Điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 UMTS

hông qua việc tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số.Một Anten thông 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 toán tín hiệu nhận được từ những Anten thành phần, và không có phần nào của Anten phải quay đổi hướng cả. Công việc tính toán này đòi hỏi thực hiện theo thời gian thực (realtime) để Anten thông minh có thể bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động. Sử dụng các phép tính đơn giản giúp cho những gói tin có thể truyền đến nguồn tín hiệu trong một búp sóng hẹp theo đúng hướng của nguồn tín hiệu phát ra. Sử dụng Anten thông 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 toàn bộ ánh sáng chiếu đúng phần cần thiết còn những khu vực còn lại thì tối, tăng hiệu dụng công suất phát sáng. Công việc tính toán phức tạp và đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh dẫn đến việc phải gia tăng đáng kể công việc xử lý ở tại trạm phát sóng. 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 đó hoàn toàn giống nhau . Cấu trúc mạng anten rất đa dạng tuỳ theo từng mục đích như :kiểu tuyến tính, vòng tròn, 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: ◊Không có sự tác động qua lại của các anten thành phần. ◊Không có sự biến đổi biên độ giữa các anten. ◊Tín hiệu thu được phải độc lập có thể rời rạc hoá 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 sóng) sử dụng anten trong đó 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 sóng 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 thông tin di động hiện nay. Tuy nhiên hệ thống này vẫn còn một số nhược điểm cần khắc phục như : dung lượng hệ thống phụ thuộc vào số anten thành phần trong mạng anten, không tận dụng được tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu... Hình 2.19 Hệ thống chuyển mạch búp sóng ● Adaptive Aray (mạng tương thích) :biểu đồ hướng sóng không xác đinh,mang tính chất động và các biểu dồ hướng sóng anten đó có thể diều chỉnh theo thời gian thực hệ thống này tất nhiên là phức tạp hơn hệ thống anten trên tuy nhiên lại có ưu điẻm hơn hệ thống anten trên tuy nhiên lại có ưu điểm hơn vì nhờ tính chất hoạt động của hệ thống anten nên dung lượng của hệ thống có thể thay đổi một cách linh hoạt ,khắc phục những nhược điểm cơ bản của hệ thống trên như lợi dụng tính chất đa đường để tăng cường tín hiệu. Hình 2.20 Hệ thống anten tương thích 2.8.3. Cơ sở kỹ thuật xử lý tín hiệu trong hệ thống Smart Antena kết hợp điều khiển công suất Hệ thống anten thich nghi hay thông minh là vì trong bất cứ môi trường truyền sóng nào hệ thống anten cũng đều tự động điều chỉnh biểu đồ hướng anten của mình theo những hướng có thuê bao . Triệt tiêu những hướng không cần thiết và nhiễu. Về mặt cấu trúc như đã biết toàn bộ hệ anten là một mạng N kênh , mỗi kênh được xử lý với trọng số riêng các trọng số này được đièu khiển theo hiệu ứng tổng hợp ở đầu ra của hệ thống. Hình 2.21 Sơ đồ khối của anten thích nghi dưới dạng tổng quát Như trên đã trình bày hai kỹ thuật xử lý tín hiệu trong smart antenna .Do đó sẽ có những đặc trưng riêng thể hiện ưu điểm của mỗi loại kỹ thuật. Tuy nhiên cả hai phương pháp trên đều phải thông qua các công đoạn xử lý chung sau : ◊Xác nhận các đáp ứng của hệ thống anten: ma trận các véctơ trọng số sóng . Đây mới chỉ là phản ứng sơ bộ của hệ thống anten khi có các tín hiệu thuê bao tác động lên, thời điểm này chưa có sự điều khiển tương thích với sóng mong muốn . Đồng thời xác định