Giáo trình 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 chuyể