HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 UMTS
Giới thiệu chương
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, nhu cầu về dịch vụ hệ thống thông tin di động ngày càng tăng cao, đặc biệt là trong lĩnh vực truyền số liệu Để đáp ứng yêu cầu này, các nhà khai thác cần triển khai hệ thống thông tin di động mới Trong bối cảnh đó, Hiệp hội Viễn thông Quốc tế (ITU) đã đề xuất tiêu chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ ba, gọi là IMT-2000 Đồng thời, các cơ quan tiêu chuẩn hóa cũng đang thúc đẩy xây dựng tiêu chuẩn cho IMT-2000 thông qua dự án 3GPP (Third Generation Partnership Project).
Project) Hệ thống thông tin di động thế hệ ba được ra đời từ dự án 3GPP được gọi là hệ thống thông tin di động UMTS/WCDMA
Chương này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống thông tin di động thế hệ ba, đặc biệt là hệ thống UMTS, thông qua việc phân tích cấu trúc mạng của nó.
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 IMT-2000
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba, được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IMT-2000 (Viễn thông di động quốc tế 2000), bao gồm các tiêu chí chung quan trọng Những tiêu chí này nhằm đảm bảo sự đồng bộ và hiệu quả trong việc phát triển công nghệ di động, phục vụ nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng.
- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2 GHz như sau :
- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các hình loại thông tin vô tuyến: + Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến
+ Tương tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông
- Sử dụng các môi trường khai thác khác nhau như :
+ Trong công sở + Ngoài đường
- Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho tiếng, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch gói
- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện
- Cung cấp hai mô hình truyền dữ liệu đồng bộ và không đồng bộ
- Có khả năng chuyển vùng toàn cầu
- Có khả năng sử dụng giao thức Internet
- Hiệu quả sử dụng phổ tần cao hơn các hệ thống đã có
Môi trường hoạt động của IMT- 2000 được chia thành bốn vùng với tốc độ bit Rb phục vụ như sau :
- Vùng 1 : trong nhà, ô pico, RbĠ 2 Mbps
- Vùng 2 : thành phố, ô micro, RbĠ 384 Mbps
- Vùng 3 : ngoại ô, ô macro, RbĠ 144 Kbps
- Vùng 4 : toàn cầu, Rb = 9,6 Kbps
Hiện nay hai tiêu chuẩn đã được chấp thuận cho IMT- 2000 là :
- WCDMA được xây dựng trên cơ sở cộng tác của Châu Âu và Nhật Bản
- Cdma2000 do Mỹ xây dựng
Phân bố tần số cho IMT-2000
Phân bố tần số cho IMT-2000 cho châu Âu, Nhật Bản, Hàn Quốc và Mỹ được thể hiện như trong hình sau đây
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 15
Châu Âu và nhiều quốc gia châu Á sử dụng băng tần IMT-2000 2x60MHz cho hệ thống WCDMA FDD, với DCS 1800 hoạt động ở băng tần 1710-1755 MHz cho đường lên và 1805-1850 MHz cho đường xuống Băng tần TDD tại châu Âu có thể thay đổi tùy thuộc vào việc cấp giấy phép cho các ứng dụng Hệ thống FDD sử dụng băng tần khác nhau cho đường lên và xuống, trong khi hệ thống TDD sử dụng cùng một tần số cho cả hai hướng.
Nhật Bản áp dụng hệ thống thế hệ hai PDC, trong khi Hàn Quốc sử dụng IS-95 cho cả khai thác tổ ong và PDS Việc ấn định phổ PCS ở Hàn Quốc khác với Mỹ, cho phép Hàn Quốc tận dụng toàn bộ phổ tần của IMT-2000 Ngược lại, tại Nhật Bản, một phần phổ của IMT-2000 TDD đã được sử dụng cho PHS.
Mỹ đã ngừng cấp phép phổ tần cho các hệ thống thông tin di động thế hệ ba Các dịch vụ của thế hệ ba sẽ được triển khai bằng cách thay thế phổ tần của hệ thống thông tin thế hệ ba bằng phổ tần của hệ thống PCS thế hệ hai đang hoạt động hiện tại.
Mô hình tổng quát cho mạng IMT-2000
GSM DECT IMT-2000 MSS IMT-2000 MSS
PHS IMT-2000 MSS IMT-2000 MSS
Mạng IMT-2000 có mô hình tổng quát như sau:
Hình 1.2 Mô hình tổng quát cho mạng IMT-2000 [3]
Trong đó, các dạng máy đầu cuối bao gồm:
- Thoại cầm tay, thoại: 8/16/32 kbit/s
Cửa số liệu như PCMCIA cho phép truyền số liệu qua modem thoại với các tốc độ 1,2 kbit/s, 2,4 kbit/s, 4,8 kbit/s, 9,6 kbit/s, 19,2 kbit/s và 28,8 kbit/s Ngoài ra, nó cũng hỗ trợ truyền số liệu số chuyển mạch kênh với tốc độ 64 kbit/s và 128 kbit/s, cùng với khả năng đầu cuối video thấp hơn 2 Mbít/s.
- Ảnh tĩnh (đầu cuối cho PSTN)
- Máy ảnh xách tay: Được phân loại theo cấp chất lượng
- Đầu cuối giống như máy TV
Các dịch vụ ứng dụng
Vùng thiết bị đầu cuối
Giao diện ngưòi sử dụng
Giao diện ngưòi sử dụng
Thiết bị đầu cuối Thiết bị đầu cuối Thiết bị đầu cuối Thiết bị đầu cuối
- Phát quảng bá thông tin truy nhập hệ thống
- Phát và thu vô tuyế n
- Điề u khiể n truy nhậ p vô tuyế n
- Điều khiển tài nguyên theo quy định
- Quản lý nhận thực Vùng mạng truy nhập Vùng mạng lõi
Vùng các dịch vụ ứng dụng
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 17
- TV cầm tay có khả năng thu được MPEG
- Đầu cuối số liệu gói
- PC vở ghi có cửa sổ thông tin cho phép ( Điện thoại thấy hình/ Văn bản hình ảnh truy nhập cơ sở dữ liệu vào)
- Đầu cuối PDA (PDA tốc độ thấp / PDA tốc độ cao hoặc trung bình / PDA kết hợp với sách điện tử bỏ túi)
- Máy nhắn tin hai chiều
- Sách điện tử bỏ túi có khả năng thông tin Đối với mạng truy nhập vô tuyến mặt đất ITU đã chấp thuận họ IMT-2000 gồm 5 công nghệ:
IMT DS, hay còn gọi là UTRA FDD, là một phần của công nghệ UMTS, hoạt động theo chế độ FDD (truy cập vô tuyến mặt đất) Công nghệ này còn được biết đến với tên gọi WCDMA, đại diện cho CDMA băng rộng, mang lại khả năng truyền tải dữ liệu hiệu quả và ổn định trong các mạng di động.
- IMT MC (Multi carriers – Đa sóng mang): Hệ thống này là phiên bản 3G của IS-95 (cdmaOne) được biết đến là cdma2000
- IMT TC (Time Code – Mã Thời gian): đây là UTRA TDD
- IMT SC (Single carrier - Đơn sóng mang): Đây là một dạng GSM pha 2 + (EDGE)
- IMT FT (Frequency Time – Tần số Thời gian): Đây là hệ thống DECT Tổng kết các đề xuất trên ta được sơ đồ sau:
Hình 1.3 Các đề xuất đối với mạng truy cập vô tuyến
Công nghệ WCDMA
WCDMA (Wideband CDMA) là công nghệ di động thế hệ ba, cải thiện tốc độ truyền dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách sử dụng kỹ thuật CDMA ở băng tần rộng thay thế cho TDMA Trong số các công nghệ di động thế hệ ba, WCDMA được ưa chuộng nhất nhờ tính linh hoạt của lớp vật lý, hỗ trợ nhiều loại dịch vụ, đặc biệt là dịch vụ có tốc độ bit thấp và trung bình.