đựoc vết không gian của các tín hiệu thông số định lượng khả năng đáp ứng của mạng anten và các thông số về góc của sóng tới, thời gian trễ, cường độ tín hiêu… Bước này rất quan trọng vì có vai trò rất quan trọng cho tới những bước xử lý chọn lọc và tương thích sau này. ◊Tiếp theo tín hiệu được đưa tới từng bộ lọc của từng nhánh, ở đó tín hiệu đựoc tối ưu hoá, các thông số được xác định một cách chính xác, như việc xác định thông số DOA (góc tới của sóng), việc xác định thông số này cần có sự tham gia của phần mềm xử lý tin hiệu như : MUSIC ( Thuật toán phân loại đa tín hiệu ,ESPRIT (thuật toán định lượng các thông số tín hiệu thông qua kỹ thuật bất biến luân phiên)…..Đây là một thông số rất quan trọng kết hợp với các thông số ở bước trước để sau này hệ thống thực hiện chọn lọc tín hiệu tương thích và loại bỏ những tín hiệu không mong muốn và điều khiển công suất thu sao cho hợp lý ◊Tương thích: là khâu yêu cầu sự tính toán rất phức tạp và chính xác. Trong hệ thống xử lý luôn có một ma trận các vector trọng số sóng nhận được . Trên cơ sở biết được yêu cầu cần kết nối ta xác định được các vectỏ trọng số sóng mong muốn thông qua thuật toán xử lý tương thích như : MMSE ( Minimum Mean Square Eror –thuật toán lỗi bình phương sai phân tối thiểu) hay thuật toán thích nghi mù. Khi đó tín hiệu không mong muón sẽ bị triêt tiêu trên cở sở kỹ thuật đa truy nhập theo tần số trực giao OFDM , quá trình điều khiển công suất hoạt động song song với quá trình xử lý tín hiệu nhận dạng thuê bao để tránh hiện tượng chèn ép kênh và hao phí công suất …. Hình 2.22 Phần mềm hệ thống smart antenna ◊Sau khi nhận được tín hiêu mong muốn thì ta phải định lượng được cường độ tín hiệu nghĩa là phải có giá trị cao hơn giá trị ngưỡng cho trước thì mới có thể đưa tới bộ giải điều chế. Tín hiệu có cường độ nhỏ hơn giá trị ngưỡng thì hệ thống sẽ phải lặp lại sự tương thích lại với sự thay đổi hệ số tương thích – thay đổi công suất thu. ◊Cuối cùng những tín hiêu mong muốn lớn hơn giá trị ngưỡng sẽ được đưa tơí bộ kết hợp tạo ra tín hiệu đầu ra có cường độ cực đại . Tại đây người ta sử dụng bộ thu RAKE – điều chỉnh thời gian trẽ tín hiệu , lợi dụng tính chất đa đường để nâng cao công suất tín hiệu và loại bỏ nhiễu trong tín hiệu mong muốn. 2.8.4. Ứng dụng của anten thông minh trong mạng 3G Bởi Anten thông minh giúp tăng công suất thu và giảm nhiễu nên điều này đặc biệt có ý nghĩa đối với các mạng di động 3G sử dụng công nghệ CDMA. CDMA (Code Division Multiple Access) chia phổ tần bằng cách xác định mỗi kênh vô tuyến trong một trạm thu phát và thuê bao bằng một mã số. Thuê bao chỉ được nhận ra bằng mã của mình. Tín hiệu thu và phát từ những máy di động khác (với những mã khác) đối với một máy điện thoại di động chính là nhiễu. Cho nên, càng nhiều điện thoại trong một vùng phủ sóng của trạm thu phát thì nhiễu càng nhiều. Điều đó là giảm số điện thoại di động mà tram thu phát có thể phục vụ được. Tất cả các tiêu chuẩn điện thoại 3G (UMTS, cdma2000 và TD-SCDMA...) đều sử dụng công nghệ CDMA. Đối với những hệ thống CDMA, Anten thông minh giúp giảm nhiễu trong một ô bởi vì nó tăng công suất phát để duy trì tất cả các kênh vô tuyến từ trạm phát tới mọi thuê bao. Điều này đặc biệt quan trọng khi nhu cầu tốc độ số liệu cao ngày càng tăng. Một kênh vô tuyến tốc độ cao cần mức công suất cao gấp 10 lần một kênh thoại trong mạng GSM. Tăng mức công suất để duy trì một kênh vô tuyến cũng có nghĩa là giảm khả năng phục vụ các thuê bao còn lại