRopt_ max, SIRopt_ min, SIR_min. Hình 2.8 là mô hình chung về sơ đồ khối thực hiện phương pháp điều khiển công suất ứng dụng cho đường lên. BS nhận tín hiệu được truyền bởi UE và hướng tới để giữ cường độ tín hiệu nhận được không thay đổi bằng cách gởi lệnh điều khiển công suất đến UE. Hình 2.8 Mô hình chung của DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên BS chịu trách nhiệm để đo SIR nhận được và một phần của những phép đo đó yêu cầu thiết lập thông số dự trữ công suất và các SIR đích. Các phép đo được thực hiện sau máy thu phân tập RAKE, nơi kết nối nhiều nhánh khác nhau của tín hiệu nhận được. Tại khối trạm gốc, các giá trị đích và giá trị đo được của SIR được so sánh. Trạm gốc cũng tính toán giá trị tương ứng cho  và  như định nghĩa trong bảng 2.1. Để xác định lệnh công suất truyền, bộ phát BS gởi các lệnh công suất phát (TPCs) đến trạm di động để tăng, giảm hay giữ công suất truyền không thay đổi. Tại UE, các lệnh điều khiển công suất được tập hợp thành một vector mà trạm di động ghi vào bộ phân tích dữ liệu gốc (HDLA). HDLA phân tích vector bit lệnh nhận được khi đưa ra giá trị thích ứng của DSS. HDLA đưa ra đưa ra thành phần thích ứng của DSS dựa trên thông tin nhận được từ trạm gốc dưới dạng luồng bit Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 35 TPC. Cuối cùng, phần tử điều khiển điều chỉnh công suất truyền của trạm di động dựa trên phương trình (2.11). 2.4. Phương pháp điều khiển công suất phân tán ( DPC - Distributed Power Control) 2.4.1. Mô hình hệ thống Mô hình hệ thống sử dụng đối với điều khiển công suất đường lên. Giả thiết một BS là M, có (J) UE trong hệ thống. Tại BS M, SIR nhận được của UE thứ i là : iJ j ij MjMj iMi i o ib i PG PG WN RE I S                   1 . . . . (2.12) Trong đó Eb là năng lượng bit thông tin và N0 là mật độ phổ công suất tạp âm. Công suất truyền của thuê bao thứ i là Pi được giới hạn bởi mức công suất cực đại là Pi ≤ Pi_max với 1 ≤ i ≤ J (2.13) Ri là tốc độ dữ liệu của thuê bao thứ i, GMi là độ lợi đường truyền giữa UE thứ i và BS M. Giá trị của GMi được giả thiết là hằng. Việc giả thiết này là hợp lý nếu thuật toán điều khiển công suất có thể hội tụ trong khoảng thời gian ngắn. W độ rộng băng tần trải phổ, M là nhiễu nền. Do vậy, việc chính yếu của điều khiển công suất là tìm ra vector công suất dương P = (P1, P2. . . PJ) thoả mãn: i  T 1  i,j  J (2.14) Trong đó  T là mức SIR tối thiểu yêu cầu được xác định bởi mỗi dịch vụ hay môi trường BER. 2.4.3. Thuật toán điều khiển công suất phân tán ( DPC ) Mỗi UE điều khiển công suất truyền của nó trong giới hạn cực đại dựa trên thông tin mức công suất của nó và phép đo SIR. Thuật toán DPC điều khiển mức SIR của tất cả các thuê bao để đạt được SIR yêu cầu nếu có thể. Chúng ta đề xuất thuật toán điều khiển công suất phân tán mới sử dụng tham số thay đổi từ thuật toán truyền thống để cải thiện hiệu quả của nó. Hàm công suất mới là vấn đề chính cần thiết để đạt được mức SIR tối thiểu. Nếu SIR của UE trên mức cực tiểu trong suốt thời gian điều khiển công suất thì ít nhất một kết nối UE – BS sẽ bị cắt. Do vậy, tốc độ hội tụ liên quan