Đề tài Điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động UMTS

MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NĨI ĐẦU THUẬT NGỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Từ đầy đủ Tiếng Việt 1 3G Third Generation Cellular Hệ thống thơng tin di độngthế hệ thứ ba 2 3 GPP Third Generation Patnership Project Dự án hợp tác thế hệ 3 3 AC Admission Cotrol Điều khiển cho phép 4 AGC Authomatic Gain Control Mạch điều khiển độ tăng ích tự động tự động 5 AI Acquistion Indicator Chỉ thị bắt 6 AICH Acquistion Indication Channel Kênh chỉ thị bắt 7 A-P Access Preamble Tiền tố 8 ATM Asynchoronous Transfer Mode Kiểu truyền di bộ 9 AS Access Slot Khe truy nhập 10 BER Bit Error Rate Tỷ số bit lỗi 11 BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá 12 BMC Broadcast/Multicast Control Điều khiển quảng bá / đa phương phương 13 BS Base Station Trạm gốc 14 BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc 15 BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc 16 CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã 17 CD-P Collision Detection Preamble Tiền tố phát hiện tranh chấp 18 CN Core Network Mạng lõi 19 CPCH Common Packet Channel Kênh gĩi chung đường lên 20 CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung 21 DC Delicated Control Điều khiển riêng 22 DCH Delicated Channel Kênh riêng 23 DL Down Link Hướng xuống 24 DS-CDMA Direct Sequence Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã dãy trực tiếp 25 DSCH Downlink Shared Channel Kênh đường xuống dùng chung 26 DSSPC Dynamic step-size power control Điều khiển cơng suất theo bước động 27 DPCCH Delicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý 28 DPDCH Delicated Physical Data Channel Kênh số liệu vật lý riêng E 29 ETSI European Telecommunications Standard Institute Học viện viễn thơng châu âu 30 EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Cơng nghệ web trên di động nâng cấp từ GPRS 31 FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống 32 FBI Frame Error Rate Tỷ số khung lỗi 33 FER PIN Unlock Key Khố mở PIN 34 FDD Fequency Division Duplex Ghép song cơng phân chia theo tần số 35 RSCP Receive Signal Code Power Cơng suất mã tín hiệu thu được 36 GC General Control Điều khiển chung 37 GGSN Gateway GPRS Support Node Node dịch vụ GPRS 38 GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ chuyển mạch gĩi vơ tuyến 39 GoS Grade of Service Cấp độ phục vụ 40 GSM Global System of Mobile Communication Hệ thống thơng tin di động tồn cầu 41 HC Handover Control Điều khiển chuyển giao 42 HDLA History Data Logic Analyzer Bộ phân tích dữ liệu gốc 43 HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú 44 IMT-2000 International Mobile Telecommunication Tiêu chuẩn viễn thơng di động tồn cầu 2000 45 ISDN Integated Service Digital Network Mạng số tích hợp đa dịch vụ 46 ITU International Telecomunication Union Liên minh viễn thơng quốc tế 47 LC Load Control Điều khiển tải 48 MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập mơi trường 49 ME Mobility Management Quản lý di động 50 MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động 51 Nt Notification Thơng báo 52 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiple Đa phân chia theo tần số trực giao 53 OSS Operation Support System Hệ thống hỗ trợ hoạt động 54 PC Power Control Điều khiển cơng suất 55 PCH Paging Channel Kênh tìm gọi 56 PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh gĩi chung vật lý 57 PDCP Packet Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ số liệu gĩi 58 PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh vật lý chung đường xuống 59 PICH Paging Indication Channel Kênh chỉ thị tìm gọi 60 PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất cơng cộng 61 PRACH Physical Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý 62 PSH Packet Scheduler Lập biểu gĩi 63 PSTN Public Switch Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch cơng cộng 64 P-CCPCH Primary Common Control Physical channel Kênh vật lý điều khiển chung sơ cấp 65 QI Quality Indicator Chỉ số chất lượng 66 QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ 67 RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên 68 RAN Random Access Network Mạng truy nhập vơ tuyến 69 RAT Radio Access Technology Kỹ thuật truy nhập vơ tuyến 70 RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vơ tuyến 71 RNC Radio Network Controler Bộ điều khiển mạng vơ tuyến 72 RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vơ tuyến 73 RRM Radio Resouce Management Quản lí tài nguyên vơ tuyến 74 RRU Radio Resouce Utilization Quản lí tài nguyên vơ tuyến 75 S-CCPCH Secondary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều khiển chung thứ cấp 76 SCH Synchronization Channel Kênh đồng bộ 77 SGSN Serving GPRS Support Node Node hỗ trợ chuyển mạch gĩi 78 SIM Subscriber Indentity Module Mơ đun nhận dạng thuê bao 79 SIR Signal to Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu 80 SF Spreading Fator Hệ số trải phổ 81 SHO Soft Hand Over Chuyển giao mềm 82 SNR Signal Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu 83 TCP Transit Control Power Điều khiển cơng suất phát 84 TDD Time Division Duplex Ghép song cơng phân chia theo thời gian 85 TFCI Transport Format Combination Indicator Chỉ thị kết hợp khuơn dạng truyền tải 86 TPC Transmit Power Command Lệnh cơng suất phát 87 UE User Equipment Thiết bị người sử dụng 88 UL Up link Đường lên 89 UMTS Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu 90 USIM UMTS Subscriber Indentity Module Module nhận dạng thuê bao UMTS 91 UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất UMTS 92 VHE Virtual Home Enviroment Mơi trường gia đình ảo 93 VLR Vistor Location Register Thanh ghi định vị tạm trú 94 WCDMA Wideband Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Lộ trình phát triển các cơng nghệ thơng tin di động lên 4G 16 Hình 1.2 Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP 16 Hình 1.3. Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP 17 Hình 1.4 Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thơng tin di động thế hệ ba 19 Hinh 1.5 Các phổ tần dùng cho hệ thống UMTS 21 Hình 1.6 Cấu trúc cell UMTS 28 Hình 1.7 Cấu trúc của hệ thống UMTS 29 Hình 1.8 Kiến Trúc UTRAN 32 Hình 2.1 Cơng suất thu từ 2 thuê bao tại trạm gốc 40 Hình 2.2 Phân loại kỹ thuật điều khiển cơng suất 41 Hình 2.3 Truyền sĩng đa đường 44 Bảng 2.1 Giá trị Eb/N0 yêu cầu trong trường hợp cĩ và khơng cĩ điều khiển cơng suất nhanh 45 Bảng 2.2 Cơng suất phát tương đối yêu cầu trong trường hợp cĩ và khơng cĩ điều khiển cơng suất nhanh 46 Hình 2.4 Cơng suất phát và thu trong 2 nhánh (cơng suất khoảng hở trung bình 0dB,- 10dB).Kênh phading Rayleigh tại 3km/h 46 Hình 2.5 Cơng suất phát và thu trên 3 nhánh (cơng suất khoảng hở như nhau). Kênh phading Rayleigh tại tốc độ 3km. 48 Hình 2.6 Cơng suất tăng trong kênh phading với điều khiển cơng suất nhanh 48 Hình 2.7 Trơi cơng suất đường xuống trong chuyển giao mềm 50 Hình 2.8 Kiểm tra độ tin cậy của điều khiển cơng suất đường lên tại UE trong chuyển giao mềm 51 Hình 2.9 Điều khiển cơng suất vịng kín bù trừ phading nhanh 54 Hình 2.10 Điều khiển cơng suất vịng ngồi 55 Hình 2.11 Nguyên lý điều khiển cơng suất vịng kín 58 Hình 2.12 Các thủ tục điều khiển cơng suất vịng trong và vịng ngồi 59 Hình 2.13 UL PC vịng trong khi chuyển giao mềm 61 Hình 2.14 Dịch cơng suất (PO) để cải thiện chất lượng báo hiệu đường xuống 62 Hình 2.15 Dải động điều khiển cơng suất đường xuống 63 Hình 2.16 DL PC vịng trong khi DHO (SHO) 64 Hình 2.17 Kiến trúc logic chức năng UL PC vịng ngồi 65 Hình 2.18 Hệ thống anten tuyến tính 70 Hình 2.19 Hệ thống chuyển mạch búp sĩng 71 Hình 2.20 Hệ thống anten tương thích 72 Hình 2.21 Sơ đồ khối của anten thích nghi dưới dạng tổng quát 73 Hình 3.1 Eb/N0 mục tiêu trong kênh ITU Pedestrian A, bộ mã hố/giải mã thoại AMR, BLER mục tiêu 1%, bậc 0,5dB, tốc độ 3km/h. 79 Hình 3.2 Độ dự trữ SIR đối với các loại dịch vụ khác nhau 80 Hình 3.3 Lưu đồ thuật tốn điều khiển cơng suất theo bước động DSSPC 81 Hình 3.4 Mơ hình chung của DSSPC đối với điều khiển cơng suất đường lên 84 Hình 3.6 Nhiễu hướng lên 91 Hình 3.7 Nhiễu hướng xuống 91 Hình 3.3 Các loại nhiễu trong hệ thống 95 Hình 3.8 Quá trình thiết lập cuộc gọi 96 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng biểu Tên bảng biểu Trang 1.1 Các lớp Q0S của hệ thống UMTS 12 1.2 Bảng tĩm tắt các thơng số chính của WCDMA 22 1.3 Các điểm khác nhau cơ bản giữa WCDMA và CDMA2000 23 2.1 Giá trị Eb/N0 yêu cầu trong trường hợp cĩ và khơng cĩ điều khiển cơng suất nhanh 30 2.2 Cơng suất phát yêu cầu trong trường hợp cĩ và khơng cĩ điều khiển cơng suất nhanh 31 2.3 Các mức tăng cơng suất được minh họa trên kênh ITU pedestrian A đa đường với phân tập anten 34 3.1 Bảng tra cứu ứng dụng của DSSPC 69 4.1 Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ thoại 12,2Kbps 84 4.2 Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ số liệu thời gian thực 144Kbps 84 4.3 Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ Phi thoại 384 Kbps 85 LỜI NĨI ĐẦU ----------@---------- Thơng tin di động đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực thơng tin, dịch vụ và trong đời sống hàng ngày. 3G là một bước đột phá của ngành di động, bởi vì nĩ cung cấp băng thơng rộng hơn cho người sử dụng. Điều đĩ cĩ nghĩa sẽ cĩ các dịch vụ mới và nhiều thuận tiện hơn trong dịch vụ thoại và sử dụng các ứng dụng dữ liệu như truyền thơng hữu ích như điện thoại truyền hình, định vị và tìm kiếm thơng tin, truy cập Internet, truyền tải dữ liệu dung lượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao,… Truyền thơng di động ngày nay đã và đang đĩng một vai trị quan trọng trong cuộc sống. Điều khiển cơng suất trong hệ thống thơng tin di động là một trong những khâu quan trọng của hệ thống, 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 mơi trường di động. Điều khiển cơng suất cho các hệ thống vơ tuyến tế bào đã được nghiên cứu tương đối chi tiết trong một số cơng trình. Đối với các hệ thống băng hẹp, các sơ đồ điều khiển cơng suất đã gợi mở cho nhiều nghiên cứu tiếp theo cho hệ thống băng rộng. Xuất phát từ tầm quan trọng đĩ em chọn đề tài “ Điều khiển cơng suất trong hệ thống thơng tin di động thế hệ thứ 3 UMTS”. Đồ án gồm 4 chương cĩ những nội dung chính sau: Chương 1: “Hệ thống thơng tin di động thế hệ 3 UMTS” sẽ giới thiệu tổng quan các vấn đề cơ bản về cơng nghệ WCDMA, cấu trúc mạng truy nhập vơ tuyến UMTS, sơ lược về những dịch vụ và ứng dụng trong hệ thống này trong hệ thống thơng tin di động thế hệ thứ ba. Chương 2: “Kỹ thuật điều khiển cơng suất trong hệ thống thơng tin di động thế hệ ba UMTS” sẽ trình bày về ý nghĩa và phân loại các kỹ thuật điều khiển cơng suất. Từ đĩ đi sâu vào phân tích các kỹ thuật điều khiển cơng suất trong hệ thống thơng tin di động thế hệ ba UMTS. Chương 3: “Các thuật tốn điều khiển cơng suất” nhằm nghiên cứu các mơ hình điều khiển cơng suất để tối ưu hoạt động của mạng.Qua đĩ đánh giá được ưu nhược điểm của từng phương pháp Chương 4: “Kết quả tính tốn và mơ phỏng” dựa trên quỹ đường truyền để tính tốn các thơng số của hai phương pháp điều khiển cơng suất. Mơ phỏng đã đưa ra cái nhìn trực quan thơng qua chương trình mơ phỏng sử dụng ngơn ngữ Visual Basic. Trong thời gian làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức cịn hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài cĩ hạn nên đồ án cịn nhiều sai sĩt . Em rất mong nhận được sự phê bình, các ý kiến đĩng gĩp chân thành của các thầy cơ và các bạn để đồ án được hồn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đở tận tình của thầy Nguyễn Đỗ Dũng cùng các thầy cơ trong khoa kỹ thuât-cơng nghệ để em hồn thành đề tài tốt nghiệp này. Quy Nhơn, Ngày........tháng.........năm 2009 Sinh viên thực hiện Đặng Vũ Thái CHƯƠNG I HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 UMTS 1.1. LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THƠNG TIN DI ĐỘNG Sự phát triển nhanh chĩng của dịch vụ số liệu IP đã đặt ra các yêu cầu mới đối với cơng nghệ thơng tin di động. Thơng tin di động thế hệ 2 mặc dù sử dụng cơng nghệ số nhưng là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên khơng thể đáp ứng đuợc dịch vụ mới này. Trước bối cảnh đĩ hiệp hội viễn thơng quốc tế đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hố để xây dựng hệ thống thơng tin thế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 thơng qua dự án 3GPP (Thir Generation Partnership Project). Hệ thống thơng tin di động thế hệ thứ ba được ra đời từ dự án 3GPP được gọi là hệ thống thơng tin di đơng UMTS/WCDMA. Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống thơng tin di động thế hệ thứ ba và bộ phận quan trọng của nĩ là UMTS. Hình 1.1 Lộ trình phát triển các cơng nghệ thơng tin di động lên 4G Hình 1.2 Lịch trình nghiên cứu phát triển trong 3GPP Hình 1.3. Lộ trình tăng tốc độ truyền số liệu trong các phát hành của 3GPP 1.2. HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 IMT-2000 Liên minh viễn thơng quốc tế ITU (International Telecommunications Union) cũng đã thành lập một nhĩm nghiên cứu để nghiên cứu các hệ thống thơng tin di động thế hệ thứ 3, nhĩm nghiên cứu TG8/1. Nhĩm nghiên cứu đã đặt tên cho hệ thống thơng tin di động thế hệ thứ 3 của mình là Hệ Thống Thơng Tin Di Động Mặt Đất Tương Lai (FPLMTS-Future Public Lan Mobile Telecommucation System). Sau này, nhĩm nghiên cứu đổi tên hệ thống thơng tin của mình thành Hệ Thống Thơng Tin Di Động Tồn Cầu cho năm 2000( IMT-2000: Internation Mobile Telecommunication for the year 2000). Với các tiêu chí chung sau đây: - Sử dụng dải tần quy ước quốc tế là 2GHZ như sau : + Đường lên 1885-2025 MHZ + Đường xuống 2110 – 2200 MHZ - Là hệ thống thơng tin tồn cầu cho các loại hình thơng tin vơ tuyến : + Tích hợp các mạng thơng tin vơ tuyến và hữu tuyến + Tương tác cho mọi dịch vụ viễn thơng - Sử dụng các mơi trường khai thác như : + Trong cơng sở + Ngồi đường + Trong xe + Vệ tinh - Đảm bảo cho cá dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho tiếng, số liệu chuyển mạch kênh và chuyển mạch gĩi . - Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện - Cung cấp hai mơ hình truyền dữ liệu đồng bộ và khơng đồng bộ - Cĩ khả năng chuyển vùng di động tồn cầu - Cĩ khả năng sử dụng giao thức Internet - Hiệu quả sử dụng phổ tầng cao hơn các hệ thống đã cĩ - Mơi trường hoạt động của IMT-2000 được chia thành bốn vùng với tốc độ bit Rb được phục vụ như sau : + Vùng 1 : Trong nhà , ơ pico, RbG 2Mbps + Vùng 2 : Thành phố, ơ micro, RbG 384 Mbps + Vùng 3 :Ngoại ơ, ơ Macro, RbG 144 Kbps + Vùng 4 :Tồn cầu,RbG 9,6 Kbps 1.3. CƠNG NGHỆ WCDMA WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - truy cập đa phân mã băng rộng) là cơng nghệ 3G hoạt động dựa trên CDMA và cĩ khả năng hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao như video, truy cập Internet, hội thảo hình... WCDMA nằm trong dải tần 1920 MHz -1980 MHz, 2110 MHz - 2170 MHz. W-CDMA giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA. Trong các cơng nghệ thơng tin di động thế hệ ba thì W-CDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình. W-CDMA cĩ các tính năng cơ sở sau : + Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz. + Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả thơng tin trên một sĩng 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 khơng cấp phép trong băng TDD phát liên tục cũng như khơng tạo điều kiện cho các kỹ thuật chống nhiễu ở các mơi trường làm việc khác nhau. Hệ thống thơng tin di động thế hệ ba W-CDMA cĩ thể cung cấp các dịch vụ với tốc độ bit lên đến 2MBit/s. Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyền dẫn đối xứng và khơng đối xứng, thơng tin điểm đến điểm và thơng tin đa điểm. Với khả năng đĩ, các hệ thống thơng tin di động thế hệ ba cĩ thể cung cấp dể dàng các dịch vụ mới như : điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh, ngồi ra nĩ cịn cung cấp các dịch vụ đa phương tiện khác. Hình 1.4 Các dịch vụ đa phương tiện trong hệ thống thơng tin di động thế hệ ba Các nhà khai thác cĩ thể cung cấp rất nhiều dịch vụ đối với khách hàng, từ các dịch vụ điện thoại khác nhau với nhiều dịch vụ bổ sung cũng như các dịch vụ khơng liên quan đến cuộc gọi như thư điện tử, FPT… Cơng trình nghiên cứu của các nước châu Âu cho W-CDMA bắt đầu từ đề án CODIT (Code Division Multiplex Testbed : Phịng thí nghiệm đa truy cập theo mã) và FRAMES (Future Radio Multiplex Access Scheme : Kỹ thuật đa truy cập vơ tuyến trong tương lai) từ đầu thập niên 90. Các dự án này đã tiến hành thử nghiệm các hệ thống W-CDMA để đánh giá chất lượng đường truyền. Theo các chuyên gia trong ngành viễn thơng, đường tới 3G của GSM là WCDMA. Nhưng trên con đường đĩ, các nhà khai thác dịch vụ điện thoại di động phải trải qua giai đoạn 2,5G. Thế hệ 2,5G bao gồm những gì? Đĩ là: dữ liệu chuyển mạch gĩi tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vơ tuyến gĩi chung GPRS và Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE). 1.4. HỆ THỐNG UMTS 1.4.1. Tổng Quan UMTS ( Universal Mobile Telefone System ) dựa trên cơng nghệ WCDMA là giải pháp tổng quát cho các nước sử dụng cơng nghệ di động GSM , UMTS do tổ chức 3GPP quản lý .3GPP cũng đồng thời chịu trách nhiệm về các chuẩn mạng di động như GSM , GPRS và EDGE. UMTS đơi khi cịn cĩ tên là 3GSM, dùng để nhấn mạnh sự liên kết giữa 3G và chuẩn GSM . UMTS hỗ trợ tốc độ truyền tải dữ liệu đến 1920 Kbps (gần bằng 2Mbps như một số tài liệu cơng bố), mặc dù trong thực tế hiệu suất đạt được chỉ vào khoảng 384 Kbps. Tuy nhiên tốc độ này vẫn cịn nhanh hơn nhiều so với chuẩn GSM (14,4 Kbps ) và HSCSD (14,4 kbps); và là sự lự chọn hồn hảo đầu tiên cho giải pháp truy cập internet giá rẻ bằng thiết bị di động . Hội nghị vơ tuyến thế giới năm 1992 đã đưa ra các phổ tần số dung cho hệ thống UMTS *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 5MHz. *1900- 1902 MHz và 2010 -1025 MHz dành cho các ứng dụng TDD – TD/ CDMA ,khoảng cách các kênh là 5 MHz *1980 MHz -2010 MHz và 2170MHz – 2200 MHz dành cho đường xuống và đường lên vệ tinh Năm 1998 3GPP đã đưa ra tiêu chuẩn chính của UMTS + Dịch vụ + Mạng lõi + Mạng truy nhập vơ tuyến + Thiết bị đầu cuối Hinh 1.5 Các phổ tần dùng cho hệ thống UMTS Hai phương thức song cơng được sử dụng trong kiến trúc WCDMA: Song cơng phân chia theo thời gian (TDD) và song cơng phân chia theo tần số (FDD). Phương pháp FDD cần hai băng tần cho đường lên và đường xuống. Phương thức TDD chỉ cần một băng tần. Thơng thường phổ tần số được bán cho các nhà khai thác theo các dải cĩ thể bằng 2x10MHz, hoặc 2x15MHz cho mỗi bộ điều khiển. Mặc dù cĩ một số đặc điểm khác nhau nhưng cả hai phương thức đều cĩ tổng hiệu suất gần giống nhau. Chế độ TDD khơng cho phép giữa máy di động và trạm gốc cĩ trễ truyền lớn, bởi vì sẽ gây ra đụng độ giữa các khe thời gian thu và phát. Vì vậy mà chế độ IDD phù hợp với các mơi trường cĩ trễ truyền thấp, cho nên chế độ TDD vận hành ở các pico cell. Một ưu điểm của TDD là tốc độ dữ liệu đường lên và đường xuống cĩ thể rất khác nhau, vì vậy mà phù hợp cho các ứng dụng cĩ đặc tính bất đối xứng giữa đường lên và đường xuống , chẳng hạn như Web browsing. Trong quá trình hoạch định mạng, các ưu điểm và nhược điểm của hai phương pháp này cĩ thể bù trừ. 1.4.2. Mối quan hệ và sự khác nhau giữa WCDMA và UMTS Cùng với sự phát triển nhanh chĩng của thơng tin di động trên thế giới,khi ngày càng nhiều nước quan tâm đến 3G và 3G cũng đã đưa vào khai thác thương mại ở rất nhiều nước (trên 70 quốc gia) như Hàn Quốc, Nhật Bản và cả ở Việt Nam… thì nhiều thuật ngữ về kỹ thật 3G cũng bắt đầu lưu hành. Các thuật ngữ viết tắt WCDMA, UMTS, TD-SCDMA v.v… xuất hiện ngày càng nhiều trên các phương tiện thơng tin đại chúng. Cĩ một hiện tượng khá phổ biến là: người ta thường lẫn lộn giữa WCDMA và UMTS, xem chúng cĩ cùng khái niệm như nhau. Vậy thực chất thì UMTS và WCDMA cĩ mối quan hệ như thế nào và giữa chúng cĩ sự khác biệt nào khơng ? Ngay từ đầu những năm 90 của thế kỷ 20, Hiệp hội Tiêu chuẩn Viễn thơng châu Âu (ETSI) đã bắt đầu trưng cầu phương án kỹ thuật của tiêu chuẩn 3G và “vội vàng” gọi chung kỹ thuật 3G là UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems) cĩ nghĩa là các hệ thống thơng tin di động đa năng. CDMA băng rộng (WCDMA) chỉ là một trong các phương án được khuyến nghị (băng rộng lên tới 5MHz). Sau đĩ sự tham gia tích cực của Nhật Bản vào việc xây dựng các tiêu chuẩn này đã thúc đẩy nhanh chĩng sự phát triển của cơng nghệ 3G trên phạm vi tồn cầu. Năm 1998, châu Âu và Nhật đạt được sự nhất trí về những tham số chủ chốt của khuyến nghị CDMA băng rộng và đưa nĩ trở thành phương án kỹ thuật dùng giao diện khơng gian FDD (ghép tần số song cơng - Frequency Division Duplex) trong hệ thống UMTS. Và từ đĩ phương án kỹ thuật này được gọi là WCDMA để nêu rõ sự khác biệt với tiêu chuẩn CDMA băng hẹp của Mỹ (băng rộng chỉ cĩ 1,25 MHz). Tiếp tục phát triển một cách logic, UMTS trở thành một trong những tiêu chuẩn 3G của tổ chức tiêu chuẩn hố thế giới 3GPP (Tổ chức những người bạn hợp tác về 3G) và khơng chỉ định nghĩa giao diện khơng gian; chủ thể của nĩ bao gồm các khuyến nghị về các giao diện và một loạt các quy phạm kỹ thuật về các mạch kết nối và mạch phân nhĩm nịng cốt của CDMA. Để vừa cĩ thể giữ lại khoản đầu tư về mạng hiện cĩ vừa cĩ thể ứng dụng một cách linh hoạt các phát minh cơng nghệ mới nhất, tư tưởng chỉ đạo khi xây dựng tiêu chuẩn 3G là các phần tử mạng cĩ thể phát triển một cách độc lập, tồn mạng cần quá độ một cách trơi chảy và thuận lợi. Mục tiêu tổng quát và cuối cùng của nĩ là: thực hiện một mạng thơng tin di động tồn cầu giải rộng được IP hố. Nĩi cụ thể hơn là kỹ thuật kết nối mạng vơ tuyến và kỹ thuật mạng chuyển mạch nịng cốt đều cĩ cách phát triển riêng của mình. Về kỹ thuật kết nối, đặc biệt là ở các giao diện khơng gian, 3GPP ra sức phấn đấu nâng cao hiệu suất sử dụng tần phổ, ngồi tiêu chuẩn WCDMA là kỹ thuật kết nối khơng gian đầu tiên được chọn và khơng ngừng hồn thiện nâng cao, UMTS cịn đưa vào 2 phương án kỹ thuật khác là TD-SCDMA (Time Division - Sequence Code Division Multiple Access) và HSDPA (High-Speed Digital Position Access). Phương án đầu do Trung Quốc đề xướng, cĩ thể tận dụng tần phổ của đơn biên để cho khả năng tổ chức mạng thơng tin di động tốc độ cao. Phương án sau đưa vào kỹ thuật điều khiển tốc độ truyền đưa dữ liệu cĩ lợi cho việc truyền đưa dữ liệu siêu tốc, cĩ thể đưa tốc độ truyền dữ liệu vơ tuyến lên tới 10 Mbit/s. Về mặt kỹ thuật mạng nịng cốt, đã đưa vào khái niệm chuyển mạch mềm phân nhĩm, tiếp đĩ thuận theo xu thế phát triển ứng dụng các nền tảng IP mà đưa vào khái niệm phục vụ IP đa phương tiện (IMS - IP Multimedia Service). Dựa trên các nền tảng đĩ để thực hiện được mục tiêu phát triển cuối cùng là thiết lập một mạng thơng tin di động đa phương tiện trên nền tảng hồn tồn IP. Sự phát triển liên tục các tiêu chuẩn kỹ thuật nêu trên được thể hiện bằng 4 mơ thức về tiêu chuẩn UMTS của tổ chức 3GPP là: R99, R4, R5 và R6, tạo thành một bộ tiêu chuẩn đồ sộ nhưng trong nĩ lại gồm những hệ tiêu chuẩn tương đối độc lập. WCDMA là một tiêu chuẩn về giao diện khơng gian đầu tiên, sớm nhất và hồn thiện nhất trong các hệ tiêu chuẩn đĩ và được các nhà khai thác và sản xuất thiết bị viễn thơng ở cả 3 châu lục: Âu, Á, Mỹ sử dụng rộng rãi. 1.4.3. Dịch Vụ Của Hệ Thống UMTS So với GSM và các mạng di động đang tồn tại, UMTS cung cấp các đặc tính mới và quan trọng, đĩ là nĩ cho phép thoả thuận các đặc tính của một bộ mang vơ tuyến. Các thuộc tính định nghĩa đặc trưng của chuyển vận bao gồm: thơng lượng, trễ truyền, và tỷ số lỗi dữ liệu. Là một hệ thống hồn hảo, UMTS phải hỗ trợ rất nhiều các dịch vụ cĩ các yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau. Hiện tại, ta cũng khơng dự đốn được hết các đặc điểm và cách sử dụng của rất nhiều các dịch vụ đĩ và cũng khĩ cĩ thể tối ưu các dịch vụ UMTS thành chỉ một tập hợp các ứng dụng. Cho nên các bộ mang UMTS phải cĩ đặc điểm chung, để hỗ trợ các ứng dụng đang tồn tại đồng thời thuận tiện cho việc cho việc phát triển các ứng dụng mới. Ngày nay khi mà hầu hết các dịch vụ viễn thơng đều là các ứng dụng Internet hoặc N-ISDN, thì rõ ràng các ứng dụng và các dịch vụ này chủ yếu là gọi các thủ tục điều khiển các bộ mang. Phần này khơng nghiên cứu sâu về các bộ mang, mà sẽ đề cập đến các lớp dịch vụ của UMTS. 3GPP 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 loại dịch vụ xa (teleservices) như thoại hoặc bản tin ngắn (SMS) và các loại dịch vụ mạng (bearer services: một dịch vụ viễn thơng cung cấp khả năng truyền tín hiệu giữa hai giao diện người sử dụng mạng). Các mạng cĩ các tham số Q0S (Quality of Service: chất lượng dịch vụ) khác nhau cho độ trễ truyền dẫn tối