trong ô cũng như từ các ô liền kề. Anten thông minh giảm sự can nhiễu bằng 2 cách: - Búp sóng của Anten hướng chính xác đến thuê bao, do vậy công suất phát chỉ phát đúng đến hướng cần thiết. - Khả năng điều khiển tín hiệu định hướng, Anten thông minh tránh phát tín hiệu về phía nguồn can nhiễu. Anten thông minh giống như một bông hoa với những cánh hoa có độ dài khác nhau mỗi cánh hoa là một bút sóng phục vụ một thuê bao. Những búp sóng này sẽ bám theo đúng hướng của thuê bao khi di chuyển. Kết hợp những lợi ích của Anten thông minh, hệ thống CDMA giảm được chi phí tính toán công suất, tăng dung lượng phục vụ. 2.8.5. Những lợi ích chính khi triển khai anten thông minh Tăng số lượng thuê bao được phục vụ trong một trạm, tăng doanh thu, giảm khả năng khoá và rơi cuộc gọi đối với các thuê bao. Chất lượng tín hiệu truyền dẫn được cải thiện mà không cần tăng công suất phát mà lại giảm được can nhiễu. Giảm công suất thu phát ở cả hai hướng (Thuê bao - Trạm phát và ngược lại), giúp cho pin của điện thoại dùng được lâu hơn. 2.8.6. Tổng kết công nghệ Smart Antena Anten thông minh là một tập hợp các Anten thành phần được điều khiển để có thê bức xạ ra các búp sóng hẹp với mức công suất phù hợp với yêu cầu nên nó nâng cao được công suất thu, giảm nhiễu nội bộ giữa các kênh vô tuyến trong cùng một trạm phát. Với những đặc điểm và nguyên lý hoạt động của Anten thông minh, việc sử dụng Anten thông minh trong mạng 2G (GSM) không mang lại hiệu quả cao. Đối với mạng di động 3G (CDMA), khi thiết kế, xây dựng cần xem xét khả năng triển khai Anten thông minh ngay để giảm số trạm phát, tăng dung lượng thuê bao và chất lượng phục vụ, giành ưu thế cạnh tranh ngay từ đầu. 2.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG Như đã biết trong hệ thống phân chia theo mã, các users sử dụng chung băng tần để truyền tín hiệu, vì vậy việc gây ra nhiễu lẫn nhau là điều đáng quan tâm. Mặc dù, với kỹ thuật sử dụng các mã trực giao với nhau, sự giao thoa nhiễu giữa các tín hiệu được tránh khỏi. Tuy nhiên, vẫn còn sự ảnh hưởng của nhiễu môi trường tác động lên mức tín hiệu nhận được tại đầu thu làm suy giảm chất lượng tín hiệu và có thể không thể giải mã được. Thật không may, với hệ thống mã trực giao, các tín hiệu không giao thoa lẫn nhau, nhưng tín hiệu này lại trở thành nhiễu môi trường với tín hiệu khác. Nếu không có phương pháp điều khiển công suất thì tín hiệu ở gần thiết bị thu sẽ khiến cho tín hiệu cần nhận được phát ở xa bị lấn lướt hoàn toàn và không giải mã được. Một giải thuật tương tự được áp dụng trong UMTS, nhằm đảm bảo tất cả các tín hiệu tới được đầu thu có mức tín hiệu gần bằng nhau. Để làm được điều này, trong hệ thống UMTS, tỉ số tín hiệu trên nhiễu được quan tâm một cách đặt biệt. Đây cũng chính là thông số giúp hệ thống tự điều chỉnh công suất để đảm bảo tiêu chí đề ra. Ta sẽ thấy tỉ số này được sử dụng như thế nào trong các thủ tục điều khiển công suất Inner Loop, Open Loop, Outer Loop được UE, Node B và RNC thực hiện trong cả hai hướng Uplink và DownLink. Trong chương này còn đề cập đến một giải pháp điều khiển công suất là sử dung smart Anten là một tập hợp các Anten thành phần được điều khiển để có thể bức xạ ra các búp sóng hẹp với mức công suất phù hợp với yêu cầu nên nó nâng cao được công suất thu, giảm nhiễu nội bộ giữa các kênh vô tuyến trong cùng một trạm phát. Với những đặc điểm và nguyên lý hoạt động của Anten thông minh, việc sử dụng Anten thông minh trong mạng 2G (GSM) không mang lại