WCDMA có các đặc điểm cơ bản sau :
- Là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, có tốc độ bit lên cao (lên đến 2 Mbps)
Chip hoạt động với tốc độ 3,84 Mcps và băng thông 5 MHz, mang lại tốc độ dữ liệu cao cùng nhiều lợi ích như khả năng đa phân tập tốt hơn.
Hỗ trợ tốc độ người dùng thay đổi liên tục, mỗi người dùng cung cấp một khung riêng biệt Trong khung này, tốc độ dữ liệu được giữ cố định, nhưng tốc độ có thể thay đổi linh hoạt theo nhu cầu.
IMT-SC (Đơn sóng mang)
ITM-MC (Đa sóng mang)
IMT-TC (Mã thời gian) TD- CDMA
IMT-FT (Thời gian tần số)
Kết nối mạng vô tuyến
IMT-DS (Chuỗi trực tiếp) WCDMA
Mạng lõi IS-41 phát triển lên
Mạng lõi GSM phát triển lên
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 19
Hệ thống hỗ trợ cả hai mô hình vô tuyến FDD và TDD Trong mô hình FDD, sóng mang 5 MHz được sử dụng riêng cho đường lên và đường xuống, trong khi mô hình TDD cho phép sóng mang 5 MHz chia sẻ theo thời gian giữa hai hướng truyền này.
- WCDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễ dàng phát triển các trạm gốc vừa và nhỏ
- WCDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trên kênh hoa tiêu, do đó có thể nâng cao dung lượng và vùng phủ
WCDMA được tối ưu hóa cho khả năng nâng cấp dễ dàng hơn so với các hệ thống CDMA truyền thống, nhờ vào việc tách sóng đa người sử dụng và ứng dụng anten thông minh, giúp tăng cường dung lượng và mở rộng vùng phủ sóng.
- WCDMA được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng và dung lượng của mạng
- Lớp vật lý mềm dẻo dễ thích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang
- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1
- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến
Nhược điểm chính của W_CDMA là hệ thống này không hỗ trợ băng TDD phát liên tục và không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu trong các môi trường làm việc khác nhau Tuy nhiên, W_CDMA cũng có những ưu điểm nổi bật.
- Khả năng chống Fading tốt hơn
- Điều khiển công suất hoàn hảo
- Kết hợp đa đường và cân bằng nhiễu
- Cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêu cầu Điều này xuất phát từ khả năng thay đổi tốc độ bit của các dịch vụ khác nhau
Hệ thống này không phụ thuộc vào GPS để đồng bộ hóa, mà tận dụng cơ sở hạ tầng GSM hiện có, chủ yếu là MSC và BS.
Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA cung cấp dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2 Mbps, hỗ trợ nhiều kiểu truyền dẫn như đối xứng, không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và đa điểm Nhờ vào khả năng này, các hệ thống di động thế hệ ba dễ dàng cung cấp các dịch vụ mới như điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh và các dịch vụ đa phương tiện khác.
Với công nghệ WCDMA, các thuê bao chia sẻ cùng một tần số và được phân biệt bởi các mã riêng, khiến tín hiệu vô tuyến từ người dùng khác trở thành tín hiệu nhiễu.
Trong WCDMA, việc giảm thiểu công suất phát của mỗi thuê bao là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng và dung lượng của NodeB, do hạn chế công suất phát của NodeB Để giải quyết vấn đề này, kỹ thuật Máy thu Rake và Điều khiển công suất được áp dụng Chi tiết về vấn đề này sẽ được trình bày rõ hơn trong chương 2.
Hệ thống UMTS
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 được thiết kế nhằm cung cấp một mạng di động toàn cầu với các dịch vụ đa dạng như thoại, nhắn tin, Internet và dữ liệu băng rộng Tại Châu Âu, hệ thống này đã được tiêu chuẩn hóa bởi Học viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) theo tiêu chuẩn IMT.
In 2000, the International Telecommunication Union (ITU) introduced the Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), which serves as the successor to the 2G GSM (Global System for Mobile Communication) UMTS was designed to meet the growing demands for mobile services and internet applications, offering transmission speeds of up to 2 Mbps and establishing a global roaming standard.
UMTS, developed by the Third Generation Partnership Project (3GPP), is a collaborative initiative involving various standardization bodies, including ETSI (Europe), ARIB/TCC (Japan), ANSI (USA), TTA (South Korea), and CWTS (China).
Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 đã đưa ra các phổ tần số dùng cho hệ thống UMTS:
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 21
1920 ÷ 1980 MHz và 2110 ÷ 2170 MHz dành cho các ứng dụng FDD (Frequency Division Duplex: ghép kênh theo tần số) đường lên và đường xuống, khoảng cách kênh là 5 MHz
Hình 1.4 Các phổ tần dùng cho hệ thống UMTS
1900 MHz ÷ 1902 MHz và 2010 ÷ 2025 MHz dành cho các ứng dụng TDD – TD/CMDA, khoảng cách kênh là 5 MHz
1980 MHz ÷ 2010 MHz và 2170 MHz ÷ 2200 MHz dành cho đường xuống và đường lên vệ tinh
Năm 1998 3GPP đã đưa ra 4 tiêu chuẩn chính của UMTS:
- Mạng truy nhập vô tuyến
1.6.2 Dịch vụ của hệ thống UMTS
3 GPP đã xây dựng tiêu chuẩn cho các dịch vụ của hệ thống UMTS nhằm đáp ứng :
- Định nghĩa và các đặc điểm yêu cầu của dịch vụ
- Phát triển dung lượng và cấu trúc dịch vụ cho các ứng dụng mạng tổ ong, mạng cố định và mạng di động
- Thuê bao và tính cước
UMTS cung cấp các dịch vụ xa như thoại và tin nhắn ngắn (SMS), cùng với các dịch vụ mạng cho phép truyền tín hiệu giữa người dùng và mạng Các mạng này có các tham số chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau, bao gồm độ trễ truyền dẫn tối đa, độ trễ truyền biến thiên và tỷ lệ lỗi bit (BER) Tốc độ dữ liệu yêu cầu cũng được xác định rõ ràng.
( 144 Kbps cho môi trường vệ tinh và nông thôn
( 384 Kbps cho môi trường thành phố (ngoài trời)
( 2084 Kbps cho môi trường trong nhà và ngoài trời với khoảng cách gần
Hệ thống UMTS có 4 loại Q0S sau:
Loại hội thoại (thoại, thoại thấy hình, trò chơi)
Loại luồng (đa phương tiện, video theo yêu cầu…)
Loại tương tác (duyệt web, trò chơi qua mạng, truy nhập cơ sở dữ liệu)
Loại cơ bản (thư điện tử, SMS, tải dữ liệu xuống)
Yếu tố chính phân biệt các loại này là độ nhạy cảm với độ trễ; cụ thể, hội thoại rất nhạy cảm với độ trễ, trong khi loại cơ bản lại ít nhạy cảm hơn.
Các loại Q0S của UMTS được tổng kết ở bảng (1.1)
Bảng 1.1 Các loại Q0S của hệ thống UMTS
Loại hội thoại Loại luồng Loại tương tác Loại cơ bản
Các đặc tính cơ bản
Dành trước quan hệ thời gian giữa các
Dành trước quan hệ thời gian giữa các
Yêu cầu mẫu trả lời trước Dành trước số
Nơi nhận không đợi số liệu trong
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 23 đề cập đến thực thể thông tin của luồng, với mẫu hội thoại có tính chặt chẽ và độ trễ nhỏ Điều này đảm bảo rằng thực thể thông tin được duy trì toàn vẹn trong khoảng thời gian nhất định, đồng thời dành trước số liệu toàn vẹn cho các mục đích phân tích.