đa, độ trễ truyền biến thiên và tỉ lệ lỗi bit (BER). Những tốc độ dữ liệu được yêu cầu là : ♦ 144 Kbps cho mơi trường vệ tinh và nơng thơn ♦ 384 Kbps cho mơi trường thành phố (ngồi trời) ♦ 2084 Kbps cho mơi trường trong nhà và ngồi trời với khoảng cách gần Hệ thống UMTS cĩ 4 lớp Q0S sau: ● Lớp hội thoại (thoại, thoại thấy hình, trị chơi) ● Lớp luồng (đa phương tiện, video theo yêu cầu…) ● Lớp tương tác (duyệt web, trị chơi qua mạng, truy nhập cơ sở dữ liệu) ● Lớp cơ bản (thư điện tử, SMS, tải dữ liệu xuống) 1.4.3.1 Lớp hội thoại Ứng dụng được biết đến nhiều nhất của lớp này là dịch vụ thoại trên bộ mang chuyển mạch kênh. Kết hợp với Internet và multimedia cĩ các ứng dụng mới như: thoại qua giao thức Internet (Voice Over IP), và điện thoại hình (Video Telephony). Các dịch vụ này được thực hiện là các cuộc hội thoại thời gian thực cĩ đặc điểm sau: trễ giữa các đầu cuối thấp (được xác định bằng các thử nghiệm phù hợp với khả năng cảm nhận âm thanh và hình ảnh của con người, nhỏ hơn 400ms), lưu lượng là đối xứng hoặc gần như đối xứng. ▪ Dịch vụ thoại đa tốc độ thích nghi (AMR). UMTS sử dụng bộ mã hố và giải mã thoại theo cơng nghệ đa tốc độ thích nghi AMR. Bộ mã hố thoại AMR cĩ các đặc điểm sau: + Là một bộ mã hố/giải mã thoại tích hợp đơn với 8 tốc độ nguồn: 12.2 (GSM-EFR), 10.2, 7.95, 7.40(IS-641), 5.90, 5.15 và 4.75 kbps. + Bộ mã hố AMR hoạt động với khung thoại 20ms tương ứng với 160 mẫu với tần số lấy mẫu là 8000 mẫu/s. Sơ đồ mã hố cho chế độ mã hố đa tốc độ được gọi là Bộ mã hố dự đốn tuyến tính được kích thích bởi mã đại số (ACELP). + Tốc độ bit AMR cĩ thể điều khiển bởi mạng truy nhập vơ tuyến tuỳ thuộc vào tải trên giao diện vơ tuyến và chất lượng của kết nối thoại. Khi tải mạng ở mức cao , đặc biệt là trong giờ bận, cĩ thể sử dụng tốc độ bit AMR thấp hơn để yêu cầu dung lượng cao hơn trong khi chất lượng thoại giảm đi rất ít. Cũng tương tự , khi MS chạy ra ngồi vùng phủ sĩng của cell và đang sử dụng sử dụng cơng suất phát lớn nhất của nĩ, thì sử dụng tốc độ bit AMR thấp hơn để mở rộng vùng phủ của cell. Với bộ mã hố thoại AMR cĩ thể đạt được sự điều hồ giữa dung lượng vùng phủ của mạng và chất lượng của thoại tuỳ theo các yêu cầu của nhà điều hành. ▪ Điện thoại hình. Dịch vụ này cĩ yêu cầu trễ tương tự như dịch vụ thoại. Nhưng do đặc điểm của nén video, yêu cầu BER nghiêm ngặt hơn thoại. UMTS đã chỉ ra các đặc tính trong ITU-T Rec. H.324M sử dụng cho điện thoại hình trong các kết nối chuyển mạch kênh và giao thức khởi tạo phiên (SIP) để hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện IP bao gồm dịch vụ điện thoại hình. 1.4.3.2. Lớp luồng Luồng đa phương tiện là một kỹ thuật chuyển dữ liệu nhờ đĩ dữ liệu được được xử lý như là một luồng liên tục và đều đặn. Nhờ cĩ cơng nghệ streaming, người sử dụng cĩ thể truy cập nhanh để tải nhanh chĩng các file đa phương tiện các trình duyệt cĩ thể bắt đầu hiển thị dữ liệu trước khi tồn bộ file được truyền hết. Các ứng dụng streaming thường rất khơng đối xứng, cho nên phải chịu nhiều trễ hơn là các dịch vụ hội thoại đối xứng. Điều này cĩ nghĩa là chúng phải chịu nhiều jitter hơn trong truyền dẫn. Các ứng dụng được chia thành 2 phạm vi mục đích khác nhau: Quảng bá web, luồng hình ảnh theo yêu cầu. Các nhà cung cấp dịch vụ quảng web thường hướng mục tiêu đến đơng đảo khách hàng mà được kết nối với một máy chủ phương tiện truyền được tối ưu hĩa hiệu suất thơng qua Internet. Các dịch vụ luồng video theo yêu cầu thường sử dụng cho các cơng ty lớn mong muốn lưu trữ các video clip hoặc các bài giảng vào một máy chủ được kết nối với một mạng intranet nội bộ băng thơng cao hơn. 1.4.3.3. Lớp tương tác Khi người sử dụng đầu cuối online để yêu cầu dữ liệu từ các thiết bị từ xa (máy chủ), thì lớp tương tác được sử dụng. Lưu lượng tương tác là một mơ hình giao tiếp dữ liệu khác mà được đặc trưng bởi mẫu đáp ứng yêu cầu của người sử dụng đầu cuối, thời gian trễ round-trip, và tính trong suốt khi vận chuyển (với tốc độ lỗi bit thấp). Một ứng dụng quan trọng của lớp này là Computer game sử dụng cơng nghệ J2ME. 1.4.3.4. Lớp cơ bản Lưu lượng dữ liệu của các ứng dụng như là Email, dịch vụ nhắn tin ngắn SMS, dịch vụ nhắn tin đa phương tiện MMS (MMS là một sự mở rộng hồn hảo của SMS) tải về cơ sở dữ liệu, nhận các bản ghi đo đạc cĩ thể sử dụng lớp nền vì các ứng dụng này khơng địi hỏi các hành động tức thì. Lưu lượng nền cĩ các đặc điểm sau: điểm đích khơng mong chờ dữ liệu trong một thời gian nhất định, cho nên ít nhiều khơng nhạy cảm với thời gian phân phát dữ liệu; nội dung các gĩi khơng nhất thiết phải chuyển một cách hồn tồn trong suốt; dữ liệu bên thu khơng cĩ lỗi. Yếu tố chủ yếu để phân biệt các loại này là độ nhạy cảm với trễ, ví dụ như hội thoại rất nhạy với trễ cịn loại cơ bản thì ít nhạy cảm với trễ nhất. Các loại Q0S của UMTS được tổng kết ở bảng (1.1) Bảng 1.1 Các lớp QoS của hệ thống UMTS Loại lưu lượng Lớp hội thoại Lớp luồng Lớp tương tác Lớp cơ bản Các đặc tính cơ bản Dành trước quan hệ thời gian giữa các thực thể thơng tin của luồng . Mẫu hội thoại (chặt chẽ và độ trễ nhỏ) Dành trước quan hệ thời gian giữa các thực thể thơng tin của luồng Yêu cầu mẫu trả lời trước Dành trước số liệu tồn vẹn Nơi nhận khơng đợi số liệu trong khoảng thời gian nhất định Dành trước số liệu tồn vẹn Thí dụ về ứng dụng - Thoại - Thoại thấy hình Luồng đa phương tiện - Duyệt Web -Các trị chơi qua mạng - Tải dữ liệu xuống - Email 1.4.4 Cấu trúc cell Trong suốt quá trình thiết kế của hệ thống UMTS cần phải chú ý nhiều hơn đến sự phân tập của mơi trường người sử dụng. Các mơi trường nơng thơn ngồi trời, đơ thị ngồi trời, hay đơ thị trong nhà được hỗ trợ bên cạnh các mơ hình di động khác nhau gồm người sử dụng tĩnh, người đi bộ đến người sử dụng trong mơi trường xe cộ đang chuyển động với vận tốc rất cao. Để yêu cầu một vùng phủ sĩng rộng khắp và khả năng roaming tồn cầu, UMTS đã phát triển cấu trúc lớp các miền phân cấp với khả năng phủ sĩng khác nhau. Lớp cao nhất bao gồm các vệ tinh bao phủ tồn bộ trái đất; Lớp thấp hơn hình thành nên mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất UTRAN. Mỗi lớp được xây dựng từ các cell, các lớp càng thấp các vùng địa lý bao phủ bởi các cell càng nhỏ. Vì vậy các cell nhỏ được xây dựng để hỗ trợ mật độ người sử dụng cao hơn. Các cell macro đề nghị cho vùng phủ mặt đất rộng kết hợp với các micro cell để tăng dung lượng cho các vùng mật độ dân số cao. Các cell pico được dùng cho các vùng được coi như là các “điểm nĩng” yêu cầu dung lượng cao trong các vùng hẹp (ví dụ như sân bay…). Những điều này tuân theo 2 nguyên lý thiết kế đã biết trong việc triển khai các mạng tế bào: các cell nhỏ hơn cĩ thể được sử dụng để tăng dung lượng trên một vùng địa lý, các cell lớn hơn cĩ thể mở rộng vùng phủ sĩng. Do các nhu cầu và các đặc tính của một mơi trường văn phịng trong nhà khác với yêu cầu của người sử dụng đang đi với tốc độ cao tại vùng nơng thơn, diễn đàn UMTS đã phát triển 6 mơi trường hoạt động. Đối với mỗi mơ hình mật độ người sử dụng cĩ thể trên một km2 và các loại cell được dự đốn cho các mơ hình cĩ tính di động thấp, trung bình, cao. Vệ tinh Macro-Cell Micro-Cell Đơ thị Trong tịa nhà Pico-Cell Tồn cầu Ngoại ơ Hình 1.6 Cấu trúc cell UMTS 1.4.5. Cấu trúc của hệ thống UMTS Phần này sẽ xét tổng quan cấu trúc hệ thống UMTS. Cấu trúc bao gồm các phần tử mạng logic và các giao diện. Hệ thống UMTS sử dụng cùng cấu trúc như hệ thống thế hệ 2, thậm chí một phần cấu trúc của hệ thống thế hệ 1. Mỗi phần tử mạng logic cĩ một chức năng xác định. Trong tiêu chuẩn các phần tử mạng được định nghĩa cũng thường được thực hiện ở dạng vật lí tương tự, nhất là cĩ một số giao diện mở (giao diện sao cho ở mức chi tiết cĩ thể sử dụng được thiết bị của hai nhà sản xuất khác nhau ở các điểm cuối). Cĩ thể nhĩm các phần tử mạng theo các chức năng giống nhau hay theo mạng con mà chúng trực thuộc. Node B Node B RNC Node B Node B RNC RNS RNS Iub Iur UTRAN MSC/VLR GGSN CN IU CS IU PS UU USIM USIM CU UE Hình 1.7 Cấu trúc của hệ thống UMTS Về mặt chức năng cĩ 2 nhĩm phần tử mạng: + Mạng truy nhập vơ tuyến (RAN: Random Access Network hay UTRAN : UMTS Terrestrial RAN) thực hiện chức năng liên quan đến vơ tuyến . + Mạng lõi (CN: Core Network) thực hiện chức năng chuyển mạch, định tuyến cuộc gọi và kết nối số liệu. Để hồn thiện, hệ thống cịn cĩ thiết bị người sử dụng (UE :User Equipment) để thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống và cần định nghĩa giao diện vơ tuyến. Cấu trúc hệ thống mức cao được thể hiện trong hình (1.7) . Từ quan điểm chuẩn hố, cả UE và UTRAN đều bao gồm các giao thức mới. Việc thiết kế các giao thức này dựa trên những nhu cầu của cơng nghệ vơ tuyến WCDMA mới. Trái lại, việc định nghĩa CN dựa trên GSM. Điều này cho phép hệ thống với cơng nghệ vơ tuyến mới mang tính tồn cầu dựa trên cơng nghệ CN đã biết và đã phát triển. Một phương pháp chia nhĩm khác cho mạng UMTS là chia chúng thành các mạng con. Trên khía cạnh này, hệ thống UMTS được thiết kế theo Modun. Vì thế, cĩ thể cĩ nhiều phần tử mạng cho cùng một kiểu. Khả năng cĩ nhiều phần tử của cùng một kiểu cho phép chia hệ thống UMTS thành các mạng con hoạt động hoặc độc lập hoặc cùng với các mạng con khác. Các mạng con này được phân biệt bởi các nhận dạng duy nhất. Một mạng con như vậy được gọi là mạng di động mặt đất cơng cộng UMTS (UMTS PLMN:UMTS Public Land Mobite Network). Thơng thường, mỗi PLMN được khai thác duy nhất, và nĩ được nối đến các PLMN khác như ISDN, PSTN, Internet.. Các tiêu chuẩn UMTS được cấu trúc sao cho khơng định nghĩa chi tiết chức năng bên trong của các phần tử mạng nhưng định nghĩa giao diện giữa các phần tử mạng logic. Các giao diện mở chính là: + Giao diện Cu: là giao diện thẻ thơng minh USIM và ME. Giao diện này tuân theo một khuơn dạng tiêu chuẩn cho các thẻ thơng minh. + Giao diện Uu: là giao diện vơ tuyến của WCDMA, giao diện giữa UE và Node B . Đây là giao diện mà qua đĩ UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống. Vì thế nĩ là giao diện mở quan trọng nhất ở UMTS. + Giao diện Iu nối UTRAN với CN. Nĩ 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 gĩi. + 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 một nút B với một RNC. Nĩ cho phép hỗ trợ sự cạnh tranh giữa các nhà sản xuất trong lĩnh vực này. UMTS là hệ thống điện thoại di động đầu tiên cĩ Iub được tiêu chuẩn hố như một giao diện mở hồn tồn. 1.4.6. 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 ngồi • Những vấn đề liên quan đến truy nhập gĩi • Giao diện Iu và các yêu cầu quản lí và điều hành mạng Mạng lõi UMTS cĩ thể chia thành 2 phần: chuyển mạch kênh và chuyển mạch gĩi. Thành phần chuyển mạch kênh gồm: MSC, VLR và cổng MSC. Thành phần chuyển mạch gĩi gồm nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN: Serving GPRS Support Node) và cổng nút hỗ trợ GPRS (GGSN: Gateway GPRS Support Node). Một số thành phần của mạng như HLR và AUC được chia sẽ cho cả hai phần. Cấu trúc của mạng lõi cĩ thể được thay đổi khi các dịch vụ mới và các đặc điểm mới của hệ thống được đưa ra. Các phần tử chính của mạng lõi như sau : • HLR (Home Location Register: Thanh ghi định vị thường trú) là một cơ sở dữ liệu được đặt tại hệ thống chủ nhà của người sử dụng để lưu trữ thơng tin chính về lý lịch dịch vụ của người sử dụng, bao gồm thơng tin về các dịch vụ bổ sung như trạng thái chuyển hướng cuộc gọi, số lần chuyển hướng cuộc gọi. • MSC/VLR (Mobile Service Switching Center): Trung tâm chuyển mạch dịch vụ di động) là tổng đài (MSC) và cơ sở dữ liệu (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại vị trí hiện thời của nĩ. Nhiệm vụ của MSC là sử dụng các giao dịch chuyển mạch kênh. VLR làm nhiệm vụ giữ bản sao về lý lịch của người sử dụng cũng như vị trí chính xác hơn của UE trong hệ thống đang phục vụ. CS là phần mạng đựơc truy nhập qua MSC/VLR. • GMSC (Gateway MSC) là chuyển mạch tại điểm kết nối UMTS PLMN với mạng CS bên ngồi. • SGSN (Serving GPRS: General Packet Radio Network Service Node) cĩ chức năng giống như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho các dịch vụ chuyển mạch gĩi PS (Packet Switch). Vùng PS là phần mạng được truy nhập qua SGSN. • GGSN (Gateway GPRS Support Node) cĩ chức năng giống như các dịch vụ điện thoại, ví dụ như ISDN hoặc PSTN. • Các mạng PS đảm bảo các kết nối cho những dịch vụ chuyển mạch gĩi, ví dụ như Internet. 