hiệu quả cao. Đối với mạng di động 3G (CDMA), khi thiết kế, xây dựng cần xem xét khả năng triển khai Anten thông minh ngay để giảm số trạm phát, tăng dung lượng thuê bao và chất lượng phục vụ, giành ưu thế cạnh tranh ngay từ đầu. CHƯƠNG III CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 3.1. GIỚI THIỆU Chương này đề cập đến các thuật toán điều khiển công suất vòng ngoài, điều khiển công suất hướng lên DSSPC (Dynamic step-size Power Control) là phương pháp điều khiển công suất hướng lên thông minh dựa trên việc sử dụng dữ liệu gốc, vòng lặp kín và sự tương thích với những nhân tố quản lý tài nguyên vô tuyến. Trong khi DPC (Distributed Power Control) chỉ sử dụng thông tin SIR và sử dụng kỹ thuật lặp để điều khiển công suất truyền đến mức tối ưu và đáp ứng các yêu cầu về chất lượng của người sử dụng. Điều khiển công suất là một khâu quan trọng trong thông tin di động, nhưng vấn đề này được chú trọng trong hệ thống UMTS hơn vì hệ thống này sử dụng một tần số chung cho tất cả các thuê bao cũng như quá trình tách sóng không nhất quán tại trạm gốc và ảnh hưởng của hiệu ứng gần xa. 3.2. THUẬT TOÁN ĐKCS VÒNG NGOÀI Một trong các thuật toán điều khiển công suất vòng ngoài là dựa vào kết quả kiểm tra dữ liệu CRC và có thể được đặc trưng bởi các mã giả. Thuật toán này như sau: IF CRC check OK Step_down = BLER_target * Step_size; Eb/N0_target(n+1) = Eb/N0_target(n) –Step_down; ELSE Step_up =Step_size –BLER_target * Step_size; Eb/N0_target(n+1) = Eb/N0_target(n) + Step_up; END Trong đó: Eb/N0_target(n): Eb/N0 mục tiêu trong khung n. BLER_target là BLER mục tiêu cho cuộc gọi. Step_size là một thông số kích cỡ bậc, thường bằng 0.3-0.5dB. Nếu BLER của kết nối là một hàm giảm đều của Eb/N0 mục tiêu, thì thuật toán này sẽ cho kết quả là BLER bằng với BLER mục tiêu nếu cuộc gọi đủ dài. Thông số kích cỡ bậc xác định tốc độ hội tụ của thuật toán đến mục tiêu mong muốn và cũng xác định tổng phí gây ra bởi thuật toán. Theo nguyên tắc, kích cỡ bậc càng cao sự hội tụ càng nhanh và tổng phí càng cao. Hình 3-11 đưa ra một ví dụ mô tả hoạt động của thuật toán với BLER mục tiêu là 1% và kích cỡ bậc là 0.5dB. Hình 3.1 Eb/N0 mục tiêu trong kênh ITU Pedestrian A, bộ mã hoá/giải mã thoại AMR, BLER mục tiêu 1%, bậc 0,5dB, tốc độ 3km/h. 3.3. PHƯƠNG PHÁP ĐKCS THEO BƯỚC ĐỘNG DSSPC (Dynamic Step-size Power Control) 3.3.1. Độ dự trữ SIR nhiều mức Là sự giả thuyết về sự biến đổi kênh ban đầu mà cần phải được xác định theo kết quả của phép đo vô tuyến thời gian thực.Rút ra từ sự kết hợp của AC (Admision Control) và những phần tử khác của RRM( Radio Resource Management) Độ dự trữ có giới hạn trên và giới hạn dưới tùy thuộc vào tải/giao thoa của mạnh vô tuyến trong truy cập vô tuyến hay tai mức tế bào. Xác định rõ độ dự trữ công suất nhằm đảm bảo các chỉ tiêu và độ ổn định của hệ thống. Do mạng vô tuyến là môi trường động biến đổi nhanh và lớn nên vùng dự trữ công suất có thể giao động lên trên và xuống dứới khi mức tải và giao thoa thay đổi. Khi kênh mang vô tuyến được thiết lập,DSSPC sẽ điều khiển mức công suất truyền để tối ưu trong dự trữ công suất. Điều này có thể đạt được nhờ sử dụng thông tin chất lượng dịch vụ QoS của kênh mang cũng như mức nhiễu mà nó gây ra cho mạng và dung lượng của mạng liên quan đến nhiễu. Để cung cấp chất lượng dịch vụ tốt nhất với mức tối thiểu công suất truyền (hay SIR) cần cân bằng giữa chất lượng dịch vụ QoS ,dung lượng mạng, quản lý cước kênh mang .tuy nhiên kết quả điều khiển công suất là không