đến dung lượng hệ thống. Thuật toán có thể được mô tả như sau : Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 36 Pi(0) = P0i Pi (n+1) = ek (T -  i (n)) * Pi (n) hay Pi (n+1) (dBm) = ek (T -  i (n)) (dBm) + Pi (n) (dBm) (2.15) Trong đó, k là tham số dương (được khảo sát kỹ trong [12]) nếu k quá lớn tốc độ hội tụ sẽ chậm, nếu k quá nhỏ SIR sẽ dao động. Chúng ta có thể đạt được tốc độ hội tụ nhanh hơn bằng cách tối ưu hoá k. P0i là công suất truyền ban đầu của thuê bao, Pi (n+1) là công suất truyền của thuê bao thứ i trong vòng lặp thứ n, i (n) (dB) là SIR của thuê bao thứ i tại vòng lặp thứ n. Có các trường hợp sau : Trường hợp 1:  i(n) <  T Pi(n+1) < Pi(n) (2.16) Trường hợp 2:  i(n) >  T Pi(n+1) > Pi(n) (2.17) Trường hợp 3:  i(n) =  T Pi(n+1) = Pi(n) (2.18) Mục đích chính của thuật toán này là tăng hay giảm công suất truyền của UE liên quan SIRi (  i) được nhận bởi trạm M. Bằng cách điều chỉnh thông số k trong hàm điều khiển công suất, hệ thống sẽ thoả mãn các yêu cầu vận hành khác nhau. Như vậy, thuật toán điều khiển công suất phân tán DPC dựa trên giá trị SIR đích, các giá trị SIR đo được sẽ được hội tụ về giá trị SIR đich đó. Khi đó, công suất phát của UE sẽ không đổi theo thời gian. 2.5. Kết luận Phương pháp điều khiển công suất theo bước động DSSPC đã tập trung vào điều khiển công suất truyền bằng cách dùng khái niệm ngưỡng nhiều mức, các lệnh điều khiển công suất TPC. Bước động bù cho sự chậm của phương pháp điều khiển công suất cố định nhưng cũng cần sự bù nhanh của công suất truyền trong cửa sổ công suất chấp nhận được, cân bằng sự ổn định của hệ thống. Phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC cũng dùng thông tin về tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa SIR nhưng mức ngưỡng SIRi được điều chỉnh cho phù hợp với từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng đường truyền tốt nhất. Do đó DPC có khả năng đạt được mức SIR yêu cầu và hệ thống hoạt động ổn định hơn các phương pháp điều khiển công suất truyền thống. Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 37 Chương 3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN & TÍNH TOÁN 3.1. Giới thiệu chương Chương trước đã tập trung tìm hiểu hai thuật toán điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động WCDMA: thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC và điều khiển công suất phân tán DPC. Đó là nền tảng để tiến hành xây dựng lưu đồ thuật toán và tính toán nhằm mục đích kiểm chứng lại lý thuyết điều khiển, đồng thời mang lại cái nhìn trực quan về hai thuật toán này. Ngoài ra, quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên trong hệ thống WCMDA cũng sẽ được khảo sát trong chương này. Đây là bài toán quan trọng giúp cho việc tính toán vùng phủ sóng cũng như quy hoạch dung lượng của hệ thống sau này. 3.2. Tổng quan Chương này sẽ từng bước khảo sát các vấn đề sau đây:  Khảo sát quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên trong WCDMA cho các tốc độ bit khác nhau với các tham số được mặc định sẵn. Đặc biệt, người dùng có thể tùy ý thay đổi các thông số này để tính toán quỹ đường truyền trong một giới hạn cho phép.  