1.4.7. Truy nhập vơ tuyến mặt đất UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Acess Network) Hình 1.8 Kiến Trúc UTRAN Utran bao gồm một hay nhiều phân hệ mạng vơ tuyến (RNS). Một RNS là một mạng con trong UTRAN và bao gồm một bộ điều khiển mạng vơ tuyến (RNC) và một hay nhiều Nút B. Các RNC cĩ thể được kết nối với nhau thơng qua một giao diện Iur. Các RNC và các Nút B được kết nối với nhau thơng qua giao diện Iub. Các yêu cầu chính để thiết kế kiến trúc, giao thức và chức năng UTRAN. ▪Tính hỗ trợ của UTRAN và các chức năng liên quan: Yêu cầu tác động tới thiêt kế của UTRAN là các yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm (một thiết bị đầu cuối kết nối với mạng thơng qua 2 hay nhiều cell đang hoạt động) và các thuật tốn quản lý nguồn tài nguyên vơ tuyến đặc biệt. ▪ Làm tăng tính tương đồng của GSM. ▪ Sử dụng phương thức vận chuyển ATM như là cơ cấu chuyển vận chính trong UTRAN. ▪ Sử dung kiểu chuyển vận trên cơ sở IP như là cơ cấu chuyển vận thay thế trong UTRAN kể từ Reasle 5 trở đi. 1.4.7.1. Bộ điều khiển mạng vơ tuyến Bộ điều kiển mạng vơ tuyến (RNC) là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều kiển nguồn tài nguyên vơ tuyến của UTRAN. Nĩ giao tiếp với mạng lõi ( thường là với một MSC và một SGSN ) và cũng là phần tử cuối cùng của giao thức điều khiển nguồn tài nguyên vơ tuyến mà xác định các thơng điệp và thủ tục giữa máy di động và UTRAN. Về mặc logic, nĩ tương ứng với BSC trong GSM. *Vai trị logic của RNC RNC điều kiển một Nút B (như là vạch giới hạn giao diện Iub tới NútB ) được coi như là bộ RNC đang điều khiển ( CRNC) của nút .Bộ điều khiển CRNC chịu trách nhiệm điều khiển tải và điều khiển nghẽn cho cell của nĩ , và điều kiển thu nhận và phân bố mã cho liên kết vơ tuyến được thiết lập trong các cell. Trong trường hợp một kết nối UTRAN, máy di động sử dụng nguồn tài nguyên từ nhiều phân hệ mạng vơ tuyến RNS, thì các RNS bao gồm 2 chức năng logic riêng biệt (về phương diện kết nối máy di động - UTRAN này). RNC phục vụ (SRNC): RNC cho mỗi máy di động là một RNC mà xác định biên giới cả liên kết Iu cho sự vận chuyển dữ liệu người sử dụng và báo hiệu RANAP tương thích qua mạng lõi (kết nối này được gọi là kết nối RANAP). SRNC cũng xác định biên giới của Báo hiệu điều khiển nguồn tài nguyên vơ tuyến, nĩ là giao thức báo hiệu giữa UE và UTRAN. Nĩ thực hiện xử lý ở lớp 2 cho các dữ liệu chuyển qua giao diện vơ tuyến. Hoạt động Quản lý nguồn tài nguyên vơ tuyến cơ bản, như là ánh xạ các thơng số mang thơng tin truy nhập vơ tuyến thành các thơng số kênh chuyển vận giao diện vơ tuyến, quyết định chuyển giao , và điều khiển cơng suất vịng bên ngồi. Các hoạt động này được thực thi trong SNRC. SRNC cũng cĩ thể là CRNC của một số Nút B sử dụng bởi máy di động cho kết nối với UTRAN. Một UE kết nối với UTRAN thì chỉ cĩ duy nhất một SRNC. Bộ RNC trơi (DRNC): DRNC cĩ thể là bất cứ RNC nào ngồi SRNC, nĩ điều khiển các cell sử dụng bởi máy di động. Nếu cần thiết, DRNC cĩ thể thực hiện kết hợp hay chia nhỏ phân tập macro. DRNC khơng thực hiện xử lý dữ liệu người sử dụng ở lớp 2, nhưng định tuyến một cách trong suốt dữ liệu giữa giao diện Iub và Iur, ngoại trừ khi UE đang sử dụng một kênh chuyển vận dùng chung. Một UE cĩ thể khơng cĩ, cĩ một hoặc cĩ nhiều DRNC. Chú ý rằng một RNC ở mức vật lý bao gồm tồn bộ các chức năng CRNC, SRNC và DRNC. 1.4.7.2. Nút B (trạm gốc) Chức năng chính của Nút B là để thực hiện xử lý ở lớp 1 giao diện vơ tuyến (ghép xen và mã hố kênh, thích ứng tốc độ, trải phổ .v.v.). Nĩ cũng thực hiện một số hoạt động Quản lý tài nguyên vơ tuyến như là điều khiển cơng suất vịng bên trong. Về mặt logic nĩ tương thích với Trạm gốc GSM. Dung lựợng của node B phụ thuộc vào năm yếu tố : Cơng suất, Signal quality (Ec/No, RxQuality), Code OVFS, Channal Element, Iub bandwidth ( băng thơng từ Node B về RNC ). 1.4.8. Thiết bị người sử dụng UE (User Equipment) UE là sự kết hợp giữa thiết bị di động và module nhận dạng thuê bao USIM (UMTS subscriber identity). Giống như SIM trong mạng GSM/GPRS, USIM là thẻ cĩ thể gắn vào máy di động và nhận dạng thuê bao trong mạng lõi. Thiết bị di động (ME: Mobile Equipment) là đầu cuối vơ tuyến được sử dụng cho thơng tin vơ tuyến giao diện Uu. Modun nhận dạng thuê bao UMTS (USIM: UMTS Subscriber Identity Modul) là một thẻ thơng minh chứa thơng tin nhận dạng thuê bao, thực hiện các thuật tốn nhận thực và lưu giữ các khố nhận thực cùng một số thơng tin thuê bao cần thiết cho đầu cuối. Trong hệ thống GSM, SIM card lưu giữ thơng tin cá nhân (đăng ký thuê bao) cài cứng trên card. Điều này đã thay đổi trong UMTS, Modul nhận dạng thuê bao UMTS được cài như một ứng dụng trên UICC. Điều này cho phép lưu nhiều ứng dụng hơn và nhiều chữ ký (khĩa) điện tử hơn cùng với USIM cho các mục đích khác (các mã truy nhập giao dịch ngân hàng an ninh). Ngồi ra cĩ thể cĩ nhiều USIM trên cùng một UICC để hỗ trợ truy nhập đến nhiều mạng. USIM chứa các hàm và số liệu cần để nhận dạng và nhận thực thuê bao trong mạng UMTS. Nĩ cĩ thể lưu cả bản sao hồ sơ của thuê bao. Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mã PIN. Điểu này đảm bảo rằng chỉ người sử dụng đích thực mới được truy nhập mạng UMTS. Mạng sẽ chỉ cung cấp các dịch vụ cho người nào sử dụng đầu cuối dựa trên nhận dạng USIM được đăng ký. 1.5. TỔNG KẾT VỀ CƠNG NGHỆ TRUY NHẬP VƠ TUYẾN WCDMA TRONG HỆ THỐNG UMTS WCDMA là cơng nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng sử dụng cho phần giao diện vơ tuyến cho hệ thống thơng tin di động thế hệ 3 UMTS. Các thơng số nổi bật đặc trưng cho WCDMA như sau: • WCDMA là hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ dãy trực tiếp băng rộng DS-CDMA, nghĩa là các bit thơng tin được trải ra trong một băng tần rộng bằng cách nhân dữ liệu người dùng với các bit giả ngẫu nhiên (gọi là chip), các bit này xuất phát từ các mã trải phổ CDMA. Để hỗ trợ tốc độ bit cao (lên tới 2Mbps), cần sử dụng các kết nối đa mã và hệ số trải phổ khác nhau. • WCDMA cĩ tốc độ chip là 3.84 Mcps dẫn đến băng thơng của sĩng mang xấp xỉ 5MHz, nên được gọi là hệ thống băng rộng. Cịn các hệ thống DS-CDMA với băng tần khoảng 1 MHz như IS-95, thường được gọi là hệ thống CDMA băng hẹp. Băng thơng rộng của sĩng mang WCDMA hỗ trợ các tốc độ dữ liệu cao của người dùng và đem lại những lợi ích hiệu suất xác định, như là tăng khả năng phân tập đa đường. Các nhà vận hành mạng cĩ thể sử dụng nhiều sĩng mang 5MHz để tăng dung lượng, cĩ thể bằng cách sử dụng các lớp tế bào phân cấp. Khoảng cách giữa các sĩng mang thực tế cĩ thể được chọn là lưới 200KHz trong khoảng 4.4 – 5Mhz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sĩng mang. • WCDMA hỗ trợ tốt các tốc độ dữ liệu người dùng khác nhau hay nĩi cách khác là hỗ trợ tốt đặc tính băng thơng theo yêu cầu (BoD). Mỗi người sử dụng được cấp các khung cĩ độ rộng 10ms, trong khi tốc độ người sử dụng được giữ khơng đổi. Tuy nhiên dung lượng người sử dụng cĩ thể thay đổi giữa các khung. Việc cấp phát nhanh dung lượng vơ tuyến thơng thường sẽ được điều khiển bởi mạng để đạt được thơng lượng tối ưu cho các dịch vụ dữ liệu gĩi. • WCDMA hỗ trợ mơ hình hoạt động cơ bản: chế độ song cơng phân chia theo tần số FDD và song cơng phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplex). • Trong chế độ FDD, các tần số sĩng mang 5MHz khác nhau sẽ được sử dụng cho đường lên và đường xuống, trong khi ở chế đố TDD, chỉ cĩ 1 sĩng mang 5MHz được sử dụng bằng cách chia sẻ miền thời gian cho các đường lên và đường xuống. • WCDMA hỗ trợ hoạt động của các trạm gốc dị bộ, khác với hệ thống đồng bộ IS-95, nên khơng cần chuẩn thời gian tồn cầu ,như là GPS, Việc triển khai các trạm gốc micro và trạm gốc indoor sẽ dễ dàng hơn khi nhận tín hiệu mà khơng cần GPS. • WCDMA áp dụng kỹ thuật tách sĩng kết hợp trên cả đường lên và đường xuống dựa vào việc sử dụng kênh hoa tiêu. Mặc dù được sử dụng trên đường xuống IS-95, nhưng việc sử dụng tách sĩng kết hợp trên đường lên trong hệ thống WCDMA là mới, cĩ khả năng tăng tổng thể dung lượng và vùng phủ sĩng của đường lên. Giao diện vơ tuyến WCDMA được xây dựng một cách khéo léo theo cách của các bộ thu CDMA tiên tiến, như là khả năng tách sĩng nhiều người dùng và các anten thích ứng thơng minh, cĩ thể được triển khai bởi các nhà điều khiển mạng như là một hệ thống được chọn lựa để tăng dung lượng và vùng phủ sĩng. Trong hầu hết các hệ thống thế hệ 2, khơng cĩ các điều khoản cho các khái niệm bộ thu này, cĩ nghĩa là chúng khơng cĩ khả năng ứng dụng hoặc khơng thể áp dụng một cách bắt buộc với việc tăng hiệu suất một cách hạn chế. WCDMA được thiết kế để giao tiếp với GSM. Vì thế, sự chuyển giao giữa GSM và WCDMA được hỗ trợ để cải tiến vùng phủ sĩng của GSM bằng cách sử dụng WCDA. Bảng 1.2 Tĩm tắt các thơng số chính của WCDMA Phương thức đa truy nhập DS-CDMA Phương thức song cơng FDD/TDD Việc đồng bộ trạm gốc Hoạt động khơng đồng bộ Tốc độ chip 3,84Mcps Chiều dài khung 10ms Ghép các dịch vụ Nhiều dịch vụ với yêu cầu chất lượng khác nhau được ghép xen trên một kết nối Khái niệm đa tốc độ Hỗ trợ tốc độ trải phổ khác nhau và đa mã Tách sĩng Tách sĩng kết hợp sử dụng đại diện kênh pilot hoặc kênh pilot chung Tách sĩng nhiều người sử dụng, các Anten thơng minh Được hỗ trợ bởi các chuẩn, tuỳ chọn trong quá trình thực thi Sự khác nhau giữa WCDMA và cdma2000 (hay cịn gọi là cdmaOne băng rộng) cĩ thể chỉ ra trong một số các đặc điểm được trình bày trong bảng 1.3. Bảng 1.3 Các điểm khác nhau cơ bản của W-CDMA và cdma2000 Thơng số cdma2000 ETSI W-CDMA Phương thức truy nhập UL: DS-CDMA DL:Multicarrier/DS-CDMA UL&RL: DS-CDMA Tốc độ chip (Mcps) Bội số của 1.2288 Bội số của 1.024 Tốc độ điều khiển cơng suất 800Hz (Tốc độ cao hơn đang được nghiên cứu) 1600Hz Cấu trúc kênh đường xuống Các kênh Fund/Supp được ghép theo mã Kênh pilot chung duy trì + kênh pilot phụ Các kênh được ghép theo thời gian. Kênh pilot được ghép theo thời gian Cấu trúc kênh đường lên để hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao HSD. Kênh mã đơn với các mã Walsh biến đổi Các kênh đa mã Trải phổ đường lên Sự kết hợp của mã dài và mã ngắn tương tự như CDMA 2G Các mã ngắn dựa vào các chuỗi mã trực giao lớp. Mã dài trên cơ sở các mã Gold. Kênh Pilot đường lên Kênh pilot được ghép theo mã Kênh pilot được ghép theo thời gian Sự đồng bộ trạm gốc Đồng bộ (cần cĩ GPS) Khơng đồng bộ 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Sự ra đời của hệ thống thơng tin di động thế hệ thứ 3 là tất yếu để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao nhu cầu của người sử dụng. UMTS là một chuẩn của cơng nghệ WCDMA cĩ nhiều ưu điểm vượt trội so với cơng nghê 2G trước đây. Chương này cho thhấy được lộ trình phát triển của thơng tin di động đơng thời đi sâu tìm hiểu kỹ hơn về cấu trúc chức năng,thành phần của hệ thống UMTS. Qua đĩ làm sáng tỏ được ưu nhựơc điểm của từng cơng nghệ. CHƯƠNG II KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG UMTS 2.1 MỤC TIÊU CỦA ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT Mục tiêu của việc sử dụng điều khiển cơng suất là khác nhau trên đường lên và đường xuống. Các mục tiêu của điều khiển cơng suất cĩ thể tĩm tắt như sau : • Khắc phục hiệu ứng gần-xa trên đường lên. • Tối ưu dung lượng hệ thống bằng việc điều khiển nhiễu. • Làm tăng tối đa tuổi thọ pin của đầu cuối di động. Trong hệ thống thống tin UMTS 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 vơ tuyến đối với từng người sử dụng trong mơi trường đa người sử dụng phụ thuộc vào tỷ số Eb/No (Eb :năng lượng bit,No là mật độ tạp âm trắng Gausơ cộng bao gồm tự tạp âm và tạp âm quy đổi từ máy phát của người sử dụng khác. Để đảm bảo tỉ số Eb/No khơng đổi và lớn hơn ngưỡng yêu cầu cần điều khiển cơng suât UE. Để minh hoạ việc điều khiển cơng suất cần thiết như thế nào trong hệ thống UMTS, chúng ta xem xét một ơ đơn lẻ cĩ hai thuê bao giả định. Thuê bao 1 gần trạm gốc hơn thuê bao 2. Nếu khơng cĩ điều khiển cơng suất, cả hai thuê bao sẽ phát một mức cơng suất cố định p, tuy nhiên do sự khác nhau về khoảng cách nên cơng suất thu từ thuê bao 1 là pr1 sẽ lớn hơn thuê bao 2 là pr2. Giả sử rằng vì độ lệch về khoảng cách như vậy mà pr1 lớn gấp 10 lần pr2 thì thuê bao 2 sẽ chịu một sự bất lợi lớn. Nếu tỷ số SNR yêu cầu là (1/10) thì chúng ta cĩ thể nhận ra sự chênh lệch giữa các SNR của hai thuê bao. Hình (2.1) minh hoạ điều này. Nếu chúng ta bỏ qua tạp âm nhiệt thì SNR của thuê bao 1 sẽ là 10 và