tất yếu ở mức tối thiểu có thể. Hình 3.2 Độ dự trữ SIR đối với các loại dịch vụ khác nhau Hình 3.2 là đồ thị thể hiện mức công suất truyền của trạm di động dưới dạng nhiều múc SIR được điều khiển để đến mức tối ưu.Thay vì một ngưỡng của SIR đích, SIR nhiều mức có nhiều ngưỡng bao gồm giới hạn trên và giới hạn dưới được xác định.Do đó mỗi dịch vụ như thoại, dữ liệu và hình ảnh có mức công suất truyền tối ưu đặc biệt mà trạm di động ở trên hay dưới. 3.3.2. Sự hoạt động của mạng Hình (3.3) là giản đồ căn bản của phương pháp DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên. Trong điều khiển công suất đường lên, bên cạnh mạng, điều khiển truy cập vô tuyến và trạm gốc là cơ sở của cho điều khiển từng phần của tiến trình điều chỉnh công suất. Điều khiển cho phép và điều khiển công suất của bộ điều khiển truy cập vô tuyến thiết lập các đích chất lượng tín hiệu gồm SIR_max, SIR-opt_max, SIR_opt_min và SIR_min. Điều này có thể dựa trên thông tin lưu lượng sẵn có trong AC (Admission Cotrol),cường độ tín hiệu, SIR, các độ ưu tiên truy cập, thông tin hỗ trợ định vị… i = 1 Bắt đầu SIRopt_max SIR_reali SIR_max SIRopt_min SIR_reali < SIR_opt_max SIR_reali > SIR _max SIR_min SIR_reali < SIR_opt_min SIR_reali < SIR_min Lệnh giảm công suất truyền Pdki = Poi - a.bmax Lệnh giảm công suất truyền: Pdki = Poi - a.bmin Lệnh tăng công suất truyền Pdki = Poi + a.bmin Lệnh tăng công suất truyền Pdki = Poi + a.bmax Công suất nhận là tối ưu :Pdki = Poi Sai Sai Sai Sai Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng [111] [010] [100] [110] [101] i N Kết thúc Sai Đúng Tính SIR_reali Tính Poi i = i+ 1 Nhập số thuê bao N,các mức SIR đích,Nhập các thông số của chương trình Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC Như trong hình (3.3), trạm gốc phát lệnh công suất truyền (TPC: Transmit Power Command) bằng việc so sánh SIR nhận được/công suất của kênh đường lên với các ngưỡng xác định của SIR/độ dự trữ công suất. 3.3.3. Sự hoạt động của trạm di động Đầu tiên, trạm di động nhận lệnh điều khiển công suất từ trạm gốc. Nó ghi lệnh điều khiển công suất tiếp theo vào thanh ghi lệnh. Việc thay đổi dữ liệu gốc được lưu trữ ở đây bao gồm dữ liệu về những lệnh điều khiển công suất gần đây nhất, kích cỡ bước, và toạ độ máy thu cầm tay. Trạm di động kiểm tra giá trị của lệnh điều khiển công suất, kích cỡ bước, và thông tin hỗ trợ định vị bao gồm sự thay đổi dữ liệu gốc. Nếu lệnh điều khiển công suất hay chuỗi kích thước bước là chẵn, nghĩa là mức công suất không hoàn toàn thay đổi nhưng giữ ổn định và không có số lượng đáng kể cần thay đổi công suất truyền.. Nếu lệnh điều khiển công suất hay chuỗi kích thước bước là lẻ, tiến trình sẽ dẫn tới việc kiểm tra tại chính lệnh điều khiển công suất không ổn định, nói cách khác chỉ duy nhất một chu trình của lệnh điều khiển công suất được lặp đi lặp lại thường xuyên. Trong trường hợp này một chuỗi kích cỡ bước rộng hơn có thể được xem xét để bù vào sự thay đổi của công suất truyền. Nếu lệnh điều khiển công suất hay chuỗi khích thước bước không chẵn cũng không lẻ, các lệnh này lặp lại không theo quy luật thì sau đó tiến trình sẽ chuyển trực tiếp đến bước điều khiển công suất nhanh nơi mà không gây ra trễ. Vùng phủ sóng của trạm điện thoại có thể dự đoán được sự thay đổi của môi trường truyền, điều này có thể ảnh hửởng đến các kênh vô tuyến và tránh hiện tựơng “hiệu ứng góc” khi đang quyết định điều khiển công suất Để tính kích thước của DSS (Dynamic Step-Size) dựa vào