Mô hình tính toán điều khiển công suất theo hai thuật toán DSSPC và DPC với giả thiết có từ 1 tới 7 UE đang đồng thời kết nối với trạm gốc trong một cell. 3.3. Quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên trong hệ thống WCDMA Quỹ đường truyền được sử dụng để tính toán vùng phủ và chất lượng cho trạm gốc và trạm di động. Các thông số quan trọng nhất trong quỹ đường truyền vô tuyến là: ▪ Dự trữ nhiễu: Cần có dự trữ nhiễu trong quỹ đường truyền vì tải của cell, hệ số tải tác động lên vùng phủ sóng. Nếu cho phép tải càng lớn thì càng cần nhiều dự trữ nhiễu ở đường lên và vùng phủ sóng càng nhỏ. Đối với các trường hợp bị giới hạn bởi vùng phủ thì cần đề xuất dự trữ nhiễu nhỏ. Trong khi đó, đối với các trường hợp bị hạn chế bởi dung lượng thì cần có độ dự trữ nhiễu cao. Trong các trường hợp chịu sự hạn chế vùng phủ này thì kích cỡ của cell bị hạn chế bởi tổn hao Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 38 đường truyền cho phép cực đại trong trong quỹ đường truyền và dung lượng cực đại của giao diện vô tuyến của BS không được sử dụng. ▪ Dự trữ fading nhanh: Cần có một lượng dự trữ fading nhất định ở công suất phát UE để duy trì điều khiển công suất nhanh vòng kín tương ứng. Điều này đặc biệt áp dụng cho fading chậm khi UE người đi bộ chuyển động chậm có thể bù trừ hiệu ứng fading nhanh. Giá trị điển hình của dự trữ fading nhanh là 2-5 dB cho các UE chuyển động chậm. ▪ Độ lợi chuyển giao mềm: Chuyển giao mềm hay cứng đảm bảo một độ lợi để chống lại fading (fading log chuẩn) bằng cách giảm dự trữ fading log chuẩn. Sở dĩ như vậy vì fading chậm thường không tương quan giữa các trạm gốc và bằng cách chuyển giao, UE có thể chọn BS tốt hơn. Chuyển giao mềm cung cấp độ lợi phân tập vĩ mô bổ sung để chống lại fading nhanh bằng cách giảm liên quan đến một đường truyền đơn nhờ việc kết hợp của phân tập vĩ mô. Tổng độ lợi của chuyển giao mềm được giả thiết rằng bằng 2-3 dB, bao gồm độ lợi chống lại fading chậm và nhanh. Như vậy, qua hình 3.2 có thể thấy rằng việc tính toán quỹ đường truyền nhằm xác định suy hao đường truyền cực đại cho phép là một yếu tố vô cùng quan trọng để từ đó xây dựng vùng phủ sóng cho hệ thống WCDMA. Hình 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới vùng phủ đường lên Độ nhạy máy thu BS Băng tần thu, máy thu RF, anten… Yêu cầu dung lượng đường lên Tốc độ bit Phân tập: đa đường, anten, macro… Công suất phát MS Dự trữ nhiễu Độ lợi xử lý Dự trữ fading Suy hao đường truyền cực đại cho phép (dB) Mô hình lan truyền Tần suất phủ yêu cầu Cự ly cell cực đại (km) Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 39 Mục này sẽ khảo sát quỹ đường truyền hướng lên cho các dịch vụ UMTS: dịch vụ thoại 12.2 kbit/s sử dụng codec tiếng ARM (thuê bao đi xe ô tô tốc độ 120km/h và có chuyển giao mềm); dịch vụ số liệu thời gian thực 144kbit/s (thuê bao trong nhà có tốc độ 3km/h, được phủ sóng bởi BS ngoài trời, có chuyển giao mềm); dịch vụ số liệu phi thời gian thực 384kbit/s (thuê bao ở ngoài trời có tốc độ 3km/h và không có chuyển giao mềm). Các tham số của quỹ đường truyền được cung