SNR của thuê bao 2 sẽ là (1/10). Thuê bao 1 cĩ một SNR cao hơn nhiều và như vậy nĩ sẽ cĩ được một chất lượng rất tốt, nhưng SNR của thuê bao 2 chỉ vừa đủ so với yêu cầu. Sự khơng cân bằng này được xem là bài tốn “xa-gần” kinh điển trong một hệ thống đa truy cập trải phổ. Hệ thống nĩi trên được coi như đã đạt tới dung lượng của nĩ. Lý do là nếu chúng ta thử đưa thêm một thuê bao thứ 3 phát cùng mức cơng suất p vào bất cứ chỗ nào trong ơ thì SNR của thuê bao thứ 3 đĩ sẽ khơng thể đạt được giá trị yêu cầu. Hơn nữa, nếu chúng ta cố đưa thêm thuê bao thứ 3 vào hệ thống thì thuê bao thứ 3 đĩ sẽ khơng những khơng đạt được SNR yêu cầu mà cịn làm cho SNR của thuê bao 2 bị giảm xuống dưới mức SNR yêu cầu. P f Thuê bao 1 cĩ S/N = 1 Thuê bao 2 cĩ S/N = 1/10 Hình 2.1 Cơng suất thu từ 2 thuê bao tại trạm gốc Việc điều khiển cơng suất được đưa vào để giải quyết vấn đề “xa–gần” và để tăng tối đa dung lượng hệ thống. Điều khiển cơng suất là điều khiển cơng suất phát từ mỗi thuê bao sao cho cơng suất thu của mỗi thuê bao ở trạm gốc là bằng nhau. Trong một ơ, nếu cơng suất phát của mỗi thuê bao được điều khiển để cơng suất thu của mỗi thuê bao ở trạm gốc là bằng với Pr thì nhiều thuê bao hơn cĩ thể sử dụng trong hệ thống. Ví dụ trên, nếu SNR yêu cầu vẫn là (1/10) thì tổng cộng cĩ thể cĩ 11 thuê bao được sử dụng trong ơ (hình 2.1). Dung lượng được tăng tối đa khi sử dụng điều khiển cơng suất. 2.2. PHÂN LOẠI ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT Cĩ nhiều phương pháp điều khiển cơng suất trong hệ thống thơng tin tế bào. Khi xét đến một hệ thống điều khiển cơng suất thực tế, cần xem xét những mặt sau: Hình 2.2 Phân loại kỹ thuật điều khiển cơng suất - Tiêu chuẩn chất lượng: tiêu chuẩn chất lượng được đánh giá thơng qua tỉ số SIR (Signal to Interference) và BER (Bit Error Rate). Nếu cường độ tín hiệu và nhiễu khơng đổi SIR và BER bao gồm các thơng tin tương đương về chất lượng . - Những phép đo: thơng thường những phép đo được đưa ra trong báo cáo bao gồm các chỉ số chất lượng QI (Quality Indicator) phản ánh chất lượng và chỉ số cường độ tín hiệu nhận được RRSI (received signal strength indicator) phản ánh cường độ tín hiệu thu được của máy thu. Những giá trị này được lượng tử hố thơ để 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. 2.2.1. Điều khiển cơng suất cho đường xuống và đường lên Điều khiển cơng 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 cĩ một dải động để điều khiển khoảng chừng 80 dB. Ở đường xuống, khơng yêu cầu điều khiển cơng suất trong hệ thống đơn tế bào, từ đĩ 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 ơ bên cạnh làm giảm sự độc lập từ vị trí các ơ đã cho và do đĩ làm giảm hiệu suất. Như vậy, phải sử dụng điều khiển cơng suất trong trường hợp này để làm giảm sự giao thoa giữa các ơ. 2.2.2. Điều khiển cơng suất phân tán và tập trung Một bộ điều khiển tập trung cĩ tất cả các thơng tin về các kết nối được thiết lập và độ lợi kênh, và điều khiển tất cả các mức cơng suất trong mạng hay một phần của mạng. Điều khiển cơng suất tập trung theo yêu cầu tín hiệu điều khiển phạm vi rộng trong mạng và khơng thể ứng dụng trong thực tế. Chúng cĩ thể sử dụng để đưa ra giới hạn về hiệu suất của thuật tốn phân tán. Bộ điều khiển phân tán chỉ điều khiển cơng suất của một trạm phát đơn và thuật tốn chỉ phụ thuộc vào nội bộ, như SIR hay độ lợi kênh của người sử dụng đặc biệt. Những thuật tốn này thực hiện tốt trong trường hợp lý tưởng, nhưng trong các hệ thống thực tế cĩ một số hiệu ứng khơng thích hợp như : - Tín hiệu đo và điều khiển làm mất thời gian dẫn đến thời gian trễ trong hệ thống . - Cơng suất phát hợp lý của máy phát bị hạn chế bởi giới hạn vật lý và sự lượng tử hĩa. Những hạn chế bên ngồi khác như cơng suất phát cực đại trên một kênh đặc biệt tác động đến cơng suất ra. - Chất lượng là một sự đo đạc chủ quan và cần phải tận dụng sự đo đạc khách quan hợp lý. 2.2.3. Phân loại điều khiển cơng suất theo phương pháp đo Theo phương pháp đo, kỹ thuật điều khiển cơng suất được phân thành 3 loại: - Trên cơ sở cường độ. - Trên cơ sở SIR. - Trên cơ sở BER. Trên cơ sở cường độ, cường độ một tín hiệu đến BS từ MS được đánh giá để xác định là nĩ cao hơn hay thấp hơn cường độ mong muốn. Sau đĩ BS sẽ gởi lệnh để điều khiển cơng suất cao hơn hay thấp hơn thích hợp. Trên cơ sở SIR, phương pháp đo là SIR khi mà tín hiệu bao gồm nhiễu kênh và nhiễu giữa các người sử dụng. Điều khiển cơng suất dựa vào cường độ dễ thực hiện hơn điều khiển cơng suất dựa vào SIR, nĩ phản ánh hiệu suất sử dụng hệ thống tốt hơn như: QoS và dung lượng. Một vấn đề quan trọng gắn với điều khiển cơng suất dựa vào SIR là cĩ khả năng gây hồi tiếp dương làm nguy hiểm đến sự vững vàng của hệ thống. Hồi tiếp dương xuất hiện trong trừơng hợp khi một MS dưới sự chỉ dẫn của BS đã tăng cơng suất của nĩ và điều đĩ lặp lại với các MS khác. Trong trường hợp cĩ N-MS trong hệ thống, điều này làm tê liệt cả N-MS. Trong điều khiển cơng suất dựa vào BER, BER được định nghĩa là một số lượng trung bình của các bit lỗi so với chuỗi bit chuẩn. Nếu cơng suất tín hiệu và nhiễu là hằng số thì BER là hàm của SIR, và trong trường hợp này thì QoS là tương đương. Tuy nhiên, trong thực tế SIR là hàm thời gian và như vậy SIR trung bình sẽ khơng tương ứng với BER trung bình. Trong trường hợp này, BER là cơ sở đo đạt chất lượng tốt hơn. 2.2.4. Điều khiển cơng suất vịng hở, điều khiển cơng suất vịng kín Tồn tại ba phương pháp điều khiển cơng suất sau đây: • Điều khiển cơng suất vịng hở. • Điều khiển cơng suất vịng kín gồm điều khiển cơng suất vịng trong và điều khiển cơng suất vịng ngồi. 2.3. MỘT SỐ THUẬT NGỮ LIÊN QUAN 2.3.1. Kênh hoa tiêu Cơng nghệ WCDMA sử dụng các kênh mã (Code chanels) để truyền thơng tin và các kênh hoa tiêu để điều khiển chuỗi nhảy tần số. Kênh hoa tiêu khơng chứa bất kỳ tín hiệu điều chế nào, khơng bị thay đổi trong quá trình giả mã và cĩ thể đọc bởi tất cả các thiết bị thu. Nĩ cũng khơng thay đổi cơng suất đầu ra, được sử dụng cho quá trình đồng bộ và làm tham chiếu cho các máy điện thoại di động (tương tự như kênh FCCH trong GSM). Kênh hoa tiêu cho phép liên tục chỉnh sửa thời gian trong chuỗi mã, mà sau đĩ cĩ thể sử dụng làm tham chiếu để giải mã các kênh khác.Nĩ cũng được dung làm tham chiếu mức tín hiệu cho các báo cáo kết quả đo lường tới các cell đang hoạt động, và như vậy cĩ thể dung trước đĩ để đo các vùng phủ sĩng sau khi thiết lập các mạng. 2.3.2. Hiệu ứng đa đường, bộ thu RAKE Truyền sĩng vơ tuyến trong kênh di động mặt đất được đặc trưng bởi các sự phản xạ, sự suy hao khác nhau của năng lượng tín hiệu. Các hiện tượng này gây ra do các vật cản tự nhiên như tồ nhà, các quả đồi…dẫn đến hiệu ứng truyền sĩng đa đường. Hình 2.3 Truyền sĩng đa đường Hiệu ứng đa đường thường gây ra nhiều khĩ khăn cho các hệ thống truyền dẫn vơ tuyến. Một trong những ưu điểm của các hệ thống DSSS là tín hiệu thu qua các nhánh đa đường với trễ truyền khác nhau và cường độ tín hiệu khác nhau lại cĩ thể cải thiện hiệu suất của hệ thống. Để kết hợp các thành phần từ các nhánh đa đường một cách nhất quán, cần thiết phải tách đúng các thành phần đĩ. Trong các hệ thống WCDMA, bộ thu RAKE được sử dụng để thực hiện chức năng này. Một bộ thu RAKE bao gồm nhiều bộ thu được gọi là “finger”. Bộ thu RAKE sử dụng các bộ cân bằng và các bộ xoay pha để chia năng lượng của các thành phần tín hiệu khác nhau cĩ pha và biên độ thay đổi theo kênh trong sơ đồ chịm sao. Sau khi điều chỉnh trễ thời gian và cường độ tín hiệu, các thành phần khác nhau đĩ được kết hợp thành một tín hiệu với chất lượng cao hơn. Quá trình này được gọi là quá trình kết hợp theo tỉ số lớn nhất (MRC), và chỉ cĩ các tín hiệu với độ trễ tương đối cao hơn độ rộng thời gian của một chip mới được kết hợp. Quá trình kết hợp theo tỉ số lớn nhất sử dụng tốc độ chip là 3.84Mcps tương ứng với 0.26µs hoặc là chênh lệch về độ dài đường dẫn là 78m. Phương pháp này giảm đáng kể hiệu ứng phading bởi vì khi các kênh cĩ đặc điểm khác nhau được kết hợp thì ảnh hưởng của phading nhanh được tính bình quân. Độ lợi thu được từ việc kết hợp nhất quán các thành phần đa đường tương tự với độ lợi của chuyển giao mềm cĩ được bằng cách kết hợp hai hay nhiều tín hiệu trong quá trình chuyển giao. Độ lợi của điều khiển cơng suất nhanh: Điều khiển cơng suất nhanh trong WCDMA đem lại nhiều lợi ích cho hệ thống. Chẳng hạn đối với dịch vụ mơ phỏng cĩ tốc độ 8kbps với BLER=1% và ghép xen 10ms. Sự mơ phỏng được tạo ra trong trường hợp cĩ hoặc khơng cĩ điều khiển cơng suất nhanh với bước cơng suất là 1dB. Điều khiển cơng suất chậm cĩ nghĩa là cơng suất trung bình được giữ tại mức mong muốn và điều khiển cơng suất chậm hồn tồn cĩ thể bù cho ảnh hưởng của suy hao đường truyền và suy hao do các vật chắn, trong khi đĩ điều khiển cơng suất nhanh cĩ thể bù được cho phading nhanh. Phân tập thu hai nhánh được sử dụng trong Nút B. ITU Vehicular A là một kênh 5 nhánh trong WCDMA, và ITU Pedestrian A là một kênh 2 nhánh trong đĩ nhánh thứ hai rất yếu. Tỷ số Eb/N0 , và cơng suất truyền trung bình yêu cầu trong trường hợp khơng cĩ và cĩ điều khiển cơng suất nhanh được trình bày trong bảng (2.1) và bảng (2.2) Bảng 2.1 Giá trị Eb/N0 yêu cầu trong trường hợp cĩ và khơng cĩ điều khiển cơng suất nhanh Điều khiển cơng suất chậm Điều khiển cơng suất nhanh tần số 1.5KHz Độ lợi của điều khiển cơng suất nhanh ITU PedestrianA 3km/h 11.3dB 5.5dB 5.8dB ITU Vehicular A 3km/h 8.5dB 6.7dB 1.8dB ITU VehicularA 50km/h 7.3dB 6.8dB 0.5dB Bảng 2.2 Cơng suất phát tương đối yêu cầu trong trường hợp cĩ và khơng cĩ điều khiển cơng suất nhanh Điều khiển cơng suất chậm Điều khiển cơng suất nhanh tần số 1.5KHz Độ lợi của điều khiển cơng suất nhanh ITU PedestrianA 3km/h 11.3dB 7.7dB 3.6dB ITU Vehicular A 3km/h 8.5dB 7.5dB 1.0dB ITU VehicularA 50km/h 7.6dB 6.8dB 0.8dB Trong 2 bảng trên ta thấy rõ độ lợi mà điều khiển cơng suất nhanh đem lại như sau: • Độ lợi của các UE tốc độ thấp lớn hơn các UE tốc độ cao. • Độ lợi theo tỷ số Eb/I0 yêu cầu lớn hơn độ lợi cơng suất truyền dẫn. Trong 2 bảng, độ lợi âm tại tốc độ 50km/h cĩ nghĩa là điều khiển cơng suất chậm lý tưởng sẽ đem lại hiệu suất tốt hơn so với điều khiển cơng suất nhanh thức tế. Độ lợi âm do việc tính tốn SIR khơng chính xác, các lỗi báo hiệu điều khiển cơng suất, và trễ trong vịng điều khiển cơng suất. Hình 2.4 Cơng suất phát và thu trong 2 nhánh (cơng suất khoảng hở trung bình 0dB,- 10dB).Kênh phading Rayleigh tại 3km/h 2.3.4. Kỹ thuật phân tập Là một phương pháp dung để nâng cao độ tin cậy của việc truyền tín hiệu bằng cách truyền một tín hiệu giống nhau trên nhiều kênh truyền khác nhau để đầu thu cĩ thể chọn trong số những tín hiệu thu được hoặc kết hợp những tín hiệu đĩ thành một tín hiệu tốt nhất việc này nhằm chống lại phading và nhiễu do những kênh truyền khác nhau sẽ chịu phading và nhiễu khác nhau. Người ta cĩ thể sử dụng mã sửa lỗi FEC (Forward error correction) cùng với kỹ thuật phân tập. Lợi dụng việc truyền nhiều kênh mà ta cĩ được độ lợi phân tập,thường được đo bằng dB. Tầm quan trọng của phân tập sẽ được phân tích cùng với điều khiển cơng suất nhanh. Với các UE tốc độ thấp, điều khiển cơng suất nhanh cĩ thể bù đựơc phading của kênh và giữ cho mức cơng suất thu khơng đổi. Các nguyên nhân chính của các lỗi trong cơng suất thu là do việc tính tốn SIR khơng chính xác, các lỗi báo hiệu và trễ trong vịng điều khiển cơng suất. Việc bù phading gây ra suy giảm cơng suất truyền dẫn. Cơng suất thu và cơng suất phát là hàm của thời gian, hình (2.4), (2.5) tại tốc độ của UE là 3km/h. Trong hình (2.4) là trường hợp cĩ ít phân tập, hình (2.5) mơ phỏng trường hợp phân tập nhiều. Sự biến đổi cơng suất phát trong trường hợp hình (2.4) cao hơn trong trường hợp (2.5) do sự khác nhau về số lượng phân tập. Các trường hợp phân tập như: phân tập đa đường, phân tập anten thu, phân tập anten phát hay phân tập vĩ mơ. Với sự phân tập ít hơn thì sự biến động lớn hơn trong cơng suất phát, nhưng cơng suất phát trung bình cũng cao hơn. Mức tăng cơng suất là được định nghĩa là tỷ số giữa cơng suất truyền dẫn trung bình trên kênh phading và trên kênh khơng cĩ phading khi mức cơng suất thu giống nhau trên cả 2 kênh cĩ phading và khơng cĩ phading. Mức tăng cơng suất được mơ tả trong hình (2.6). Hình 2.5 Cơng suất phát và thu trên 3 nhánh (cơng suất khoảng hở như nhau). Kênh phading Rayleigh tại tốc độ 3km. Hình 2.6 Cơng suất tăng