phương trình (3.1), trạm di động xác định giá trị của toàn bộ điều khiển công suất. Bước điều khiển công suất là kết quả kết hợp của giá trị không đổi và giá trị thay đổi của điều khiển công suất. Do đó, trạm di động điều chỉnh công suất truyền của nó bằng cách thêm DSS vào công suất tín hiệu ban đầu Po như sau : DSS(dB) = a. b. g , với g = Ptrx(dB) = Po(dB) + DSS (dB) 1 khi ∆SIR < 0 -1 khi ∆SIR > 0 (3.1) Trong phương trình (3.1), α là kích thước bước cố định đã được xác định trước và β là thành phần động của DSS được định nghĩa dựa trên giá trị thực và đích của SIR tương ứng với kết nối vô tuyến. Mục đích của DSS là để bù vào sự suy giảm công suất vì kênh truyền không ổn định. Để định nghĩa giá trị của thông số SIR nhận được và SIR đích cần phải sẵn có. Tuy nhiên, thông tin này sẵn có tại trạm gốc. Do đó, việc điều chỉnh công suất truyền đường lên có hai khả năng thực hiện : • Thông tin liên quan đến SIR được truyền đến trạm di động bằng cách dùng tín hiệu kênh chuyên dụng hay kênh chung. Bộ phân tích dữ liệu gốc (HDLA: History Data Analyzer Logic) của trạm di động tính toán giá trị của β dựa trên bảng dò tìm b (bảng 3.1). • Giá trị của b được tính toán tại trạm gốc bằng việc dùng tiêu chuẩn được định nghĩa trong bảng dò tìm. Như một kết quả, thông tin được truyền đến trạm di động thật ra là b. g. Trong trường hợp trạm di động không cần tính tham số liên quan đến SIR, giảm bớt sự phức tạp và sự tiêu thụ pin của nó. Trong bảng (3.1) ki = ( 0,…,k, k+1 ) là số nguyên, có thể tối ưu dựa trên những phép đo thực tế liên quan đến mạng vô tuyến. Do đó, nó có thể thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổi thời gian thực trong chất lượng tín hiệu vì fading và đích SIR cho kênh mang yêu cầu ánh xạ bởi mạng. Trong ví dụ này các giá trị nhiều mức của SIR đích được định nghĩa như : SIR_max, SIRopt_ max, SIRopt_ min, SIR_min. Bảng 3.1 Bảng tra cứu ứng dụng của DSSPC Tiêu chuẩn so sánh SIR SIRopt_min SIRreal SIR max 0 X SIRopt_max SIRreal SIRmax K1 1 SIRreal > SIRmax K2 1 SIRmin SIRreal SIRopt_min K1 -1 SIRreal < SIRmin K2 -1 Đối với 5 điều kiện căn bản trong thuật toán, sử dụng 3 bit để truyền thông tin yêu cầu giữa trạm gốc và máy di động. Có thể sử dụng 3 điều kiện khác nhau của thuật toán, để giảm số bit yêu cầu điều khiển công suất truyền TPC . Hình (3.4) chỉ ra một ví dụ về sơ đồ khối thực hiện phương pháp điều khiển công suất ứng dụng cho đường lên. Trạm gốc nhận tín hiệu được truyền bởi trạm di động và hướng tới để giữ cường độ tín hiệu nhận được không thay đổi bằng cách gởi lệnh điều khiển công suất đến trạm di động. Hình 3.4 Mô hình chung của DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên Trạm gốc chịu trách nhiệm để đo SIR nhận được và một phần của những phép đo đó yêu cầu thiết lập thông số dự trữ công suất và các đích SIR. Các phép đo được thực hiện sau máy thu phân tập RAKE, nơi kết nối nhiều nhánh khác nhau của tín hiệu nhận được. Tại khối trạm gốc, các giá trị đích và giá trị đo được của SIR được so sánh. Trạm gốc cũng tính toán giá trị tương ứng cho β và γ như định nghĩa trong phương trình (3.1) . Để xác định lệnh công suất truyền, bộ phát trạm gốc gởi các lệnh công suất phát (TPCs) đến trạm di động để tăng, giảm hay giữ công suất truyền không thay đổi. Tại trạm di động, các lệnh điều khiển công suất được tập hợp thành một vector mà trạm di động ghi vào bộ phân tích dữ liệu gốc (HDLA). HDLA phân tích vector bit lệnh nhận được khi đưa ra giá trị thích ứng của DSS. HDLA đưa ra đưa ra thành phần thích ứng của DSS dựa trên thông tin nhận được từ trạm gốc dưới dạng luồng bit TPC. Cuối cùng, phần tử điều khiển điều chỉnh công suất truyền của trạm di động dựa trên phương trình (3.1). 