cấp ở bảng dưới đây. Giá trị của các tham số này được cho trong [2]. Thông số Công thức 12.2kbit/s 144kbit/s 384kbit/s Máy phát MS Công suất phát cực đại (dBm) a 21 24 24 Hệ số khuyếch đại anten MS (dBi) b 0 2 2 Tổn hao cơ thể (dB) c 3 0 0 EIRP (dBm) d = a + b - c 18 26 26 Máy thu trạm gốc BS Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) e -174 -174 -174 Hệ số tạp âm máy thu trạm gốc (dB) f 5 5 5 Mật độ phổ tạp âm máy thu (dBm/Hz) g = e + f -169 -169 -169 Công suất tạp âm máy thu (dBm) h = g + 10lg(3840000) -103.2 -103.2 -103.2 Dự trữ nhiễu (dB) k 3 3 3 Tổng tạp âm hiệu dụng cộng nhiễu (dBm) i = h + k -100.2 -100.2 -100.2 Độ lợi xử lý (dB) j= 10lg(3840/Rt) 25 14.3 10 yêu cầu (dB) l 5 1.5 1 Độ nhạy máy thu (dBm) m = l – j + i -120.2 -113 -109.2 Các phần tử khác Hệ số khuếch đại anten trạm gốc (dB) n 18 18 18 Tổn hao cáp ở BS (dB) o 2 2 2 Dự trữ fading nhanh p 0 4 4 Tổn hao đường truyền cực đại (dB) q = d – m + n –o - p 154.2 151 147.2 Dự trữ fading log chuẩn (dB) r 7.3 4.2 7.3 Độ lợi chuyển giao mềm (dB) s 3 2 0 Tổn hao trong nhà t 8 15 0 Tổn hao truyền sóng cho phép đối với vùng phủ của cell (dB) u = q –r + s - t 141.9 133.8 139.9 Bảng 3.1 Quỹ đường truyền tham khảo cho các dịch vụ UMTS Từ bảng trên có thể rút ra những nhận xét như sau: Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 40 ▪ Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ thoại 12.2kbit/s ARM không có dự trữ fading nhanh vì tại tốc độ 120km/h điều khiển công suất không bù được fading. Thông thường tốc độ thấp của UE là yếu tố để giới hạn dự trữ fading nhanh. ▪ yêu cầu phụ thuộc vào tốc độ bit, dịch vụ, đặc điểm của tuyến đa đường truyền, tốc độ máy di động, thuật toán thu và cấu trúc anten trạm BS. Đối với các UE có tốc độ thấp thì yêu cầu thấp. ▪ Công suất phát UE trong các trường hợp tốc độ bit lớn thì cao hơn so với tốc độ bit bé. ▪ Độ lợi xử lý trong các trường hợp cũng khác nhau. Tốc độ bit càng thấp thì độ lợi xử lý càng cao và ngược lại. Dưới đây là giao diện của quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên cho tốc độ bit 12.2 kbit/s với các tham số được mặc định sẵn. Hình 3.3 Quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên ứng với tốc độ 12.2 kbit/s Ngoài các tham số được mặc định sẵn thì người dùng có thể tự tạo cho mình các thông số tùy ý bằng cách kích hoạt phím “nhập mới”. Việc nhập mới này phải nằm trong một khoảng giá trị cho phép nhằm đảm bảo tính hợp lý cho chương trình. 3.4. Mô hình tính toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC và điều khiển công suất phân tán DPC trong hệ thống WCDMA Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 41 3.4.1. Thông số đầu vào + Nhập số lượng UE có kết nối với trạm gốc phục vụ: NUE ( 0 < NUE < 8) + Khởi tạo ngẫu nhiên vectơ (P1, P2, …, PNUE)  Pmax là công suất ban đầu của NUE UE. + Nhập tốc độ dữ liệu của UE. + Nhập các thông số của máy phát UE. + Nhập các thông số của máy thu trạm gốc BS. Các thông số đầu vào được người dùng nhập ở form “ Nhập số liệu” trước khi thực hiện điều khiển công suất hệ thống. Trong chương trình này có hỗ trợ ba bộ dữ liệu hệ thống WCDMA