trong kênh phading với điều khiển cơng suất nhanh Kết quả ở mức liên kết cho sự tăng cơng suất đường lên thể hiện trong bảng 2.3. Sự mơ phỏng được thực hiện tại các mức UE khác nhau trên kênh ITU pedestrian 2 đường với cơng suất thành phần đa đường từ 0 đến -12.5dB. Trong sự mơ phỏng này cơng suất phát và cơng suất thu được tập hợp trong từng khe. Với điều khiển cơng suất lý tưởng, mức tăng cơng suất là 2,3dB. Điều đĩ chứng tỏ điều khiển cơng suất nhanh hoạt động cĩ hiệu quả trong việc bù năng lượng cho phading. Với các UE tốc độ cao (>100km/h), mức tăng cơng suất rất nhỏ do điều khiển cơng suất nhanh khơng thể bù được phading. Mức tăng cơng suất rất quan trọng đối với hiệu suất của các hệ thống WCDMA. Trên đường xuống, dung lượng giao diện vơ tuyến được xác định trực tiếp bởi cơng suất phát yêu cầu, do cơng suất đĩ xác định nhiễu truyền. Vì thế, để làm tăng tối đa dung lượng đường xuống, cơng suất phát cần cho một liên kết phải được giảm nhỏ. Trên đường xuống, mức cơng suất thu trong UE khơng ảnh hưởng đến dung lượng. Trên đường lên, cơng suất phát xác định tổng nhiễu đến các cell lân cận, và cơng suất thu xác định tổng nhiễu đến các UE khác trong cùng một cell. Chẳng hạn như chỉ cĩ một cell WCDMA trong một vùng, dung lượng đường lên của cell này sẽ được tăng tối đa bằng cách giảm tối thiểu cơng suất thu yêu cầu, và mức tăng cơng suất sẽ khơng ảnh hưởng đến dung lượng đường lên. Bảng 2.3 Các mức tăng cơng suất được minh hoạ của kênh ITU Pedestrian A đa đường với phân tập anten. Tốc độ UE Mức tăng cơng suất trung bình 3km/h 2,1dB 10km/h 2,0dB 20km/h 1,6dB 50km/h 0,8dB 140km/h 0,2dB Điều khiển cơng suất trong chuyển giao mềm cĩ hai vấn đề chính khác nhau trong các trường hợp liên kết đơn: vấn đề trơi cơng suất trong Nút B trên đường xuống , và phát hiện tin cậy các lệnh điều khiển cơng suất đường lên trong UE. 2.3.5. Sự trơi cơng suất đường xuống Sự trơi cơng suất là trường hợp xảy ra khi thực hiện chuyển giao mềm mà UE gửi một lệnh đơn để điều khiển cơng suất phát đường xuống đến tất cả các Nút B trong tập hợp “tích cực”. Các Nút B sẽ phát hiện các lệnh này một cách độc lập, bởi vì các lệnh này sẽ khơng được kết hợp trong các bộ điều khiển mạng RNC do sẽ gây ra nhiều trễ và báo hiệu trong mạng. Chính vì các lỗi báo hiệu trên giao diện vơ tuyến, các Nút B sẽ phát hiện các lệnh điều khiển cơng suất theo các cách khác nhau. Cĩ thể một Nút B sẽ làm giảm cơng suất phát của nĩ tới UE, một Nút B khác cĩ thể lại tăng mức cơng suất phát tới UE. Sự khác nhau đĩ dẫn đến tình huống cơng suất đường xuống bắt đầu trơi theo hướng khác nhau. Hiện tượng đĩ gọi là trơi cơng suất. Hiện tượng trơi cơng suất là khơng mong muốn, bởi vì nĩ làm giảm hiệu suất chuyển giao đường xuống. Vấn đề này cĩ thể được điều khiển bởi RNC. Phương pháp đơn giản nhất là thiết lập giới hạn tương đối nghiêm ngặt cho khoảng biến động cơng suất đường xuống. Giới hạn này cho cơng suất phát cụ thể của các UE. Rõ ràng khoảng biến động điều khiển cơng suất cho phép càng nhỏ thì độ trơi cơng suất lớn nhất càng nhỏ. Mặt khác khoảng biến đổi điểu khiển cơng suất thường cải thiện hiệu suất điều khiển cơng suất. Hình 2.7 Trơi cơng suất đường xuống trong chuyển giao mềm Hình 2.8 Kiểm tra độ tin cậy của điều khiển cơng suất đường lên tại UE trong chuyển giao mềm Một cách khác để giảm sự trơi cơng suất. RNC cĩ thể nhận thơng tin từ các Nút B về các mức cơng suất phát của kết nối chuyển giao mềm. Các mức này được tính trung bình trên một số các lệnh điều khiển cơng suất, ví dụ như trong 500ms, hay trên 750 lệnh điều khiển cơng suất. Dựa vào các thơng số đo đạc này, RNC cĩ thể gửi các giá trị tham khảo về cơng suất phát đường xuống tới các Nút B. Các Nút B đang thực hiện chuyển giao mềm sử dụng các giá trị tham khảo này cho việc điều khiển cơng suất đường xuống cho các kết nối để giảm hiện tượng trơi cơng suất. Như vậy cần một sự hiệu chỉnh nhỏ mang tính định kỳ để hướng tới cơng suất tham khảo. Kích cỡ hiệu chỉnh này tỷ lệ thuận với độ chênh lệch giữa cơng suất phát thực tế và cơng suất phát tham khảo. Phương pháp này sẽ giảm bớt hiện tượng trơi cơng suất. Sự trơi cơng suất chỉ xảy ra nếu cĩ điều khiển cơng suất nhanh trên đường xuống. Trong IS-95 chỉ cĩ điều khiển cơng suất chậm trên đường xuống nên khơng cần phương pháp điều khiển sự trơi cơng suất đường xuống. 2.3.6. Độ tin cậy của các lệnh điều khiển cơng suất đường lên Tất cả các Nút B trong tập hợp “tích cực” gửi một lệnh điều khiển cơng suất độc lập đến các UE để điều khiển cơng suất phát đường lên. Chỉ cần một trong các Nút B trong tập hợp tích cực nhận đúng tín hiệu đường lên là đủ. Vì thế UE cĩ thể giảm cơng suất phát nếu một trong các Nút B gửi các lệnh cơng suất xuống. Cĩ thể áp dụng sự kết hợp theo tỷ số lớn nhất các bit dữ liệu trong chuyển giao mềm tại UE do dữ liệu giống nhau được gửi từ tất cả các Nút B thực hiện chuyển giao mềm, nhưng sự kết hợp này khơng áp dụng cho các bit điều khiển cơng suất vì nĩ chứa thơng tin khác nhau đối với mỗi Nút B trong tập hợp “tích cực”. Vì thế độ tin cậy của các bit điều khiển cơng suất khơng tốt bằng các bit dữ liệu, và tại UE, một ngưỡng được sử dụng để kiểm tra độ tin cậy của các lệnh điều khiển cơng suất. Các lệnh khơng đáng tin cậy phải được huỷ bỏ vì chúng đã bị hỏng do nhiễu. 2.3.7. Cải thiện chất lượng báo hiệu điều khiển cơng suất Chất lượng báo hiệu điều khiển cơng suất cĩ thể được cải thiện bằng cách thiết lập một cơng suất cao hơn cho các kênh điều khiển vật lý riêng (DPCCH) so với mức cơng suất của kênh dữ liệu vật lý riêng (DPDCH) trên đường xuống nếu như UE đang trong trạng thái chuyển giao mềm. Độ chênh lệch cơng suất giữa hai kênh này cĩ thể khác cho các cho các loại kênh DPCCH khác nhau như: các bit điều khiển cơng suất, các bit pilot và TFCI. Độ giảm cơng suất phát UE thơng thường cĩ thể đạt được tới 0,5dB với sự chênh lệch cơng suất này. Độ giảm này cĩ thể đạt được do chất lượng của báo hiệu điều khiển cơng suất được cải thiện. 2.4. SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT Mơ hình trình bày được thống nhất giữa UE, Node B và RNC : UE -------------------- Node B ---------------------- RNC Đầu tiên, là thủ tục Uplink Inner Loop Power Control, đây là thủ tục xảy ra chủ yếu giữa UE và node B (Node B yêu cầu UE cân chỉnh cơng suất). Tại mỗi Node B luơn cĩ thơng số chuẩn về tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (ta gọi là SIR_target), SIR_target được RNC gởi xuống cho Node B. Như đã biết, các UE gởi các thơng điệp DPCCH đến Node B, trong thơng điệp DPCCH mang thơng tin Pilot, thơng tin này cho biết mức tín hiệu trên nhiễu hiện tại được đánh giá tại UE (ta gọi là SIR_estimated). Khi Node B nhận được thơng điệp DPCCH, sẽ tiến hành so sánh giá trị giữa SIR_target và SIR_estimated. Nếu SIR_estimated lớn hơn, Node B sẽ gởi thơng điệp DPCCH với giá trị trường TPC=0 yêu cầu UE giảm cơng suất một lượng delta (Nghĩa là lần sau UE sẽ phát tín hiệu với cơng suất Pw=Pw-delta). Ngược lại nếu SIR_estimated nhỏ hơn, Node B sẽ gởi thơng điệp tăng cơng suất một lượng delta với trường TPC=1 trong DPCCH. Như vậy câu hỏi được đặc ra, trong trường hợp cơng suất UE quá nhỏ Node B khơng thể phát hiện được thì như thế nào (mất đồng bộ với Node B). Trong trường hợp này, UE sẽ tự động tăng cơng suất sau mỗi lần phát dị tín hiệu. Quá trình lặp lại cho đến khi UE lấy được đồng bộ từ Node B. Đây chính là thủ tục Uplink Open Loop Power Control được thực hiện giữa UE và Node B, trong đĩ UE nắm phần chủ động.   Vậy giả sử UE đã phát tối đa cơng suất, mà tín hiện Node B nhận được vẫn bị lỗi (trong trường hợp này Node B phát hiện CRC trong thơng tin nhận được), thì như thế nào ? Cuộc gọi bị rớt ? May mắn là UMTS cĩ hỗ trợ thủ tục khác để hạn chế nhưng bất lợi trong trường hợp này, được gọi là Uplink Outer Loop Power Control được thực hiện giữa Node B và RNC nhằm điều chỉnh lại mức SIR_target tại RNC (nếu được). Thơng thường người vận hành mạng sẽ khai báo thơng tin BER_target, từ đĩ RNC tính tĩan mức SIR_target gởi xuống cho Node B. Trong trường hợp Node B phát hiện CRC, nĩ sẽ gởi thơng tin cho RNC ; RNC so sánh hai mức BER, nếu BER_estimated > BER_target, RNC sẽ tiến hành tính tĩan lại SIR_target rồi gởi lại thơng tin mới cho Node B. Tới đây đã xem xét họat động điều khiển cơng suất hướng Uplink, vậy cịn hướng Downlink ? UE cĩ đĩng vai trị tích cực nào trong quá trình điều khiển cơng suất. Câu trả lời là cĩ, đĩ cũng chính là nội dung của thủ tục Dowlink Inner Loop Power Control giữa UE và Node B, trong đĩ Node B tự cân chỉnh cơng suất dựa vào tín hiệu DPCCH nhận được từ UE. Thơng qua quá trình thiết lập cuộc gọi, RNC gởi thơng tin BER_target cho UE thơng qua tín hiệu thiết lập RRC (Thủ tục này cịn được gọi là Downlink Outer Loop Control). Khi UE nhận được gĩi tin DPDCH từ Node B, nĩ sẽ thực hiện phép so sánh BER_estimated với BER_target để quyết định thơng điệp DPCCH tiếp theo gởi cho Node B cĩ trường TPC mang giá trị 0 hoặc 1. Khi node B nhận được thơng điệp DPCCH từ UE, tùy vào giá trị của trường TPC và nĩ quyết định tăng hay giảm cơng suất một khỏang delta. Tuy theo thiết bị và nhà sản xuất, giá trị delta cĩ thể là 0.5dB, 1dB, 1.5dB hoặc 2dB, cũng như người vận hành cĩ được can thiệp vào các thơng số trong các quá trình này hay khơng! Như vậy xem xét qua đặc tính điều khiển cơng suất trong UMTS. Điều khiển cơng suất vịng ngồi 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 cơng suất vịng trong. Hình (2.9) cho thấy hoạt động của điều khiển cơng suất đường lên ở một kênh fading ở tốc độ chuyển động thấp của MS. Các lệnh điều khiển cơng suất sẽ điều khiển cơng suất của MS tỷ lệ nghịch với cơng suất thu được (hay SIR) tại BS. Nhờ đảm bảo dự trữ để chỉnh cơng suất theo từng nấc, nên chỉ cịn một lượng fading nhỏ và kênh trở thành kênh hầu như khơng fading (nhìn từ phía BS). Hình 2.9 Điều khiển cơng suất vịng kín bù trừ phading nhanh Tuy nhiên việc loại bỏ phading phải trả giá bằng tăng cơng suất phát. Vì thế khi MS bị phading sâu, cơng suất phát sử dụng lớn và nhiễu gây ra cho các ơ khác cũng tăng. Điều khiển cơng suất vịng ngồi thực hiện điều chỉnh giá trị SIR đích ở BS (MS) cho phù hợp với từng yêu cầu của từng đường truyền vơ tuyến để đạt được chất lượng các đường truyền vơ tuyến như nhau. Chất lượng của các đường truyền vơ tuyến thường được đánh giá bằng tỷ số bit lỗi BER hay tỷ số khung lỗi FER (Frame Error Rate). Lý do cần đặt lại SIRđích như sau : SIR yêu cầu (tỷ lệ với Eb/No) chẳng hạn là FER=1% phụ thuộc vào tốc độ của MS và đặc điểm truyền nhiều đường. Nếu ta đặt SIR đích cho trường hợp xấu nhất (cho tốc độ cao nhất) thì sẽ lãng phí dung lượng cho các kết nối ở tốc độ thấp. Như vậy, tốt nhất là để SIR đích thả nổi xung quanh giá trị tối thiểu đáp ứng được yêu cầu chất lượng. Hình (2.10) cho thấy sự thay đổi SIR đích theo thời gian. MS khơng chuyển động SIR đích Thời gian Hình 2.10 Điều khiển cơng suất vịng ngồi 2.5 ĐKCS VỊNG HỞ (Open-loop power control) Điều khiển cơng suất vịng hở được sử dụng trong UMTS FDD cho việc thiết lập năng lượng ban đầu của UE ( trong khi truy nhập ) và kênh đường xuống. Trạm di động sẽ tính tốn suy hao đường truyền giữa các trạm gốc và trạm di động bằng cách đo cường độ tín hiệu nhận sử dụng mạch điều khiển độ tăng ích tự động (AGC). Tuỳ theo sự tính tốn suy hao đường truyền này, trạm di động cĩ thể quyết định cơng suất phát đường lên của nĩ. Điều khiển cơng suất vịng mở cĩ ảnh hưởng trong hệ thống TDD bởi vì đường lên và đường xuống là tương hỗ, nhưng khơng ảnh hưởng nhiều trong các hệ thống FDD bởi vì các kênh đường lên và đường xuống hoạt động trên các băng tần khác nhau và hiện tượng Phadinh Rayleigh trên đường lên và đường xuống độc lập nhau. Vậy điều khiển cơng suất vịng mở chỉ cĩ thể bù một cách đại khái suy hao do khoảng cách. Đĩ là lý do tại sao điều khiển cơng suất vịng mở chỉ được sử dụng như là việc thiết lập năng lượng ban đầu trong hệ thống FDD. Điều khiển cơng suất vịng hở biến đổi từ ±9dB trong điều kiện bình thường và ±12dB trong điều kiện cực đại. 2.5.1. Kỹ thuật điều khiển cơng suất vịng hở đường lên Chức năng PC (Power Control) được thực hiện cả ở đầu cuối và UTRAN. Chức năng này địi hỏi một số thơng số điều khiển được phát quảng bá trong ơ và cơng suât mã tín hiệu thu được RSCP(Received Signal Code Power) được đo tại UE trên P-CPICH tích cực. Dựa trên tính tốn vịng hở, UE thiết