Thí dụ về ứng dụng
- Duyệt Web -Các trò chơi qua mạng
1.6.3 Cấu trúc của hệ thống UMTS
Hệ thống UMTS có cấu trúc tổng quan bao gồm các phần tử mạng logic và giao diện Nó sử dụng cấu trúc tương tự như hệ thống thế hệ 2 và còn kế thừa một phần từ hệ thống thế hệ 1.
Mỗi phần tử mạng logic đảm nhận một chức năng cụ thể và thường được định nghĩa theo tiêu chuẩn, đồng thời cũng có thể hiện diện dưới dạng vật lý Đặc biệt, một số giao diện mở cho phép sử dụng thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau tại các điểm cuối Các phần tử mạng có thể được phân loại dựa trên chức năng tương đồng hoặc theo mạng con mà chúng thuộc về.
Hình 1.5 Cấu trúc của hệ thống UMTS
Về mặt chức năng có 2 nhóm phần tử mạng:
* Mạng truy nhập vô tuyến (RAN: Random Access Network hay UTRAN : UMTS Terrestrial RAN) thực hiện chức năng liên quan đến vô tuyến
Mạng lõi (Core Network) có vai trò quan trọng trong việc chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi và kết nối dữ liệu Để hệ thống hoạt động hoàn chỉnh, cần có thiết bị người sử dụng (UE: User Equipment) để tạo giao diện giữa người dùng và hệ thống, đồng thời cần xác định rõ giao diện vô tuyến.
Cấu trúc hệ thống mức cao được mô tả trong hình (1.2), trong đó cả UE và UTRAN đều tích hợp các giao thức mới được thiết kế dựa trên nhu cầu của công nghệ vô tuyến WCDMA Ngược lại, định nghĩa của CN lại dựa trên công nghệ GSM, cho phép hệ thống vô tuyến mới hoạt động toàn cầu dựa trên nền tảng CN đã phát triển và quen thuộc.
Một phương pháp chia nhóm trong mạng UMTS là phân chia thành các mạng con, với hệ thống được thiết kế theo mô-đun Điều này cho phép có nhiều phần tử mạng cùng loại, giúp chia hệ thống UMTS thành các mạng con hoạt động độc lập hoặc phối hợp với nhau Mỗi mạng con được phân biệt bằng các nhận dạng duy nhất và được gọi là mạng di động mặt đất công cộng UMTS (UMTS PLMN) Thông thường, mỗi PLMN được khai thác riêng biệt và kết nối với các PLMN khác như ISDN, PSTN và Internet.
Các tiêu chuẩn UMTS được thiết kế để không mô tả chi tiết chức năng bên trong của các phần tử mạng, mà tập trung vào việc định nghĩa giao diện giữa các phần tử mạng logic Các giao diện mở là một phần quan trọng trong cấu trúc này.
* Giao diện Cu: là giao diện thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này tuân theo một khuôn dạng tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 25
Giao diện Uu là giao diện vô tuyến của WCDMA, đóng vai trò quan trọng giữa UE và Node B Qua giao diện này, UE có thể truy cập các phần tử cố định của hệ thống, cho thấy đây là giao diện mở thiết yếu nhất trong UMTS.
* Giao diện Iu nối UTRAN với CN Nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau
- Iu- CS dành cho dữ liệu chuyển mạch kênh
- Iu- PS dành cho dữ liệu chuyển mạch gói
* Giao diện Iur: giao diện giữa hai RNC Đây là giao diện mở, cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau
Giao diện Iub kết nối nút B với RNC, hỗ trợ cạnh tranh giữa các nhà sản xuất UMTS là hệ thống điện thoại di động đầu tiên tiêu chuẩn hóa Iub như một giao diện mở hoàn toàn.
1.6.4 Mạng lõi CN (Core Network)
Những chức năng chính của việc nghiên cứu mạng lõi UMTS là:
* Quản lí di động, điều khiển báo hiệu thiết lập cuộc gọi giữa UE và mạng lõi
* Báo hiệu giữa các nút trong mạng lõi
* Định nghĩa các chức năng giữa mạng lõi và các mạng bên ngoài
* Những vấn đề liên quan đến truy nhập gói
* Giao diện Iu và các yêu cầu quản lí và điều hành mạng
Mạng lõi UMTS có thể chia thành 2 phần: chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói
Mạng di động bao gồm các thành phần chuyển mạch kênh như MSC, VLR và cổng MSC, cùng với các thành phần chuyển mạch gói như SGSN và GGSN HLR và AUC là những thành phần chung cho cả hai loại chuyển mạch Cấu trúc mạng lõi có thể được điều chỉnh để tích hợp các dịch vụ và tính năng mới của hệ thống.
Các phần tử chính của mạng lõi như sau :
Chuyển giao
1.7.1 Tổng quan về chuyển giao trong mạng di động
Chuyển giao là khái niệm quan trọng trong di chuyển cấu trúc cell Hệ thống UMTS có nhiều loại chuyển giao nhằm đáp ứng các yêu cầu như điều khiển tải, cung cấp vùng phủ sóng và đảm bảo chất lượng dịch vụ.
Mục tiêu của chuyển giao trong mạng di động là đảm bảo sự liên tục của dịch vụ khi người dùng di chuyển qua các vùng biên của các cell Để duy trì kết nối, cần cung cấp tài nguyên vô tuyến cho người dùng tại cell đích, do cường độ tín hiệu ở cell mới thường yếu hơn Quá trình này bao gồm việc duy trì kết nối trong cell hiện tại và thiết lập kết nối mới ở cell lân cận, gọi là chuyển giao Chuyển giao là tính năng quan trọng của mạng tế bào, nhằm cung cấp dịch vụ hấp dẫn như ứng dụng thời gian thực và luồng đa phương tiện trong mạng di động thế hệ 3 Số lượng chuyển giao không thành công phản ánh quy trình chuyển giao chưa hoàn tất.
1.7.2 Các loại chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA
Chuyển giao trong mạng WCDMA được phân loại theo nhiều cách, bao gồm chuyển giao cùng tần số, chuyển giao khác tần số và chuyển giao giữa các mạng WCDMA với GSM Cụ thể, chuyển giao trong WCDMA có thể chia thành bốn loại chính: chuyển giao trong cùng hệ thống, chuyển giao ngoài hệ thống, chuyển giao cứng, và chuyển giao mềm, với phân loại thêm cho chuyển giao mềm hơn.
Hình 1.7 các loại chuyển giao trong hệ thống 3G
* Chuyển giao trong cùng hệ thống
Chuyển giao trong cùng hệ thống được phân thành hai loại: chuyển giao cùng tần số và chuyển giao khác tần số Chuyển giao cùng tần số diễn ra giữa các cell sử dụng cùng một sóng mang WCDMA, trong khi chuyển giao khác tần số xảy ra giữa các cell hoạt động trên các tần số sóng mang khác nhau.
* Chuyển giao ngoài hệ thống
Chuyển giao ngoài hệ thống diễn ra giữa các cell sử dụng hai kỹ thuật truy nhập vô tuyến khác nhau (RAT) hoặc giữa hai node UTRAN FDD và UTRAN TDD.
Chuyển giao cứng là quá trình mà kết nối cũ giữa thiết bị người sử dụng và mạng truy cập vô tuyến bị ngắt trước khi thiết lập kết nối mới Phương pháp này thường được áp dụng trong mạng GSM để gán các kênh tần số khác nhau cho các cell Khi người sử dụng di chuyển vào cell mới, kết nối cũ sẽ bị hủy bỏ và kết nối mới với tần số khác sẽ được thiết lập.