tham khảo tương ứng với ba tốc độ dữ liệu khác nhau của UE: 12.2 kbit/s, 144kbit/s, 384kbit/s. Dưới đây là giao diện của form “nhập số liệu” trong chương trình. Hình 3.6 Giao diện của form nhập số liệu để thực hiện việc điều khiển công suất Trong hình 3.6 trên, các thông số đầu vào đã được mặc định sẵn cho tốc độ 144kbit/s và số lượng UE kết nối đồng thời với trạm gốc trong cell là 5. Cũng giống như bài toán quỹ đường truyền hướng lên, ở form “nhập số liệu” này cũng cho phép người dùng có thể tự điều chỉnh các thông số điều khiển. Và các thông số này cũng nằm trong một khoảng giá trị cho phép và buộc người dùng phải Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 42 thiết lập trong khoảng đó. Khi người dùng nhập thông số không đúng như khoảng giá trị giới hạn thì sẽ được yêu cầu nhập lại thông số đó. 3.4.2. Các công thức tính toán trong chương trình [2]  Khuếch đại công suất di động Pma = Pme - Lm + Gm [dBm] (3.1) Trong đó: Pma : Công suất ra của bộ khuếch đại công suất di động [dBm]. Pme : EIRP từ anten phát của UE [dBm]. Lm : Suy hao cáp giữa đầu ra của bộ khuếch đại công suất và đầu vào của anten UE [dB]. Gm : Tăng ích anten phát UE [dBm].  Công suất thu ở BS trên người sử dụng Pr = Pme - Lp - Al + Gt - Lt [dBm]. (3.2) Trong đó: Pr : Công suất kênh lưu lượng thu tại BS phục vụ từ UE [dBm]. Lp : Tổn hao truyền sóng trung bình giữa UE và BS [dB]. Al : Suy hao fading chuẩn loga [dB]. Gt : Tăng ích anten thu BS [dB]. Lt : Tổn hao conector và cáp thu của BS [dB].  Mật độ công suất của các UE khác ở BS phục vụ Iutr = Pr + 10*lg(Nt - 1) + 10*lgCa – 10*lgBw [ dBm/Hz ] (3.3) Trong đó: Iutr : Mật độ nhiễu giao thoa từ các UE khác ở BS phục vụ [dBm/Hz]. Ca : Hệ số tích cực thoại kênh lưu lượng (0,4 ÷ 0,6). Nt : Số kênh lưu lượng trong cell đang xét . Bw : Độ rộng băng tần [Hz].  Mật độ nhiễu giao thoa từ các trạm di động ở các BTS khác Ictr = Iutr + 10*lg(1/ fr -1 ) [dBm/Hz] (3.4) Trong đó: Ictr : Mật độ nhiễu giao thoa từ các UE ở các BS khác. [dBm/Hz] fr : Hệ số tái sử dụng tần số (0,6).  Mật độ nhiễu giao thoa từ các UE khác tại BS đang phục vụ và từ các BS khác Itr = 10 *lg (10 0,1* I utr + 10 0,1* I ctr ) [dBm/Hz] (3.5) Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 43 Trong đó: Itr : Mật độ nhiễu giao thoa từ các UE khác đến BS đang phục vụ và từ các BS khác [dBm/Hz].  Mật độ tạp âm nhiệt N0 = 10* lg (290 * 1,38 . 10 -23) + Nf + 30 [dBm/Hz] (3.6) Trong đó: N0 : Mật độ tạp âm nhiệt tại nhiệt độ tham khảo 290 oK. Nf : Hệ số tạp âm của máy thu BS [dB].  Mật độ phổ công suất nhiễu I0 = 10*lg ( 10 0,1* I tr + 10 0,1* N0 ) [dBm/Hz] (3.7)  Tính SIR wo r .BI P SFSIR  (3.8) với: I = I0 * Bw hay SIR = SF (dB) +Pr (dBm) – Io – 10*lg(Bw) [dB] 3.4.3. Tính toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC 3.4.3.