lập các cơng suất khởi đầu trên tiền tố PRACH và cho DPCCH đường lên trước khi khởi đầu PC vịng trong. Trong thủ tục truy cập ngẫu nhiên, cơng suất của AP đầu tiên được thiết lập bởi UE như sau : Preamble_Initial_Power = CPICH_Tx_power – CPICH_RSCP (2.1) + UL_interference +UL_required_CI Trong đĩ cơng suất P_CPICH (CPICH_Tx_Power) và C/I yêu cầu đường lên (UL_required_CI) (trong 3GPP được định nghĩa là giá trị khơng đổi khi thiết lập quy hoạch vơ tuyến) và nhiễu đường lên (UL_interference) (trong 3GPP là tổng cơng suất băng rộng tại máy thu) được đo tại Node B và được truyền quảng bá trên BCH. UE cũng sẽ tiến hành thủ tục khi lập mức cơng suất ban đầu cho CD-AP. Khi tính tốn DPCCH đầu tiên, UE khởi đầu PC vịng trong tại cơng suất như sau : DPCCH_Initial_power = DPCCH_Power_offset – CPICH_RSCP (2.2) Trong đĩ cơng suất mã tín hiệu thu của P_CPICH (CPICH_RSCP) được đo tại UE và dịch cơng suất DPCCH (DPCCH_Power_offset) được tính tốn bởi điều khiển cho phép AC trong RNC và được cung cấp cho UE khi kết nối RRC hay trong quá trình vật mang vơ tuyến hay khi lập lại cấu hình kênh vật lý như sau : DPCCH_Power_offset = CPICH_Tx_power + UL_interference + SIRDPCCH +10lg(SFDPDCH) (2.3) Trong đĩ SIRDPCCH là SIR đích khởi đầu do AC tạo ra đối kết nối cụ thể này là SIRDPCCH là hệ số trải phổ đối với DPDCH tương ứng. 2.5.2. Kỹ thuật điều khiển cơng suất vịng hở đường xuống Trên đường xuống, PC vịng hở để thiết lập cơng suất khởi đầu các kênh đường xuống trên cơ sở báo cáo đo đạt từ UE. Chức năng này được thực hiện cả ở UE và UTRAN. Giải thuật để tính tốn giá trị cơng suất khởi đầu DPCCH khi dịch vụ mang đầu tiên được thiết lập như sau : PTxIntinial (2.4) Trong đĩ Rb là tốc độ bit của người sử dụng, (Eb/No)DL là giá trị được quy hoạch của đường xuống trong quá trình quy hoạch mạng vơ tuyến đối với vật mang cụ thể này, W là tốc độ chip, (Eb/No)CPICH được báo cáo từ UE, PtxTotal là cơng suất sĩng mang tại Node B được báo cáo cho RNC. Giải thuật tính tốn cơng suất đoạn nối vơ tuyến khởi đầu cĩ thể được đơn giản hĩa khi chuyển giao được thiết lập hay đoạn nối vơ tuyến thay đổi. Khi bổ sung nhánh, cần chỉ định cỡ lại cơng suất mã phát của đoạn nối hiện cĩ bằng hiệu số giữa cơng suất P_CPICH của ơ hiện thời với cơng suất P_CPICH của ơ thuộc nhánh bổ sung. Đối với kênh mang thay đổi định cỡ được thực hiện bằng tốc độ bit của người sử dụng mới và Eb/No đường xuống mới. 2.6. ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT NHANH VỊNG KÍN Giải trải phổ Thu RAKE Đo chất lượng cơng suất giải Đo SIR So sánh và quyết định Tạo bít điều khiển cơng suất SIR đích So sánh và quyết định Chất lượng đích Ghép bit điều khiển cơng suất vào luồng phát Vịng Ngồi Vịng trong Tín hiệu băng gốc thu Hình 2.11 Nguyên lý điều khiển cơng suất vịng kín Điều khiển cơng suất vịng khép kín, được gọi là điều khiển cơng suất nhanh trong các hệ thống WCDMA, cĩ nhiệm vụ điều khiển cơng suất phát của MS (đường lên), hay là cơng suất của trạm gốc (đường xuống) để chống lại phading của các kênh vơ tuyến và đạt được chỉ tiêu tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR được thiết lập bởi vịng bên ngồi. Chẳng hạn như trên đường lên, trạm gốc so sánh SIR nhận được từ MS với SIR mục tiêu trong mỗi khe thời gian (0,666ms). Nếu SIR nhận được lớn hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC “0” đến MS thơng qua kênh điều khiển riêng đường xuống. Nếu SIR nhận được thấp hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC “1” đến MS. Bởi vì tần số của điều khiển cơng suất vịng kín rất nhanh nên cĩ thể bù được phadinh nhanh và cả phading chậm. 2.6.1. Các kỹ thuật điều khiển cơng suất vịng trong Điều khiển cơng suất vịng trong (điều khiển cơng suất nhanh) dựa trên thơng tin hồi tiếp lớp 1 từ đầu kia của đường truyền vơ tuyến. Thơng tin này cho phép UE/Node B điều chỉnh cơng suất phát của mình dựa trên mức SIR thu được để bù trừ fading của kênh vơ tuyến. Chức năng điều khiển cơng suất vịng hở trong ở UMTS được sử dụng cho các kênh riêng cả đường lên và đường xuống và đối với CPCH chỉ ở đường lên. Trong WCDMA, PC nhanh được thực hiện ở tần số 1,5 kHz UE SRNC (a) (b) (c) (f) (d) (e) Iub Uu DL PC vịng ngồi +∆SIR= f(FLERorBLER) +Quản lý SIR đích SIR được tính so với SIR đích Lệnh DL TPC SIR được tính so với SIR đích Lệnh UL PC Node B UL PC vịng ngồi +∆SIR= f(FLERor BLER) + Quản lý SIR đích MDC vào phân chia (a): RRC: DL BER đích, các hệ số khuếch đại UL, các giá trị UL RM DPC_mode (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 vịng trong) (e): Chỉ PC trên DPCCH (DPCCH được định cỡ theo hệ số khuếch đại) (f): DCH-FP (10-100 Hz) Ÿ UL CRC Ÿ UL SIR đích thực tế MDC :Macro Diversity Combiner :bộ kết hợp phân tập vĩ mơ Hình 2.12 Các thủ tục điều khiển cơng suất vịng trong và vịng ngồi 2.6.1.1. Điều khiển cơng suất vịng trong đường lên Điều khiển cơng suất vịng trong đường lên được sử dụng để thiết lập cơng suất DPCH và CPCH đường lên. Node B nhận được SIR đích từ UL PC vịng ngồi ở RNC và so sánh nĩ với SIR ước tính trên ký hiệu hoa tiêu của DPCCH đường lên trong từng khe. Nếu SIR thu được lớn hơn SIR đích, Node B phát lệnh “hạ thấp” đến UE, ngược lại Node B phát lệnh“tăng thêm”đến UE trên DPCCH đường xuống. Kích thước bước PC theo tiêu chuẩn phụ thuộc vào tốc độ UE. Đối với đích chất lượng cho trước, kích thước bước UL PC tốt nhất là kích thước cho SIR đích nhỏ nhất. Với tốc độ điều khiển cơng suất 1500 Hz, kích thước bước PC 1dB cĩ thể theo kịp kênh phading Raleigh với tần số lên đến 55 Hz (30 Km/h). Tại tốc độ cao hơn (tới 80 Km/h) kích thước bước PC 2dB sẽ tốt hơn. Tại tốc độ cao hơn 80 Km/h, điều khiển cơng suất vịng trong khơng theo kịp phading và vì thế tạp âm vào đường dẫn đường lên. Cĩ thể giảm ảnh hưởng xấu này bằng cách sử dụng bước PC nhỏ hơn 1 dB. Ngồi ra đối với tốc độ UE thấp hơn 3 Km/h, khi tần suất phading kênh rất nhỏ, sử dụng bước PC nhỏ cĩ lợi hơn. Hai giải thuật (giải thuật 1 và 2) được đặc tả cho UE để diễn giải các lệnh TPC từ Node B. + Giải thuật 1 sử dụng khi tốc độ UE đủ thấp để bù trừ phading kênh. Bước PC được thiết lập trong quá trình quy hoạch mạng vơ tuyến là 1 đến 2dB. + Giải thuật 2 được thiết kế để mơ phỏng ảnh hưởng khi sử dụng bước nhỏ hơn 1 dB và cĩ thể sử dụng để bù trừ xu thế phading chậm của kênh truyền sĩng. Nĩ hoạt động tốt hơn giải thuật 1 khi UE chuyển động nhanh hơn 80 Km/h và chậm hơn 3 Km/h. Trong giải thuật bước PC cố định bằng 1 dB. UE khơng thay đổi cơng suất phát cho đến khi nhận được lệnh TCP tiếp theo. Tại cuối khe thứ 5, dựa trên quyết định cứng, UE điều chỉnh cơng suất theo quy tắc như sau : + Nếu tất cả 5 lệnh TPC là “giảm”, cơng suất giảm 1 dB. + Nếu tất cả 5 lệnh TPC là “tăng”, cơng suất phát tăng 1 dB. + Trái lại cơng suất phát khơng đổi. Trước khi khởi đầu UL DPDCH, UE cĩ thể được mạng hướng dẫn sử dụng tiền tố UL DPDCH, PC khi nhận được DPDCH đường xuống. Độ dài của tiền tố DPDCH PC là một thơng số được thiết lập khi quy hoạch mạng vơ tuyến trong dải từ 0 đến 7 khung. Trong tiền tố UL DPDCH PC, các lệnh TPC do Node B phát luơn tuân theo giải thuật 1 để đảm bảo đạt cơng suất phát đường lên nhanh hơn trước khi bắt đầu điều khiển cơng suất thơng thường. SRNC Node B1 Node B2 Nhánh chính Nhánh bổ sung MDC và phân chia UL PC vịng ngồi +∆ SIR=f(BLER orBER) +Quản lý SIR đích TPC1 TPC2 UE Iub Iub 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 TPC RAKE MDC (các ký hiệu số liệu và hoa tiêu ) SIR1 so với SIR đích-> các lệnh UL TPC2 MDC : Macro Diversity Combiner = bộ kết hợp phân tập vĩ mơ. Uu Uu Trong UMTS, các sơ đồ phân tập chỉ áp dụng cho các kênh riêng. Sau khi đạt được đồng bộ lớp 1, một hay nhiều ơ tham gia vào chuyển giao phân tập sẽ bắt đầu PC vịng trong đường lên. Mỗi ơ trong số các ơ nối đến UE sẽ đo SIR đường lên và so sánh SIR ước tính với SIR đích để tạo ra lệnh TPC gởi đến UE. Nếu tất cả các ơ đều yêu cầu tăng cơng suất thì UE mới tăng cơng suất. Hình 2.13 UL PC vịng trong khi chuyển giao mềm Khi UE ở chuyển giao HO (Hand Over) mềm, Node B phục vụ sẽ thơng báo cho UE để nĩ kết hợp các lệnh TPC đến từ cùng một tập đoạn nối vơ tuyến vào một lệnh TPC theo giải thuật 2 hoặc 1. Các thủ tục kết hợp các lệnh TPC từ các đoạn nối vơ tuyến trong HO mềm được minh họa ở hình (2.13). Nếu các lệnh TPC đến từ các ơ khác nhau và giải thuật 1 được sử dụng, thì UE rút ra một lệnh TPC kết hợp trên cơ sở quyết định mềm và thay đổi cơng suất phát của mình theo bước PC quy định trước. Nếu giải thuật 2 được sử dụng, thì UE thực hiện quyết định cứng theo giá trị của từng lệnh TPC từ các đoạn vơ tuyến khác nhau cho năm khe liên tiếp sau đồng chỉnh. Sau đĩ UE rút ra lệnh TPC cho khe thứ năm theo nguyên tắc sau: + Nếu giá trị trung bình của các ước tính lệnh TPC tức thời lớn hơn 0,5, tăng cơng suất 1 dB. + Nếu giá trị trung bình của các ước tính lệnh TPC tức thời nhỏ hơn 0,5, giảm cơng suất 1 dB. + Trái lại khơng thay đổi cơng suất Trong tính tốn đường lên, lệnh “tăng” được thể hiện bằng giá trị “+1” cịn lệnh “giảm” bằng giá trị “-1”. Trong quá trình kết hợp, sau khi áp dụng điều chỉnh cơng suất DPCH, tiêu chuẩn yêu cầu UE phải cĩ khả năng giảm cơng suất phát của mình ít nhất đến -50 dBm. Giả sử cơng suất phát cực đại của UE là 21 dBm (250 mW), ta được dải động điều khiển cơng suất vào khoảng 70 dB. 2.6.1.2. Điều khiển cơng suất vịng trong đường xuống UE nhận BLER đích do RNC thiết lập cho DL PC vịng ngồi cùng với các thơng số điều khiển khác. UE so sánh SIR ước tính với SIR đích. Nếu ước tính lớn hơn đích, UE phát lệnh TPC “giảm” đến Node B, ngược lại nĩ phát lệnh TPC “tăng” đến Node B. Số liệu 1 TPC TFC1 Số liệu 2 Hoa tiêu DPDCH DPCCH DPDCH DPCCH Thời gian DL DPCH Cơng suất phát đường xuống TS = 256 chip PO2 PO1 PO3 Hình 2.14 Dịch cơng suất (PO) để cải thiện chất lượng báo hiệu đường xuống Nếu DPC_MODE = 0 UE phát một lệnh TPC cho mỗi khe, trái lại nĩ phát một lệnh TPC cho ba khe. Các lệnh TPC được phát trên UL DPCCH để điều khiển cơng suất của DL DPDCH và các DPDCH tương ứng với nĩ bằng cùng một lượng cơng suất. Dịch cơng suất của các ký hiệu TFCI (PO1), TPC (PO2) và hoa tiêu (PO3) của kênh DL DPCCH so với kênh DL DPDCH được cho ở hình (2.14). 3 dB 28 dB Dải động DLPC Dải động cơng suất DL 18 dB Cơng suất phát Node B cực đại Cơng suất kênh mã cực đại Khơng kênh lưu lượng nào tích cực Cơng suất kênh thu mã tối thiểu Kích thước bước DL PC là một thơng số của quá trình quy hoạch mạng vơ tuyến các bước cĩ thể là 0,5; 1; 1,5 hoặc 2 dB. Bước bắt buộc tối thiểu là 1dB cịn các bước khác là tuỳ chọn. Nếu UE ở chuyển giao mềm SHO (Soft Hand Over), tất cả các ơ nối đến UE phải cĩ bước PC như nhau để tránh trơi cơng suất. Trong trường hợp nghẽn, RNC cĩ thể lệnh cho Node B khơng thực hiện lệnh TPC “tăng” của UE. Hình 2.15 Dải động điều khiển cơng suất đường xuống DL PC vịng trong trong quá trình HO mềm hơn hoạt động giống như trong trường hợp đoạn nối vơ tuyến. Chỉ cĩ một DPCCH được phát ở đường lên, báo hiệu và phần số liệu nhận được từ các anten khác nhau được kết hợp cho ký hiệu trong Node B. Trên đường xuống Node B điều khiển đồng thời cơng suất của tập đoạn nối vơ tuyến và chia luồng nhận được từ DCH-FP cho tất cả các ơ tham gia vào HO mềm hơn. Trong SHO, DL PC vịng trong gặp hai vấn đề khác với trường hợp một đoạn nối vơ tuyến trơi cơng suất và phát hiện tin cậy các lệnh TPC. Hoạt động DL PC vịng trong trong khi SHO được minh hoạ trên hình (2.18). Uu Uu Node B1 Node B2 MDC và phân chia UL PC vịng ngồi +∆ SIR=f (BLER or BER) + Quản lý SIR đích Nhánh bổ sung Nhánh chính Iub Iub DL TPC UE +DPC_MODE=0: quyết định TPC trên từng khe +DPC_MODE=1: quyết định TPC trên 3 khe +Cơng suất = cơng suất +/- TPC dB +DPC_MODE=0: quyết định TPC trên từng khe +DPC_MODE=1: quyết định TPC trên 3 khe +Cơng suất = cơng suất+/- TPC dB + RAKE MDC (MRC các ký hiệu hoa tiêu và số liệu) + So sánh SIR ước tính với SIR đích hay TPC= 0 hay 1 + DPC_MODE = 1 một lệnh TPC đựoc lập trên 3 khe SRNC Hình 2.16 DL PC vịng trong khi DHO (SHO) 2.6.2. Điều khiển cơng suất vịng ngồi Điều khiển cơng suất vịng bên ngồi cần thiết để giữ chất lượng truyền thơng tại các mức yêu cầu bằng cách thiết lập mục tiêu cho điều khiển cơng suất vịng kín nhanh. Mục đích của nĩ là cung cấp chất lượng yêu cầu. Tần số của điều khiển cơng suất vịng bên ngồi thường là 10-100Hz. Điều khiển cơng suất vịng bên ngồi so sánh chất lượng nhận được với chất lượng yêu cầu. Thơng