Chuyển giao cứng trong mạng UMTS sử dụng để thay đổi kênh tần số của
Trong quá trình bố trí tần số của UTRAN, việc xác định các hoạt động UTRAN là cần thiết để yêu cầu thêm phổ tần nhằm tăng cường dung lượng khi mức sử dụng hiện tại đã đạt giới hạn Trong tình huống này, một số băng tần khoảng 5 MHz sẽ được sử dụng bởi một người và cần thiết phải thực hiện chuyển giao giữa các băng tần đó.
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 31
Chuyển giao cứng được sử dụng để thay đổi cell trên cùng tần số khi mạng không hỗ trợ tính đa dạng lớn Trong trường hợp kênh truyền đã được xác định và người dùng di chuyển vào cell mới, chuyển giao cứng sẽ được thực hiện nếu chuyển giao mềm không khả thi.
Chuyển giao cứng thường được áp dụng cho vùng phủ và tải, trong khi chuyển giao mềm đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ di động Ngoài ra, việc chuyển giao giữa hai chế độ UTRAN FDD và UTRAN TDD cũng được phân loại là chuyển giao cứng.
* Chuyển giao mềm và mềm hơn
Hình 1.8 Chuyển giao mềm và mềm hơn
Chuyển giao mềm là quá trình chuyển giao giữa hai trạm phát sóng (BS) khác nhau, trong khi chuyển giao mềm hơn diễn ra giữa ít nhất hai sector của cùng một BS Trong quá trình này, thiết bị di động (MS) có thể giao tiếp tức thì với hai BS khác nhau thuộc cùng một RNC (Intra-RNC) hoặc các RNC khác nhau (Inter-RNC) Khi tín hiệu được truyền xuống, thiết bị di động nhận hai tín hiệu với tỷ lệ kết hợp lớn nhất và mã hóa kênh được tách bởi hai BS Điều này cho phép RNC thực hiện lựa chọn kết hợp hiệu quả Chuyển giao mềm yêu cầu hai hoạt động điều khiển công suất vòng đặc biệt cho một BS, trong khi chuyển giao mềm hơn chỉ cần một hoạt động điều khiển công suất vòng do MS được điều khiển bởi hai sector của cùng BS Cả hai loại chuyển giao này đều sử dụng một sóng mang, cho thấy chúng diễn ra trong cùng một hệ thống.
Chuyển giao mềm Chuyển giao mềm hơn
Hình 1.9 Các loại chuyển giao khác nhau trong mạng WCDMA
* chuyển giao hai đường là chuyển giao mà ở đó MS thông tin với hai đoạn của hai ô khác nhau
* chuyển giao ba đường là chuyển giao mà ở đó MS thông tin với ba đoạn của hai ô khác nhau
BS sơ cấp điều khiển trực tiếp quá trình xử lý cuộc gọi trong chuyển giao mềm, khởi đầu bản tin điều khiển đường xuống Các BS khác không tham gia vào việc xử lý cuộc gọi được gọi là BS thứ cấp Chuyển giao mềm sẽ kết thúc khi BS sơ cấp hoặc BS thứ cấp bị loại bỏ.
Kết luận chương
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3, hay còn gọi là IMT-2000, đã được các tổ chức quốc tế thiết lập tiêu chuẩn kỹ thuật để triển khai hiệu quả UMTS, một trong những hệ thống thông tin di động nổi bật hơn so với các hệ thống 2G, phát triển dựa trên nền tảng của các thế hệ trước Chương này đã trình bày cấu trúc mạng truy cập vô tuyến UMTS cùng với các dịch vụ và ứng dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba Trong chương 2, chúng ta sẽ tiếp tục khám phá các kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống này.
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 33
CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 UMTS
Giới thiệu chương
Trong mạng WCDMA, việc nhiều người sử dụng cùng một tần số dẫn đến nhiễu đồng kênh nghiêm trọng Để giảm thiểu mức nhiễu này và đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) yêu cầu, PC phải điều chỉnh công suất trên cả đường lên và đường xuống.
Trong chương này chúng ta đi sâu vào phân tích một số kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba UMTS.
Ý nghĩa của điều khiển công suất
Trong hệ thống WCDMA, việc điều khiển công suất là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các thuê bao Khi xem xét một ô đơn lẻ với hai thuê bao, trong đó thuê bao 1 gần trạm gốc hơn thuê bao 2, nếu không có điều chỉnh công suất, cả hai sẽ phát với mức công suất cố định Tuy nhiên, do khoảng cách khác nhau, công suất thu từ thuê bao 1 sẽ lớn hơn nhiều so với thuê bao 2 Nếu công suất thu của thuê bao 1 lớn gấp 10 lần so với thuê bao 2, điều này sẽ tạo ra sự bất lợi đáng kể cho thuê bao 2.
Nếu tỷ số SNR yêu cầu là (1/10), chúng ta có thể nhận thấy sự chênh lệch giữa SNR của hai thuê bao Hình (2.1) minh họa rõ điều này Trong trường hợp bỏ qua tạp âm nhiệt, SNR của thuê bao 1 đạt 10, trong khi SNR của thuê bao 2 chỉ là (1/10) Thuê bao 1 sở hữu SNR cao hơn nhiều, dẫn đến chất lượng dịch vụ rất tốt, trong khi SNR của thuê bao 2 chỉ đủ đáp ứng yêu cầu tối thiểu Sự không cân bằng này được coi là bài toán “xa-gần” kinh điển trong hệ thống đa truy cập trải phổ.
Hệ thống đã đạt đến dung lượng tối đa của nó, vì việc thêm một thuê bao thứ 3 với công suất p sẽ không đảm bảo SNR cần thiết Thêm vào đó, việc cố gắng đưa thuê bao thứ 3 vào hệ thống không chỉ làm giảm SNR của thuê bao thứ 2 xuống dưới mức yêu cầu mà còn không đáp ứng được SNR cho thuê bao thứ 3.
Hình 2.1 Công suất thu từ 2 thuê bao tại trạm gốc
Điều khiển công suất được áp dụng để giải quyết vấn đề “xa–gần” và tối đa hóa dung lượng hệ thống bằng cách điều chỉnh công suất phát từ mỗi thuê bao, đảm bảo công suất thu tại trạm gốc là đồng nhất Khi công suất phát được điều chỉnh để đạt công suất thu Pr, số lượng thuê bao có thể sử dụng trong ô sẽ tăng lên Ví dụ, với yêu cầu SNR là (1/10), có thể có tối đa 11 thuê bao trong ô Việc sử dụng điều khiển công suất không chỉ tối ưu hóa dung lượng mà còn giúp chống lại hiệu ứng Fading Rayleigh, bằng cách bù đắp cho sự suy giảm tín hiệu do fading nhanh của kênh truyền.
Việc điều khiển công suất không chỉ giúp giảm nhiễu đa đường mà còn kéo dài tuổi thọ pin của máy di động nhờ vào công suất phát thấp.
Phân loại điều khiển công suất
Trong hệ thống thông tin tế bào, có nhiều phương pháp điều khiển công suất khác nhau Khi đánh giá một hệ thống điều khiển công suất thực tế, cần chú ý đến các yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Tiêu chuẩn chất lượng được xác định qua tỉ số SIR (Signal to Interference) và BER (Bit Error Rate) Khi cường độ tín hiệu và nhiễu không thay đổi, SIR và BER cung cấp thông tin tương đương về chất lượng tín hiệu.