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển Lưu đồ thuật toán điều khiển (hình 3.8) với các thông số được giả thiết khởi tạo ban đầu là:  SIRmax = 33 dB  SIRopt_max = 27 dB  SIRopt_min = 19 dB  SIRmin = 8 dB  alpha( ) = 0.5  petamax(βmax) =2  petamin(βmin) = 1  gamma ( ) =  1  số bước lặp điều khiển là số lần lặp của bộ timer1. Các giá trị trên tham khảo trong [5]. Những thông số này có thể được thiết lập lại ở Form “Nhập số liệu” theo tuỳ chọn của người điều khiển đối với hệ thống cần điều khiển. Chương trình mô phỏng sẽ nhận các thông số đầu vào, áp dụng các công thức tính toán trong mục (3.4.2) vào lưu đồ thuật toán để điều khiển công suất. Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 44 Việc điều khiển theo bước động DSSPC phải luôn đảm bảo theo nguyên tắc sau: Pmin ≤ Pđk ≤ Pmax. Dưới đây là lưu đồ thuật toán của điều khiển công suất theo bước động DSSPC. Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán của phương pháp DSSPC Sai Sai Sai Lệnh giảm công suất truyền Pdki = Poi - .min Đúng lap NL Kết thúc Lệnh giảm công suất truyền Pdki = Poi - .max Công suất nhận là tối ưu Pdki = Poi Đúng Đúng SIRopt_min  SIR_reali Đúng SIR_reali > SIR _max SIRopt_max SIR_reali Pmin  Pđki  Pmax Đúng Sai Đúng lap = lap +1 Sai i = i + 1 Poi = Pdki i  NUE Lệnh tăng công suất truyền Pdki = Poi + .max Sai Đúng Lệnh tăng công suất truyền Pdki = Poi + .min Sai SIR_min  SIR_reali * Các thông số: + Pmax, NUE, NL(Nlap) + SIR_max, SIR_min,SIRopt_max, SIRopt_min. + (Po1,Po2,…,PoNUE)  Pmax + , max, min lap = 1 Bắt đầu Các thông số i = 1 SIR_reali Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 45 3.4.3.2. Kết quả tính toán Hình 3.9 Bảng thông số điều khiển công suất theo DSSPC Đây là bảng tính toán các thông số trước và sau quá trình điều khiển công suất theo bước động DSSPC.  Thông số trước khi điều khiển công suất + Số lượng UE kết nối đồng thời với trạm gốc phục vụ là 5, được đánh theo số thứ tự từ UE1 tới UE5. + Công suất phát của mỗi UE được lấy ngẫu nhiên trong khoảng [-30,18]. Công suất này chính là Pme được dùng trong công thức (4.1) và (4.2). + Giá trị SIR trước điều khiển được tính theo các công thức trong mục (4.5.2). + SIRmax = 33 dB, SIRopt_max = 27 dB, SIRopt_min = 19 dB, SIRmin = 8 dB, α = 0.5, βmin = 1, βmax = 2, γ = .  Thông số sau khi điều khiển công suất Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 46 + Có thể thấy giá trị thông số của UE5 hầu như không thay đổi ngay cả trước và sau khi điều khiển. Sở dĩ như vậy là do giá trị SIR_tính được trước khi điều khiển công suất (cũng chính là giá trị SIR đo đạc trong thực tế) nằm trong khoảng SIR_opmin ≤ SIR_tính ≤ SIR_opmax. Theo như thuật toán DSSPC thì khi đó SIR_tính sẽ đạt giá trị tối ưu và công suất phát của UE sẽ được giữ nguyên, không thay đổi. Đây là điều mà BS phục vụ luôn mong muốn nhận được. + UE2, UE3, UE4 lại có giá trị SIR_tính nhỏ hơn giá trị SIR_opmin. Khi đó, BS sẽ điều khiển cho UE tăng công suất phát để đạt được SIR nằm trong vùng tối ưu. Và khi SIR đạt được giá trị tối ưu rồi thì công suất phát của UE sẽ không tăng nữa, luôn giữ ở mức ổn định. Tuy nhiên, việc tăng giá trị công suất này đến một mức nào đó phải thỏa mãn điều kiện cho phép. Đó là phải luôn đảm bảo nằm trong khoảng (Pmin, Pmax). + UE1 có giá trị SIR_tính lớn hơn SIR_opmax nên BS phục vụ sẽ điều khiển cho UE giảm công suất phát để giảm SIR. Khi SIR giảm tới một mức nào đó để đạt đến giá trị tối ưu thì công