thường, chất lượng được định nghĩa là tỷ lỗi bit mục tiêu xác định (BER) hay Tỷ số lỗi khung (FER). Mối quan hệ giữa SIR mục tiêu và mục tiêu chất lượng tuỳ thuộc vào tốc độ di động và hiện trạng đa đường. Nếu chất lượng nhận tốt hơn, cĩ nghĩa là mục tiêu SIR đủ cao để đảm bảo QoS yêu cầu. Để giảm thiểu khoảng trống, mục tiêu SIR sẽ phải giảm. Tuy nhiên, nếu chất lượng nhận xấu hơn chất lượng yêu cầu, mục tiêu SIR phải tăng lên để đảm bảo QoS yêu cầu. 2.6.2.1. Điều khiển cơng suất vịng ngồi đường lên UL PC vịng ngồi thực hiện ở SRNC để lập SIR đích tại Node B cho từng UL PC vịng trong. SIR đích được cập nhật cho từng UE dựa trên ước tính chất lượng đường lên (BLER và BER) cho kết nối RRC. Giải thuật điều khiển sử dụng CRC của luồng số liệu làm số đo chất lượng. Nếu CRC đạt yêu cầu, thì SIR đích được giảm đi một lượng nhất định, trái lại nĩ tăng lên. Giá trị thơng thường của bước điều chỉnh SIR là từ 0,1 đến 1 dB. Bộ điều khiển UL PC vịng ngồi Tính tốn SIR đích mới Thơng tin chất lượng (BLER/ BER) SIR đích mới PC vịng trong Node B LCCC AC Các thơng số PC khi thiết lập RAB lặp lại cấu hình đoạn nối vơ tuyến ULPC vịng ngồi thực thể # 1 Tính toán thay đổi SIR đích Phát SIR đích mới đến Node B MDC (1) (2) Iub SIR đích khởi đầu LC: Load Control = Điều khiển tải AC: Amission Control = Điều khiển cho phép : Lệnh thay đổi SIR đích : SIR đích mới Kiến trúc chức năng UL PC vịng ngồi áp dụng cho trường hợp dịch vụ nhiều kênh mang được cho trên hình (2.17). Hình 2.17 Kiến trúc logic chức năng UL PC vịng ngồi Chỉ cĩ một bộ điều khiển PC vịng ngồi cho từng kết nối RRC và một thực thể UL PC vịng ngồi cho từng DCH trong cùng một kết nối. Các thực thể UL PC vịng ngồi tính tốn thay đổi cần thiết cho SIR đích dựa trên ước tính chất lượng. Trong cùng một kết nối RRC, một trong các thực thể UL đường lên (đường báo hiệu DCCH) được chọn để phát SIR đích mới đến Node B. SIR đích nhận được tính tốn bởi bộ điều khiển UL PC vịng ngồi dựa trên các thay đổi trong các SIR đích nhận được từ các thực thể PC và các thơng số cấu hình khác (như : SIR đích khởi đầu/ cực đại/ cực tiểu) do AC cung cấp tại thời điểm thiết lập RAB và lập lại cấu hình đoạn nối vơ tuyến. DCH-FP được sử dụng cho thơng tin tương tác giữa RNC và các Node B. Mỗi thực thể UL PC đường lên nhận thơng tin chất lượng đường lên từ MDC, tại đây số liệu đến từ các nhánh SHO khác nhau được kết hợp (thủ tục chọn và kết hợp). Phụ thuộc vào kiểu kênh mang vơ tuyến, thực thể PC nhận hoặc ước tính BLER được tính ở MDC theo các bit CRC của các khung được chọn và/hoặc ước tính BER được tính tại Node B. Nếu CRC khơng ổn, MDC cĩ thể chọn ước tính tốt nhất trong số các ước tính BER. Tại TTI, một hay nhiều thực thể PC cĩ thể đĩng gĩp vào tính tốn SIR đích mới, chẳng hạn khi hiệu số giữa ước tính BLER/BER và BLER/BER đích nhân với một bước lớn hơn 0,1 dB. 2.6.2.2. Điều khiển cơng suất vịng ngồi đường xuống DL PC vịng ngồi được thực hiện tại UE, giá trị SIR đích cho DL PC vịng trong được điều chỉnh bởi UE bằng cách sử dụng một thuật tốn riêng đảm bảo chất lượng đo (BLER) giống như chất lượng đích do RNC thiết lập. Nếu CPCH được sử dụng, đích chất lượng do RNC thơng báo là DCCH BER, trái lại BLER đích được cung cấp cho UE. Ngồi ra khi sử dụng BLER kênh truyền tải làm BLER đích trong thơng tin, DL PC vịng ngồi đảm bảo rằng yêu cầu chất lượng được duy trì cho từng TrCH với BLER đích được gán. Mặt khác, nếu BER của DL DCCH được phát ở dạng chất lượng đích, vịng 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 quyết định giá trị của BLER đích cho từng DCH được đặt trên CCTrCH. BER đích đường xuống cho từng kênh truyền tải sau đĩ được UE nhận trên các bản tin RRC. 2.7. SỰ KHÁC NHAU GIỮA ĐKCS TRONG GSM, CDMA & UMTS Với cơng nghệ GSM chỉ cĩ MS mới phải thay đổi cơng suất do lúc ở gần lúc ở xa trạm BS. Việc điều khiển cơng suất này một phần là để tiết kiệm năng lượng một phần là để cân bằng cơng suất ở phía thu. Bs khơng cĩ điều khiển cơng suất hay nĩi đúng hơn là chỉ điều chỉnh một lần khi cài đặt hệ thống việc này được giải thích là do một BS sẽ quản lý một địa bàn cố định ,do vậy phải cĩ cơng suất phát cố định Điều khiển cơng suất thực hiện một cách độc lập giữa hướng lên và hướng xuống giữa các MS do BSS điều khiển, phạm vi điều khiển nĩi chung là 30dB với từng nấc biến đổi là 2dB. Căn cứ vào số liệu đo của BTS về mức cơng suất cực đại tín hiệu thu được từ MS và chất lượng của tín hiệu đĩ, BSS tính ra cơng suất truyền dẫn cần thiết của MS và phát lệnh đến MS. Đồng thời BSS cũng tính ra cơng suất truyền dẫn cần thiết của BTS cho mỗi cuộc nối. Bắt đầu cho mỗi cuộc liên lạc ,BSC quy dịnh mức cơng suất phát bản tin đầu tiên của MS là như nhau đối với mọi MS .Và sau đĩ điều chỉnh cơng suất với tốc độ 2 dB cho mỗi bước 60ms. Trong GSM, cơng suất phát thường được điều chỉnh trước ở một mức độ nào đĩ chứ khơng điều chỉnh như ở CDMA. GSM chỉ cĩ 2 loại ĐKCS vịng hở và vịng kín ●Chu kỳ điều khiển cơng suất : 16Hz ●Bước điều khiển cơng suất : 2dB Điều khiển cơng suất trong CDMA : ở trong hệ thống FDMA và TDMA điều khiển cơng suất khơng ảnh hưởng đến dung lượng nhưng trong hệ thống CDMA thì điều khiển cơng suất là bắt buộc và phải nhanh nếu khơng dung lượng hệ thống sẽ giảm.Dung lượng của hệ thống CDMA đạt giá trị cực đại nếu cơng suất phát của các máy di động được điều khiển sao cho cơng suất thu được ở trạm gốc là như nhau đối vớ tất cả người sủ dụng. Điều khiển cơng suất được sử dụng cho đường lên để tránh hiện tượng gần xa và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu hệ thống. Đối với đường xuống khơng cần điều khiển cơng suất ở hệ thống đơn vì nhiễu gây ra bởi người sử dụng khác luơn ở mức khơng đổi đối với tín hiệu hữu ích.Tất cả các tín hiệu phát từ trạm gốc tới máy di động đều được phát chung cùng lúc vì thế khơng xảy ra sự khác biệt tổn hao truyền sĩng như ở đường lên. Ngồi việc giảm hiện tượng gần xa điều khiển cơng suất cịn được sử dụng để tránh hiện tượng che tối và duy trì cơng suất phảt trên một người sử dụng để đảm bảo tỉ số lỗi bít ở mức cho trước tối thiểu chấp nhận được. Trong hệ thống CDMA sử dụng hai phương pháp điều khiển cơng suất đĩ là điều khiển cơng suất vịng hở (OPC) và điều khiển cơng suất vịng kín (CPC) kết hợp nhau. Cịn trong hệ thống WCDMA phương pháp điều khiển cơng suất vịng hở chỉ được dung để thiết lập cơng suất gần đúng khi truy cập mạng lần đầu tiên Ngồi tiết kiệm cơng suất phát của BTS và MS,khác với GSM, điều khiển cơng suất trong CDMA cịn phải điều khiển cơng suất phát của các MS sao cho các tín hiệu uplink đến BTS cĩ mức cơng suất bằng nhau để giảm ảnh hưởng lẫn nhau giữa các kênh Uplink (hiệu ứng gần xa). Trong CDMA BTS liên tục giảm dần cơng suất phát và khi FER bắt đầu tăng (tín hiệu hồi tiếp từ MS)thì BTS sẽ tăng cơng suất phát. ● Chu kỳ điều khiển cơng suất : 800Hz ●Bước điều khiển cơng suất : 1dB WCDMA ● Chu kỳ điều khiển cơng suất :khe thời gian = 1500 Hz ● Bước điều khiển cơng suất : 0,5 1 1,5 và 2 dB 2.8. GIẢI PHÁP SMART ANTENA VỚI ĐKCS 2.8.1. Giới thiệu Cơng nghệ Anten thơng minh (Smart Antenna) đang làm thay đổi tính kinh tế của mạng di động 3G. Chúng mang lại khả năng tăng dung lượng đường truyền cũng như giảm đáng kể số lượng các trạm phát sĩng vơ tuyến. Khi được triển khai một cách tối ưu Anten thơng minh cĩ thể tăng gấp đơi dung lượng mạng và giảm số lượng các trạm phát sĩng vơ tuyến xuống nhỏ hơn một nửa.Giải quyết tốt vấn đề cơng suất. Nhưng hiện tại giá thành của Anten thơng minh vẫn cịn đắt hơn Anten thơng thường rất nhiều - nhưng chi phí này rất nhỏ bé so với những lợi ích khi triển khai Anten thơng minh. 2.8.2. Hoạt động của anten thơng minh 2.8.2.1. Cơng nghệ cũ Cĩ hai nhân tố cần xem xét đối với đường truyền vơ tuyến là: ◊ Cơng suất thu. ◊ Mức tín hiệu đối với nhiễu và tạp âm (SNIR-Signal to Noise and Interference Ratio). Những Anten ở trạm phát sĩng thơng thường là loại Omni hoặc Sector. Những Anten Omni bức xạ cơng suất bằng nhau ra tất cả các hướng (3600), cịn thơng thường Anten Sector chia thành ba gĩc 1200 - mỗi một Anten bức xạ tồn bộ cơng suất theo hướng của mình. Cả hai loại Anten này đều lãng phí cơng suất tín hiệu bởi vì nĩ bức xạ rộng theo các hướng trong khi chỉ cần bức xạ về phía một thuê bao nào đĩ. Những cơng nghệ sử dụng trong điện thoại di động thường điều khiển cơng xuất phát để đảm bảo phía thu nhận được tín hiệu rõ ràng. Nếu như thuê bao ở xa trạm phát thì cơng suất được nâng lên để duy trì kết nối. Nhưng đơi khi cơng suất khơng đủ và cuộc gọi bị rơi. Cịn nếu ở khoảng cách gần, cơng suất phát được giảm. Chất lượng của cuộc gọi phụ thuộc rất lớn vào cơng suất phát. 2.8.2.2. Cơng nghệ anten thơng minh 2.8.2.2.1. Anten thơng minh Anten thơng minh là một hệ thống gồm một ma trận các an ten phối hợp với nhau bằng cơng nghệ số nhằm tối ưu hố việc phát và thu tín hiệu. Các an ten này cĩ khả năng tự động điều chỉnh hướng đặc tuyến phủ sĩng của mình sao cho phù hợp nhất với mơi trường tín hiệu. An ten thơng minh khơng những làm tăng chất lượng tín hiệu mà cịn làm tăng dung lượng hệ thống thơng qua việc tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số.Một Anten thơng minh bao gồm nhiều Anten thành phần. Cũng giống như cách phân tích của bộ não về sự khác nhau giữa âm thanh thu được ở hai tai, những tín hiệu phát ra từ những máy di động đến Anten thành phần được phân tích giúp xác định hướng của nguồn tín hiệu. Trên thực tế thì các Anten thành phần được phân bố tĩnh. Việc xác định được hướng của nguồn tín hiệu là kết quả của việc tính tốn tín hiệu nhận được từ những Anten thành phần, và khơng cĩ phần nào của Anten phải quay đổi hướng cả. Cơng việc tính tốn này địi hỏi thực hiện theo thời gian thực (realtime) để Anten thơng minh cĩ thể bám theo nguồn tín hiệu khi nĩ chuyển động. Sử dụng các phép tính đơn giản giúp cho những gĩi tin cĩ thể truyền đến nguồn tín hiệu trong một búp sĩng hẹp theo đúng hướng của nguồn tín hiệu phát ra. Sử dụng Anten thơng minh để phát tín hiệu rất giống như việc chiếu đèn vào các diễn viên trên sân khấu. Nếu như đèn chiếu rộng thì rất ít ánh sáng chiếu đúng vào người diễn viên. Bằng một đèn chiếu tập trung, hầu như tồn bộ ánh sáng chiếu đúng phần cần thiết cịn những khu vực cịn lại thì tối, tăng hiệu dụng cơng suất phát sáng. Cơng việc tính tốn phức tạp và địi hỏi thời gian đáp ứng nhanh dẫn đến việc phải gia tăng đáng kể cơng việc xử lý ở tại trạm phát sĩng. 2.8.2.2.2. Hệ thống Smart Antena Hệ thống anten thích nghi thưc chất là một hệ thống gồm nhiều anten cấu thành mạng , các anten thành phần đĩ hồn tồn giống nhau . Cấu trúc mạng anten rất đa dạng tuỳ theo từng mục đích như :kiểu tuyến tính, vịng trịn, plana, khối…. Hình 2.18 Hệ thống anten tuyến tính Cho dù hình dạng và kiến trúc khác nhau nhưng tất cả các đều phải đảm bảo các đièu kiện sau: ◊Khơng cĩ sự tác động qua lại của các anten thành phần. ◊Khơng cĩ sự biến đổi biên độ giữa các anten. ◊Tín hiệu thu được phải độc lập cĩ thể rời rạc hố trên mặt phẳng. Tất cả các hệ thống anten thích nghi đều bao gồm 2 khối cơ bản : Khối xử lý cứng – Logic circuit và xử lý mềm – Adative Algỏithm là các chương trình xử lý tương thích tín hiệu. Hệ thống anten thích nghi sử dụng hai kỹ thuật xử lý tín hiệu. ● Switch beam (chuyển mạch búp sĩng) sử dụng anten trong đĩ các anten thành phần thu phát một cách độc lập , biểu đồ hướng anten sẽ thay đổi chuyển anten thành phần này sang anten thành phần khác để bám theo đối tượng khi thuê bao duy chuyển .Tuy nhiên dung lượng hệ thống bị giới hạn vì phụ thuộc vào số lượng anten thành phần trong mạng anten, biểu đồ hướng sĩng anten được xác định trước hoặc dưới dạng kết hợp ( các sector). Hệ thống này tương đối đơn giản, dễ lắp đặt trong các hệ thống thơng tin di động hiện nay. Tuy nhiên hệ thống này vẫn cịn một số nhược điểm cần khắc phục như : dung lượng hệ thống phụ thuộc vào số anten thành phần trong mạng anten, khơng tận dụng được tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu... Hình 2.19 Hệ thống chuyển mạch búp sĩng ● Adaptive Aray (mạng tương thích) :biểu đồ hướng sĩng khơng xác đinh,mang tính chất động và các biểu dồ hướng sĩng anten đĩ cĩ thể diều chỉnh theo thời gian thực hệ thống này tất nhiên là phức tạp hơn hệ thống anten trên tuy nhiên lại cĩ ưu điẻm hơn hệ thống anten trên tuy nhiên lại cĩ ưu điểm hơn vì nhờ tính chất hoạt động của hệ thống anten nên dung lượng của hệ thống