Trong báo cáo, các phép đo thường bao gồm các chỉ số chất lượng QI (Quality Indicator) nhằm phản ánh mức độ chất lượng và hiệu quả Những chỉ số này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và cải thiện quy trình.
Thuê bao 1 có S/N = 1 Thuê bao 2 có S/N = 1/10
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 35 đã nghiên cứu cường độ tín hiệu thu được từ máy thu Các giá trị này được lượng tử hoá thô nhằm tối ưu hóa việc sử dụng ít mẫu.
- Thời gian trễ : tín hiệu đo lường và điều khiển cần thời gian dẫn đến làm xuất hiện thời gian trễ trong mạng
2.3.1 Điều khiển công suất cho đường xuống và đường lên Điều khiển công suất cho đường lên (từ MS đến BS) DS-CDMA 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 ô bên cạnh làm giảm sự độc lập từ vị trí các ô 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 ô
2.3.2 Điều khiển công suất phân tán và tập trung
Bộ điều khiển tập trung lưu trữ toàn bộ thông tin về các kết nối và độ lợi kênh, đồng thời quản lý mức công suất trong mạng hoặc một phần của mạng Tuy nhiên, việc điều khiển công suất tập trung yêu cầu tín hiệu điều khiển với phạm vi rộng trong mạng, điều này khiến nó khó ứng dụng trong thực tế Mặc dù vậy, nó có thể được sử dụng để thiết lập giới hạn cho hiệu suất của các thuật toán phân tán.
Bộ điều khiển phân tán chỉ kiểm soát công suất cho một trạm phát đơn lẻ, với thuật toán phụ thuộc vào các yếu tố nội bộ như SIR và độ lợi kênh của người sử dụng Mặc dù các thuật toán này hoạt động hiệu quả trong điều kiện lý tưởng, nhưng trong các hệ thống thực tế, chúng gặp phải một số hiệu ứng không mong muốn.
- Tín hiệu đo và điều khiển làm mất thời gian dẫn đến thời gian trễ trong hệ thống
Công suất phát của máy phát bị giới hạn bởi các yếu tố vật lý và sự lượng tử hóa, cùng với những hạn chế bên ngoài như công suất phát tối đa trên một kênh cụ thể, ảnh hưởng đến công suất đầu ra.
- Chất lượng là một sự đo đạc chủ quan và cần phải tận dụng sự đo đạc khách quan hợp lý
Hình 2.2 Phân loại kỹ thuật điều khiển công suất công suất
2.3.3 Phân loại điều khiển công suất theo phương pháp đo
Theo phương pháp đo, kỹ thuật điều khiển công suất được phân thành 3 loại:
- Trên cơ sở cường độ
Dựa trên cường độ tín hiệu từ MS đến BS, việc đánh giá cường độ này giúp xác định xem nó có cao hơn hay thấp hơn mức cường độ mong muốn Sau đó, BS sẽ gửi lệnh điều chỉnh công suất cho phù hợp, tăng hoặc giảm theo yêu cầu.
Phương pháp đo SIR (Signal-to-Interference Ratio) được áp dụng khi tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiễu kênh và nhiễu giữa các người sử dụng Điều khiển công suất dựa vào cường độ thường dễ thực hiện hơn so với SIR, nhưng SIR phản ánh hiệu suất sử dụng hệ thống tốt hơn, bao gồm QoS (Quality of Service) và dung lượng Tuy nhiên, một vấn đề quan trọng với điều khiển công suất dựa vào SIR là nguy cơ gây hồi tiếp dương, có thể làm mất ổn định hệ thống Hồi tiếp dương xảy ra khi một MS (Mobile Station) tăng công suất theo chỉ dẫn của BS (Base Station), dẫn đến tình trạng tương tự ở các MS khác Nếu có N-MS trong hệ thống, hiện tượng này có thể làm tê liệt toàn bộ N-MS.
Trong điều khiển công suất dựa vào tỷ lệ bit lỗi (BER), BER được xác định là số lượng bit lỗi trung bình so với chuỗi bit chuẩn Khi công suất tín hiệu và nhiễu ổn định, BER phụ thuộc vào tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SIR), và trong trường hợp này, chất lượng dịch vụ (QoS) là tương đương Tuy nhiên, trong thực tế, SIR thay đổi theo thời gian, dẫn đến SIR trung bình sẽ có sự biến động.
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 37 không đạt tiêu chuẩn BER trung bình, cho thấy rằng trong trường hợp này, BER là tiêu chí quan trọng hơn để đánh giá chất lượng.
2.3.4 Điều khiển công suất vòng kín, điều khiển công suất vòng hở
Tồn tại ba phương pháp điều khiển công suất sau đây:
* Điều khiển công suất vòng hở
Điều khiển công suất nhanh vòng kín bao gồm điều khiển công suất vòng trong và vòng ngoài Phương pháp điều khiển công suất vòng hở ước lượng công suất đường xuống của tín hiệu kênh hoa tiêu dựa trên tổn hao truyền sóng, nhưng có nhược điểm là độ chính xác thấp do điều kiện truyền sóng khác nhau giữa đường xuống và đường lên, đặc biệt là ảnh hưởng của fading nhanh Trong hệ thống CDMA trước đây, phương pháp này được kết hợp với điều khiển công suất vòng kín, trong khi ở hệ thống WCDMA, nó chỉ được sử dụng để thiết lập công suất gần đúng khi truy cập mạng lần đầu.
Phương pháp điều khiển công suất nhanh vòng kín cho phép BS (hoặc MS) ước tính tỷ số tín hiệu trên can nhiễu (SIR) và so sánh với SIR đích (SIR_đích) Nếu SIR ước tính vượt quá SIR đích, BS (MS) sẽ gửi lệnh giảm công suất; ngược lại, sẽ ra lệnh tăng công suất Quá trình đo-lệnh-phản ứng này diễn ra 1500 lần mỗi giây trong hệ thống cdma2000, đảm bảo phản ứng nhanh hơn mọi thay đổi tổn hao đường truyền và có thể nhanh hơn cả hiện tượng fading khi MS di chuyển với tốc độ thấp.
Hình 2.3 Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín
Kỹ thuật điều khiển công suất vòng kín, hay còn gọi là vòng trong, được áp dụng cho đường xuống nhằm đối phó với nhiễu từ các ô khác khi MS di chuyển gần biên giới ô Việc điều khiển công suất tạo ra một lượng dự trữ cho các MS trong tình huống nhiễu gia tăng Ngoài ra, nó còn giúp bảo vệ tín hiệu yếu do fading Rayleigh, đặc biệt khi các mã sửa lỗi không hoạt động hiệu quả Trong khi đó, điều khiển công suất vòng ngoài thực hiện đánh giá chất lượng đường truyền dài hạn dựa trên tỷ lệ lỗi khung (FER) hoặc tỷ lệ lỗi bit (BER) để xác định SIR đích cho điều khiển công suất vòng trong.
Hình (2.4a) cho thấy hoạt động của điều khiển công suất đường lên ở một kênh fading ở tốc độ chuyển động thấp của MS Các lệnh điều khiển công suất sẽ
Thu RAKE Đo chất lượng công suất dài hạn Đo SIR
So sánh và quyết định
Tạo bít điều khiển công suất
So sánh và quyết định
Ghép bit điều khiển công suất vào luồng phát
Tín hiệu băng gốc thu
Điều khiển công suất vòng hở trong UMTS
2.4.1 Kỹ thuật điều khiển công suất vòng hở đường lên
Chức năng PC (Power Control) được thực hiện tại cả đầu cuối và UTRAN, yêu cầu các thông số điều khiển được phát quảng bá trong ô Công suất mã tín hiệu thu được RSPC (Received Signal Code Power) cũng cần được đo lường chính xác.