suất phát của UE lúc đó cũng sẽ không giảm nữa, mà được duy trì ổn định. Và cũng giống như trường hợp trên, việc giảm giá trị công suất này cũng phải nằm trong điều kiện (Pmin, Pmax). Hình 3.10 là đồ thị biểu diễn giá trị SIR và Pdk sau khi đã được điều khiển theo thuật toán DSSPC đã phản ánh tương đối chính xác các thông số. Trong khoảng thời gian rất ngắn đầu tiên (cỡ 0.5s) thì giá trị SIR thăng giáng khá mạnh, phá vỡ mối quan hệ tỷ lệ giữa SIR và Pdk. Tuy nhiên, ngay sau đó, SIR và Pdk đã phản ánh đúng quan hệ tỷ lệ thuận của mình như trong công thức (3.8). Các SIR càng gần với giá trị tối ưu bao nhiêu thì thời gian hội tụ của SIR càng ngắn bấy nhiêu. Và khi SIR đã nằm trong vùng hội tụ này thì công suất phát của UE dường như không thay đổi theo thời gian. Ngược lại, đối với các UE có SIR_tính nằm xa giá trị tối ưu thì thời gian để SIR đạt được giá trị hội tụ càng lâu. Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 47 Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn SIR và Pdk theo phương pháp DSSPC Nhận xét: - Sự biến đổi của Pđk (Công suất điều khiển), SIR của mỗi UE (để tiến vào vùng tối ưu là khoảng giá trị (SIRoptmin, SIRoptmax)) tại mỗi bước lặp trên đồ thị là quan hệ tỷ lệ thuận với nhau phản ánh đúng với mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa Pr và SIR. - Khi SIR của mỗi UE đã hội tụ vào vùng tối ưu thì hệ thống đạt được trạng thái ổn định tức SIR, Pđk dường như không đổi theo thời gian. Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 48 3.5.3. Tính toán điều khiển công suất phân tán 3.5.3.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển [6] SIR đích được thiết lập ban đầu, trong mô phỏng này chọn SIRđích = 7 dB đối với tín hiệu thoại, hệ số hội tụ k có tác động trực tiếp đến sự hội tụ của SIR và Pđk của mỗi UE, k càng lớn thì tốc độ hội tụ nhanh và ngược lại. Tuy nhiên k lớn quá gây dao động hệ thống, theo nhiều lần thực nghiệm nên chọn k = 0.04 là hợp lý đối với chương trình tính toán. Thuật toán DPC với các thông số ban đầu được thiết lập như sau: + Nhập số lượng UE kết nối đồng thời tới trạm gốc phục vụ nó sao cho NUE nằm trong khoảng giá trị [1,7]. + Số lần điều khiển công suất của hệ thống mặc định là 300 lần. Giá trị này có thể thay đổi khác nhau tùy theo người dùng. + Khởi tạo ngẫu nhiên vecto công suất phát ban đầu có độ dài tương ứng với NUE . Tuy nhiên, các giá trị công suất phát ngẫu nhiên của UE này phải luôn thỏa mãn điều kiện: Pmin ≤ Po ≤ Pmax. + SIRđích =7 (dB). + Hệ số hội tụ k = 0.04. + Pmin = -50 (dBm). + Pmax = 21 (dBm). + Pdki = Poi + e k*(SIRđích - SIRi) (3.9) [dBm] [dBm] [dBm] Điều kiện: Pmin ≤ Pdk ≤ Pmax Dưới đây là lưu đồ thuật toán của phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC trong hệ thống. Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 49 Đúng Poi = Pdki i  NUE i = i + 1 Sai Đúng i  Nlap Kết thúc Sai Đúng Bắt đầu NUE,Nlap,SIRđích,Pmax Pmin ≤ (Po1,Po2,…,PoNUE)  Pmax i = 1 lap = 1 SIRi Pdki = Poi + e k*(SIRđích - SIRi) [dBm] [dBm] [dBm] lap = lap + 1 Sai Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán phương pháp DPC Pmin  Pdki  Pmax Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 50 3.5.3.2. Kết quả tính toán Hình 3.12 Bảng thông số trong điều khiển công suất theo DPC  Thông số trước khi điều khiển công suất + Số lượng UE kết nối đồng thời với BS là 5, thỏa mãn NUE nằm trong khoảng [1,7]. + Giá trị công suất phát mỗi UE được lấy ngẫu nhiên trong khoảng [-50,21] dBm. + SIR_tính trước khi điều khiển công suất được tính theo các công thức (3.4.2).  Thông số sau khi điều khiển công suất + Giá trị SIR_tính của các UE khác nhau cùng hội tụ về một giá trị SIRđích. Vì SIRđích thiết lập bằng 7 dB nên các SIR_tính cũng phải tiến tới giá trị tối ưu đó. + Giá trị công suất điều khiển Pdk sẽ tiến tới không thay đổi theo thời gian khi SIR được hội tụ về giá trị SIRđich. Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 51 Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn SIR và Pdk theo phương pháp DPC Nhận xét: - Ở giai đoạn đầu điều khiển SIR biến đổi nhanh trong tích tắc trong khi sự biến đổi tương ứng Pđk của mỗi UE chậm hơn nên quan hệ tỷ lệ thuận giữa chúng không được phản ánh rõ nét. Tuy nhiên ở ngay giai đoạn sau, SIR hội tụ dần về SIRđích và Pđk không đổi theo thời gian và Pmin ≤ Pđk ≤ Pmax . - Đồ thị SIR và Pđk phản ánh đúng với thuật toán điều khiển: đồ thị biến thiên dạng hàm số e mũ, đúng với công thức (3.9). - Tốc độ hội tụ của SIR và Pđk nhanh hơn so với phương pháp DSSPC. 3.6. Kết luận Kỹ thuật điều khiển công suất theo bước động DSSPC dựa trên tham số tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa SIR để điều khiển công suất truyền bằng cách dùng Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 52 khái niệm ngưỡng nhiều mức. Tốc độ điều chỉnh công suất cũng rất nhanh. Do đó phương pháp này có khả năng chi phối linh hoạt sự thay đổi fading của tín hiệu truyền. Kỹ thuật điều khiển công suất phân tán DPC không yêu cầu thông tin trạng thái tập trung tất cả các kênh riêng lẻ. Thay vào đó, nó có thể thích nghi các mức công suất nhờ sử dụng các phép đo vô tuyến cục bộ, chú ý tới thay đổi chất lượng dịch vụ đồng thời giải quyết hiệu ứng tồn tại trong hệ thống tế bào. Tuy nhiên, phương pháp này không xét đến sự liên quan giữa các kết nối mới cho QoS của các kết nối hiện hữu và cần nhiều thời gian hơn để tối ưu hoá mức SIR. Phụ lục 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO  [1]. Đinh Thị Thái Mai, “Hệ thống thông tin hiện đại”, ĐH Công nghệ Hà Nội [2]. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động thế hệ 3”, Nhà xuất bản Bưu điện 2001. [3]. Harri Holma, Antti Toskala, “ WCDMA for UMTS- Radio access for third generation mobile communications”, John Wiley & Sons. Ltd, 2004 [4]. Yue Chen,“Soft Handover Issues in Radio Resource & Management for 3G WCDMA Networks”, Doctor of Thesis. [5]. Siamak Naghian, Matti Rintamaki, Ramin Baghaie, “ Dynamic Step-Size power control”, Nokia Group, Finland. [6]. S. Zhu, S. Dong, “Fast convergence distributed power control algorithm for WCDMA systems”, IEE Proc. Commun., Vol. 150, No.2, April 2003 [7]. Tham khảo trên nhiều Website :www.google.com, Wikipedia.org [8]. Nhiều tài liệu tham khảo khác.