UE trên P-CPICH hoạt động tích cực, trong đó UE thiết lập công suất khởi đầu cho tiền tố PRACH và DPCCH đường lên dựa trên tính toán vòng hở trước khi bắt đầu PC.
MS không chuyển SIR đích
Trong thủ tục truy cập ngẫu nhiên, công suất của AP đầu tiên được thiết lập bởi UE, với sự tham gia của SVTH Lê Xuân Liêm 48KĐTVT và NHD THS Đặng Thái Sơn 41 vòng trong.
Preamble_Initial_Power = CPICH_Tx_power – CPICH_RSCP (2.1)
+ UL_interference +UL_required_CI
Trong đó công suất P_CPICH (CPICH_Tx_Power) và C/I yêu cầu đường lên
Trong 3GPP, UL_required_CI được định nghĩa là giá trị không đổi trong quá trình thiết lập quy hoạch vô tuyến, trong khi UL_interference là tổng công suất băng rộng tại máy thu, được đo tại Node B và được truyền quảng bá.
BCH UE cũng sẽ tiến hành thủ tục khi lập mức công suất ban đầu cho CD-AP
Khi tính toán DPCCH đầu tiên, UE khởi đầu PC vòng trong tại công suất như sau :
DPCCH_Initial_power = DPCCH_Power_offset – CPICH_RSCP (2.2)
Công suất mã tín hiệu thu P_CPICH (CPICH_RSCP) được đo tại UE, trong khi công suất DPCCH (DPCCH_Power_offset) được tính toán bởi điều khiển AC trong RNC Thông tin này được cung cấp cho UE khi kết nối RRC, trong quá trình vật mang vô tuyến, hoặc khi cấu hình lại kênh vật lý.
DPCCH_Power_offset = CPICH_Tx_power + UL_interference + SIR DPCCH
Công thức +10lg(SF DPDCH) (2.3) thể hiện rằng SIRDPCCH là tỷ số tín hiệu trên nhiễu mục tiêu do AC tạo ra, trong khi SFDPCCH là hệ số trải phổ tương ứng với DPDCH.
2.4.2 Kỹ thuật điều khiển công suất vòng hở đường xuống
Trên đường xuống, PC điều chỉnh công suất khởi đầu cho các kênh dựa trên báo cáo đo đạt từ UE Chức năng này được thực hiện một cách hiệu quả để tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu.
UE và UTRAN Giải thuật để tính toán giá trị công suất khởi đầu DPCCH khi dịch vụ mang đầu tiên được thiết lập như sau :
P Tx Intinial Eb No PtxTotal power Tx
Rb là tốc độ bit của người sử dụng, trong khi (Eb/No)DL là giá trị quy hoạch cho đường xuống trong mạng vô tuyến W đại diện cho tốc độ chip, và (Eb/No)CPICH được báo cáo từ UE PtxTotal là công suất sóng mang tại Node B được báo cáo cho RNC Giải thuật tính toán công suất đoạn nối vô tuyến có thể đơn giản hóa khi thiết lập hoặc thay đổi đoạn nối Khi bổ sung nhánh, cần điều chỉnh công suất mã phát của đoạn nối hiện tại dựa trên hiệu số giữa công suất P_CPICH của ô hiện tại và ô thuộc nhánh bổ sung Đối với kênh mang thay đổi, việc định cỡ được thực hiện dựa trên tốc độ bit của người sử dụng mới và Eb/No đường xuống mới.
Điều khiển công suất ở các kênh chung đường xuống
Công suất truyền dẫn của các kênh chung đường xuống được xác định bởi mạng và tỷ lệ giữa công suất phát của các kênh này không được quy định cụ thể trong 3GPP, cho phép sự linh hoạt trong thay đổi Các mức công suất kênh chung được trình bày trong bảng (2.1).
Mức công suất điển hình
2 – 10% công suất phát cực đại của ô (20 W)
So với công suất P-CPICH
So với công suất P-CPICH
So với công suất P-CPICH và Nr Công suất của một chỉ thị bắt (AI) so với P-CPICH
So với công suất P-CPICH và SF-256 (15 kbps)
Công suất phát của P-CPICH, P-SCH, S-SCH và P-CCPCH là các thông số quan trọng trong quy hoạch mạng di động, được thiết lập dựa trên kích thước ô Thông thường, công suất P-CPICH chiếm từ 5 đến 10% tổng công suất phát tối đa của ô, trong khi công suất phát của các kênh chung khác được xác định tương đối so với P-CPICH.
Công suất phát của AICH và PICH là các thông số cấu hình TrCH chung, được xác định tương đối so với công suất phát P-CPICH trong quy hoạch Bảng 2.1 trình bày các mức công suất kênh chung đường xuống điển hình.
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 43
Công suất phát PICH phụ thuộc vào thông số PI trên khung (N) Khi số PI trên khung tăng, PI sẽ được lặp lại nhiều hơn, dẫn đến sự thay đổi công suất PICH tương ứng.
P-PICH càng cần cao hơn Giá trị điển hình của khoảng dịch công suất là -10 dB
(N hay 36), -8 dB (Nr) và -5 dB (N4)
Theo tiêu chuẩn, khi thiết lập hoặc lặp lại cấu hình S-CCPCH (nghĩa là
FACH và PCH), Node B được cung cấp thông tin dịch công suất (PO1 cho TFCI),
PO3 cho hoa tiêu trên kênh FACH có thể áp dụng phương pháp PC chậm dựa trên tỷ số Eb/No của một giải thuật riêng, nhằm cải thiện dung lượng đường xuống Trong trường hợp này, giá trị chỉ thị thể hiện sự dịch âm so với công suất cực đại được cấu hình cho S-CCPCH mang FACH, giả định rằng công suất là đồng nhất cho tất cả.
TrCH ghép trên cùng kênh vật lý cho thấy các giá trị công suất điển hình của S-CCPCH so với P-CPICH là +1 dB với SF = 64 (60 kbps), -1 dB với SF = 128 (30 kbps) và -5 dB với SF = 256 (15 kbps) Các giá trị điển hình này có thể áp dụng cho CCPCH.
Mức công suất dịch thay đổi theo tốc độ bit, với 2 dB cho 15 kbps, 3 dB cho 30 kbps và 4 dB cho 60 kbps.
Hình 2.5 Công suất phát trên kênh S-CCPCH, PO3 và PO1 ký hiệu cho dịch
Các thủ tục điều khiển công suất vòng trong
Điều khiển công suất vòng trong, hay còn gọi là điều khiển công suất nhanh, dựa trên thông tin hồi tiếp lớp 1 từ đầu kia của đường truyền vô tuyến, cho phép UE/Node B điều chỉnh công suất phát dựa trên mức SIR thu được để bù đắp fading của kênh vô tuyến Chức năng này được áp dụng cho các kênh riêng cả đường lên và đường xuống trong UMTS, và chỉ cho CPCH ở đường lên Trong WCDMA, PC nhanh được thực hiện ở tần số 1,5 kHz, với tổng quan các thủ tục điều khiển công suất vòng trong được minh họa ở hình (2.7).
Hình 2.6 Các thủ tục điều khiển công suất vòng trong và vòng ngoài
2.6.1 Điều khiển công suất vòng trong đường lên Điều khiển công suất vòng trong đường lên được sử dụng để thiết lập công suất DPCH và CPCH đường lên Node B nhận được SIR đích từ UL PC vòng ngoài ở RNC và so sánh nó với SIR ước tính trên ký hiệu hoa tiêu của DPCCH đường lên
SIR ước tính so với SIR đích
SIR ước tính so với SIR đích Lệnh DLTPC
ULPC vòng ngoài + SIR = f(FLER or BLER) quản lý SIR đích
(a): RRC: DL BER đích, các hệ số khuếch đại UL, các giá trị UL
(b): RRC: BLER thực tế, P-CPCICH Ec/Io, P-CPICH RSPC, tổn hao đường truyền, lưu lượng đo trong UE
(c): Các lệnh UL/DL TCP (PC vòng trong)
(e): Chỉ PC trên DPCCH (DPCCH được định cỡ theo hệ số khuếch đại)
(f): DCH-FP (10-100 Hz) UL CRC UL SIR đích thực tế
MDC: Macro Diversity Combiner-Bộ kết hợp phân tập vĩ mô
Trong bài viết này, chúng tôi đề cập đến việc điều chỉnh SIR (Signal to Interference Ratio) trong hệ thống mạng di động Nếu SIR thu được từ thiết bị đầu cuối (UE) lớn hơn SIR mục tiêu, Node B sẽ phát lệnh “hạ thấp” đến UE Ngược lại, nếu SIR thu được thấp hơn SIR đích, Node B sẽ phát lệnh “tăng thêm” đến UE qua kênh DPCCH đường xuống.
Kích thước bước PC theo tiêu chuẩn phụ thuộc vào tốc độ UE, với kích thước tốt nhất cho SIR đích nhỏ nhất Ở tốc độ điều khiển công suất 1500 Hz, kích thước bước PC 1dB có thể theo kịp kênh phading Raleigh lên đến 55 Hz (30 Km/h) Tuy nhiên, khi tốc độ tăng lên 80 Km/h, kích thước bước PC 2dB sẽ hiệu quả hơn Tại tốc độ trên 80 Km/h, điều khiển công suất vòng trong không theo kịp phading, dẫn đến tạp âm vào đường dẫn Để giảm thiểu ảnh hưởng này, việc sử dụng kích thước bước PC nhỏ hơn 1 dB là cần thiết Đối với tốc độ UE dưới 3 Km/h, khi tần suất phading kênh rất nhỏ, kích thước bước PC nhỏ cũng mang lại lợi ích hơn.
Hai giải thuật (giải thuật 1 và 2) được thiết kế để diễn giải các lệnh TPC từ Node B cho UE Giải thuật 1 hoạt động khi tốc độ UE thấp, với bước PC từ 1 đến 2 dB trong quy hoạch mạng vô tuyến Ngược lại, giải thuật 2 mô phỏng ảnh hưởng của bước nhỏ hơn 1 dB, hiệu quả hơn khi UE di chuyển nhanh hơn 80 Km/h và chậm hơn 3 Km/h Trong giải thuật này, bước PC cố định là 1 dB, và UE không thay đổi công suất phát cho đến khi nhận lệnh TCP tiếp theo Cuối khe thứ 5, UE điều chỉnh công suất theo quy tắc dựa trên quyết định cứng.
* Nếu tất cả 5 lệnh TPC là “giảm”, công suất giảm 1 dB
* Nếu tất cả 5 lệnh TPC là “tăng”, công suất phát tăng 1 dB
* Trái lại công suất phát không đổi
Trước khi bắt đầu UL DPDCH, UE có thể nhận hướng dẫn từ mạng về việc sử dụng tiền tố UL DPDCH, PC khi nhận DPDCH đường xuống Độ dài của tiền tố DPDCH PC được thiết lập trong quá trình quy hoạch mạng vô tuyến, với giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 7 khung Trong tiền tố UL DPDCH PC, các lệnh TPC do Node B phát luôn tuân theo giải thuật 1, nhằm đảm bảo công suất phát đường lên được cải thiện nhanh chóng trước khi chuyển sang điều khiển công suất thông thường.
Trong UMTS, sơ đồ phân tập chỉ áp dụng cho các kênh riêng, và sau khi đạt được đồng bộ lớp 1, các ô tham gia vào chuyển giao phân tập sẽ bắt đầu quá trình điều chỉnh công suất (PC) trong đường lên Mỗi ô kết nối với UE sẽ đo tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) của đường lên và so sánh với SIR mục tiêu để tạo lệnh điều chỉnh công suất (TPC) gửi đến UE Chỉ khi tất cả các ô yêu cầu tăng công suất, UE mới thực hiện việc tăng công suất.
Hình 2.7 UL PC vòng trong khi chuyển giao mềm
Khi UE ở chuyển giao HO (Hand Over) mềm, Node B phục vụ sẽ thông báo cho
UE kết hợp các lệnh TPC từ cùng một tập đoạn nối vô tuyến thành một lệnh TPC theo thuật toán 1 hoặc 2 Thủ tục này được áp dụng trong HO mềm và được minh họa trong hình (2.8).
Khi các lệnh TPC đến từ các ô khác nhau, nếu sử dụng giải thuật 1, UE sẽ kết hợp các lệnh TPC dựa trên quyết định mềm và điều chỉnh công suất phát theo bước PC đã định Ngược lại, với giải thuật 2, UE thực hiện quyết định cứng dựa trên giá trị của từng lệnh TPC từ các đoạn vô tuyến khác nhau trong năm khe liên tiếp sau đồng chỉnh Cuối cùng, UE sẽ rút ra lệnh TPC cho khe thứ năm theo nguyên tắc đã được xác định.
Nhánh chính Nhánh bổ sung
UL PC vòng ngoài +∆ SIR=f(BLER orBER) +Quản lý SIR đích
RAKE MDC (các ký hiệu số liệu và hoa tiêu)
SIR1 so với SIR đích -> các lệnh UL TPC1
Giải thuật 1 hay 2 kết hợp TCP1 và TCP2 thành TCP
RAKE MDC (các ký hiệu số liệu và hoa tiêu ) SIR1 so với SIR đích-> cáclệnh UL TPC2
MDC : Macro Diversity Combiner = bộ kết hợp phân tập vĩ mô
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 47
* Nếu giá trị trung bình của các ước tính lệnh TPC tức thời lớn hơn 0,5, tăng công suất 1 dB
* Nếu giá trị trung bình của các ước tính lệnh TPC tức thời nhỏ hơn 0,5, giảm công suất 1 dB
* Trái lại không thay đổi công suất
Trong tính toán đường lên, lệnh “tăng” được thể hiện bằng giá trị “+1” còn lệnh “giảm” bằng giá trị “-1”
Trong quá trình kết hợp, việc áp dụng điều chỉnh công suất DPCH yêu cầu UE giảm công suất phát tối thiểu đến -50 dBm Với công suất phát cực đại của UE là 21 dBm (250 mW), dải động điều khiển công suất đạt khoảng 70 dB.
2.6.2 Điều khiển công suất vòng trong đường xuống
UE nhận BLER đích từ RNC cho DL PC và các thông số điều khiển khác UE so sánh SIR ước tính với SIR đích; nếu SIR ước tính lớn hơn SIR đích, UE sẽ gửi lệnh TPC “giảm” đến Node B, ngược lại, nó sẽ phát lệnh TPC “tăng”.
Hình 2.8 Dịch công suất (PO) để cải thiện chất lượng báo hiệu đường xuống
Khi DPC_MODE = 0, UE phát một lệnh TPC cho mỗi khe, trong khi đó, khi không phải là DPC_MODE = 0, UE phát một lệnh TPC cho ba khe Các lệnh TPC này được phát trên UL DPCCH nhằm mục đích điều khiển công suất.
TPC TFC1 Số liệu 2 Hoa tiêu
Công suất phát đường xuống
Công suất của DL DPDCH và các DPDCH tương ứng được cung cấp với cùng một lượng công suất Hình (2.8) minh họa sự dịch công suất của các ký hiệu TFCI (PO1), TPC (PO2) và hoa tiêu (PO3) trong kênh DL DPCCH so với kênh DL DPDCH.
Kích thước bước DL PC là thông số quan trọng trong quy hoạch mạng vô tuyến, với các giá trị có thể là 0,5; 1; 1,5 hoặc 2 dB, trong đó bước tối thiểu là 1 dB Khi UE ở chế độ chuyển giao mềm SHO, tất cả các ô nối đến UE cần có bước PC giống nhau để tránh hiện tượng trôi công suất Trong trường hợp xảy ra nghẽn, RNC có thể yêu cầu Node B không thực hiện lệnh TPC “tăng” của UE.
Hình 2.9 Dải động điều khiển công suất đường xuống
Trong quá trình HO mềm hơn, DL PC hoạt động tương tự như đoạn nối vô tuyến, với chỉ một DPCCH phát ra trên đường lên để báo hiệu Dữ liệu nhận từ các anten khác nhau được kết hợp tại Node B Trên đường xuống, Node B điều khiển đồng thời công suất của tập đoạn nối vô tuyến và chia luồng nhận từ DCH-FP cho tất cả các ô tham gia vào HO mềm hơn.
Điều khiển công suất vòng ngoài
Giải thuật điều khiển công suất vòng ngoài nhằm duy trì chất lượng thông tin tại mức SIR theo yêu cầu của kênh dịch vụ, bằng cách tạo ra SIR đích phù hợp cho PC vòng trong Quá trình này được thực hiện cho từng DCH trong cùng một kết nối RRC SIR đích cần được điều chỉnh khi tốc độ UE hoặc điều kiện truyền sóng thay đổi; sự thay đổi công suất thu càng lớn thì yêu cầu SIR đích càng cao Việc chọn SIR đích cố định có thể dẫn đến chất lượng thông tin không ổn định, gây ra tình trạng công suất không đảm bảo chất lượng đường truyền hoặc lãng phí công suất.
Tần số của PC vòng ngoài dao động từ 10 đến 100 Hz Trong quá trình chuyển giao SHO, các luồng dữ liệu DCH từ các ô khác nhau được kết hợp tại Iub và Iur thành một luồng duy nhất Khi dữ liệu di chuyển xuống, luồng DCH sẽ được phân tách thành nhiều luồng cho các Node B trong SHO Quá trình kết hợp và tách này được thực hiện tại RNC thông qua bộ kết hợp phân tập vĩ mô MDC, dựa trên thông tin từ các khung FP và kết quả CRC của khối truyền tải cùng với thông tin chất lượng ước tính Độ tin cậy của SHO phụ thuộc vào thông tin CFN có trong các luồng Iub/Iur, trong khi tại UE, tỷ lệ kết hợp tối đa được thực hiện.
SVTH: Lê Xuân Liêm 48KĐTVT NHD: THS Đặng Thái Sơn 51
MRC (Maximum Ratio Combining) cho các tín hiệu thu được thực hiện theo các ký hiệu (số liệu và hoa tiêu) Trên đường lên chỉ truyền một DCCPH
2.7.1 Điều khiển công suất vòng ngoài đường lên
UL PC vòng ngoài thực hiện ở SRNC để lập SIR đích tại Node B cho từng
Trong hệ thống UL PC, SIR đích được điều chỉnh cho từng UE dựa trên ước lượng chất lượng đường lên thông qua BLER và BER trong kết nối RRC Thuật toán điều khiển sử dụng CRC của luồng dữ liệu làm thước đo chất lượng Khi CRC đạt yêu cầu, SIR đích sẽ giảm một mức nhất định, ngược lại, nếu không đạt, SIR đích sẽ tăng lên Giá trị điều chỉnh SIR thông thường dao động từ 0,1 đến 1 dB.
Kiến trúc chức năng UL PC vòng ngoài áp dụng cho trường hợp dịch vụ nhiều kênh mang được cho trên hình (2.11)
Hình 2.11 Kiến trúc logic chức năng UL PC vòng ngoài
Chỉ có một bộ điều khiển PC vòng ngoài cho từng kết nối RRC và một thực thể
UL PC vòng ngoài thực hiện việc điều chỉnh cần thiết cho SIR đích dựa trên ước tính chất lượng trong cùng một kết nối Trong quá trình kết nối RRC, một trong các thực thể UL đường lên (DCCH) sẽ được chọn để truyền SIR đích mới đến Node B, từ đó SIR đích sẽ được nhận.
Bộ điều khiển ULPC vòng ngoài
Tính toán SIR đích mới
Thông tin chất lượng(BLER/BER)
Các thông số PC khi thiết lập RAB lập lại cấu hình đoạn nối vô tuyến
ULPC vòng ngoài thực thể #1
Tính toán thay đổi SIR đích phát SIR đích mới đến Node B
LC: Load control = Điều khiển tải AC: Amission control = Điều khiển cho phép
(1) : Lệnh thay đổi SIR đích
SIR đích mới được điều chỉnh bởi bộ điều khiển UL PC vòng ngoài, dựa trên các thay đổi trong SIR đích nhận từ các thực thể PC và các thông số cấu hình khác như SIR đích khởi đầu, cực đại và cực tiểu do AC cung cấp khi thiết lập RAB DCH-FP được sử dụng để truyền tải thông tin tương tác giữa RNC và các Node B.
Mỗi thực thể PC trong hệ thống UL nhận thông tin chất lượng từ MDC, nơi dữ liệu từ các nhánh SHO khác nhau được kết hợp Tùy thuộc vào kiểu kênh mang vô tuyến, thực thể PC có thể nhận hoặc ước tính BLER tại MDC dựa trên các bit CRC của các khung được chọn, hoặc ước tính BER tại Node B Nếu giá trị CRC không ổn định, MDC sẽ chọn ước tính tốt nhất từ các ước tính BER có sẵn Trong khoảng thời gian TTI, một hoặc nhiều thực thể PC có thể tham gia vào việc tính toán SIR đích mới, đặc biệt khi hiệu số giữa ước tính BLER/BER và BLER/BER đích lớn hơn 0,1 dB.
2.7.2 Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống
DL PC vòng ngoài được thực hiện tại UE, với giá trị SIR đích cho DL PC vòng trong được điều chỉnh bởi UE thông qua một thuật toán riêng nhằm đảm bảo chất lượng đo (BLER) tương đương với chất lượng đích do RNC thiết lập Khi sử dụng CPCH, chất lượng đích do RNC thông báo là DCCH BER, trong khi BLER đích được cung cấp cho UE DL PC vòng ngoài cũng đảm bảo yêu cầu chất lượng cho từng TrCH với BLER đích được gán, khi sử dụng BLER kênh truyền tải làm BLER đích Nếu BER của DL DCCH được phát ở dạng chất lượng đích, vòng điều khiển trong UE sẽ đảm bảo chất lượng cho từng CPCH với DL DPCCH BER đích được gán.
Giá trị chất lượng DL PC đích trong UE được điều khiển bởi AC trong RNC
AC xác định giá trị BLER đích cho từng DCH trên CCTrCH BER đích cho từng kênh truyền tải được UE nhận qua các bản tin RRC.
Kết luận chương
Điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động UMTS đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì chất lượng dịch vụ thoại, nâng cao dung lượng hệ thống và cải thiện khả năng chống fading trong môi trường di động Chương này đã làm rõ ý nghĩa của việc kiểm soát công suất để giảm thiểu ảnh hưởng của hiệu ứng gần xa.
Bài viết này trình bày nghiên cứu của Lê Xuân Liêm và Đặng Thái Sơn về việc điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba, cụ thể là hệ thống UMTS Chương 3 sẽ tập trung vào hai mô hình điều khiển công suất thông minh, nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của can nhiễu và nâng cao chất lượng dịch vụ cho hệ thống di động thế hệ 3.