3.4. ĐKCS PHÂN TÁN DPC (Distributed Power Control) 3.4.1. Khái quát Thuật toán điều khiển công suất đựơc phân thành điều khiển phân tán và tập trung. Trong đó điều khiển công suất phân tán được chú trọng hơn bởi vì điều khiển công suất tập trung có nhược điểm là chịu ảnh hưởng lớn về điều khiển dữ liệu và phải chịu tình trạng mạng không được bảo vệ. Trong kỹ thuật điều khiển công suất phân tán DPC tại mỗi trạm sử dụng công suất truyền hiện thời của nó.Kỹ thuật phân tán cũng đơn giản hơn và sử dụng it thông tin hơn kỹ thuật tập trung. Kỹ thuật phân tán chỉ yêu cầu đo nhiễu đường truyền tại trạm và tiếp tục truyền đến máy di động tương ứng. Tuy nhiên kỹ thuật phân tán cần nhiều thời gian hơn để tối ưu hóa mức SIR. Kỹ thuật điều khiển công suất sử dụng theo dạng tập trung yêu cầu thông tin về cường độ tín hiệu của tất cả các kết nối vô tuyến đang hoạt động mà không chú ý khả năng điều chỉnh công suất truyền. Phương pháp này gia tăng sự phức tạp mạng vì thông tin chi tiết trong các mạng di động nhiều ô liên quan được yêu cầu của kênh vô tuyến tập trung là không sẵn sàng trong thời gian thực. Ngược lại, kỹ thuật điều khiển công suất phân tán không yêu cầu thông tin trạng thái tập trung tất cả các kênh riêng lẻ. Thay vào đó, nó có thể thích nghi các mức công suất nhờ sử dụng các phép đo vô tuyến cục bộ, chú ý tới thay đổi chất lượng dịch vụ động thời giải quyết hiệu ứng tồn tại trong hệ thống tế bào. Tuy nhiên, phương pháp này không xét đến sự liên quan giữa các kết nối mới cho QoS của các kết nối hiện hữu. 3.4.2. Mô hình hệ thống Mô hình hệ thống sử dụng đối với điều khiển công suất đường lên. Giả thiết 1 trạm di động (M), J thuê bao di động trong hệ thống. Tại trạm M, tỷ số tín hiệu trên nhiễu nhận được của thuê bao thứ i là : (3.2) Trong đó Eb là năng lượng bit thông tin và No là mật độ phổ công suất tạp âm. Công suất truyền của thuê bao thứ i là pi được giới hạn bởi mức công suất cực đại là : Pi≤ Pimax với 1 ≤i≤j (3.3) Ri là tốc độ dữ liệu của thuê bao thứ i, GMi là độ lợi đường truyền giữa thuê bao thứ i và trạm M. Giá trị của GMi được giả thiết là hằng. Việc giả thiết này là hợp lý nếu thuật toán điều khiển công suất có thể hội tụ trong khoảng thời gian ngắn. W độ rộng băng tần trải phổ, (M là nhiễu nền. Do vậy, việc chính yếu của điều khiển công suất là tìm ra vector công suất dương p = (p1, p2. . . pJ) thoả mãn thoả mãn: gi gT với 1 iJ (3.4) Trong đó (T là mức SIR tối thiểu yêu cầu được xác định bởi mỗi dịch vụ hay môi trường BER. 3.4.3. Thuật toán điều khiển công suất phân tán Mỗi thuê bao điều khiển công suất truyền của nó trong giới hạn cực đại dựa trên thông tin mức công suất của nó và phép đo SIR. Thuật toán DPC điều khiển mức SIR của tất cả các thuê bao để đạt được SIR yêu cầu nếu có thể. Đồ án đề xuất thuật toán điều khiển công suất phân tán mới sử dụng tham số thay đổi từ thuật toán truyền thống để cải thiện hiệu quả của nó. Hàm công suất mới là vấn đề chính cần thiết để đạt được mức SIR tối thiểu. Nếu SIR của thuê bao trên mức cực tiểu trong suốt thời gian điều khiển công suất thì ít nhất một kết nối thuê bao-trạm gốc sẽ bị cắt. Do vậy, tốc độ hội tụ liên quan đến dung lượng hệ thống. Thuật toán có thể được mô tả như sau : pi(0) = p pi(n+1) (dBm) = ek (gT - gi(n)) + pi(n) (dBm) (3.5) Trong đó k là tham số dương theo kinh nghiệm chọn k = 0,1 là tốt cho cho hầu hết các hệ thống, nếu k quá lớn tốc độ hội tụ sẽ chậm, nếu k quá nhỏ SIR sẽ dao động. Chúng ta có thể đạt được tốc độ hội tụ nhanh hơn bằng cách tối ưu hoá k. pi(0) là công suất truyền ban đầu của thuê bao, pi(n+1) là công suất truyền của thuê bao thứ i trong vòng lặp thứ n, γi(n) là SIR của thuê bao thứ i tại vòng lặp thứ n. Theo các kết quả thực nghiệm n được chọn trong khoảng 10-20 là tối ưu. Có các trường hợp sau : Trường hợp 1 : γi(n) < γT pi(n+1) < pi(n) (3.6)  Trường hợp 2 γi(n) > γT pi(n+1) > pi(n) (3.7)  Trường hợp 3 : γi(n) = γT pi(n+1) = pi(n) (3.8) Mục đích chính của thuật toán này là tăng hay giảm công suất truyền của thuê bao liên quan SIRi được nhận bởi trạm M. Bằng cách điều chỉnh thông số k trong hàm điều khiển công suất, hệ thống sẽ thoả mãn các yêu cầu vận hành khác nhau. Bắt Đầu Nhập số thuê bao J Nhập các thông số của chương trình i =1 Tính Poi j = 0 pi(0) = Poi j n -1 Công suất điều khiển : pi(j +1) = ek (gT - gi(j)) + pi(j ) j = j +1 i = i+1 i J Kết thúc Sai Đúng Đúng Sai Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất phân tán DPC 3.4. CÁC ĐẠI LƯỢNG DÙNG TRONG THUẬT TOÁN ●Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR : Signal to Interference Ratio). Tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm đường lên SIR đối với một thuê bao được xác định như sau : Trong đó : SF là hệ số trãi phổ (spreading factor) Pr là công suất thu là hệ số giảm trực giao (0££1). Iin là nhiễu gây ra do tín hiệu cùng một BS Iout là nhiễu gây ra do tín hiệu từ BS khác PN là công suất nhiệt tạp âm (nhiễu nền). Đối với đường lên không có trực giao nên Ġ = 1. Trước khi nén phổ SIR được tính theo phương trình sau : Sau khi nén phổ tổng công suất can nhiễu I = Iintra + Iinter +PN , vì vậy SIR được viết lại như sau : , với : I = Io . Bw hay SIR = SF (dB) +Pr (dB) – Io – 10. lg(Bw) (dB) (3.9) ●Hệ số trải phổ hay (dB) (3.10) Trong đó : Rt là tốc độ dữ liệu (Mbps) ●Khuếch đại công suất di động Pma = Pme - Lm - Gm ( dBm ) (3.11) Pma : công suất ra của bộ khuếch đại công suất di động (dBm) Pme : ERP từ anten phát của MS (dBm) Lm : suy hao cáp giữa đầu ra của bộ khuếch đại công suất và đầu vào của anten MS (dB) Gm : tăng ích anten phát MS (dBm) ●Công suất thu ở BS trên người sử dụng Pr = Pme + Lp + Al + Gt + Lt (dBm) (3.12) Pr : công suất kênh lưu lượng thu tại BS phục vụ từ MS (dBm) Lp : tổn hao truyền sóng trung bình giữa MS và BS (dB) Al : suy hao pha dinh chuẩn lg (dB) Gt : tăng ích anten thu BS (dB) Lt : tổn hao conector và cáp thu của BTS (dB) ●Mật độ công suất của các MS khác ở BTS phục vụ Iutr = Pr + 10 lg(Nt - 1) + 10 lgCa – 10 lgBw (dBm/Hz) (3.13) Iutr : mật độ nhiễu giao thoa từ các MS khác ở BTS phục vụ (dBm/Hz) Ca : hệ số tích cực thoại kênh lưu lượng (0,4 ÷ 0,6) Nt : số kênh lưu lượng trong cell đang xét Bw : độ rộng băng tần (Hz) ●Mật độ nhiễu giao thoa từ các trạm di động ở các BTS khác Ictr = Iutr + 10. lg(1/ fr -1 ) (dBm/Hz) (3.14) Ictr : mật độ nhiễu giao thoa từ các MS ở các BS khác (dBm/Hz) fr : hệ số tái sử dụng tần số (0,6) ●Mật độ nhiễu giao thoa từ các MS khác tại BS đang phục vụ và từ các BS khác Itr = 10 lg (10 0,1. Iutr + 10 0,1 Ictr ) (dBm/Hz) (3.15) Itr : là mật độ nhiễu giao thoa từ các MS khác đến BS đang phục vụ và từ các BS khác (dBm/Hz). ●Mật độ tạp âm nhiệt N0 = 10 lg (290 * 1,38 . 10 -23) + Nf + 30 (dBm/Hz) (3.16) Trong đó : No : mật độ tạp âm nhiệt tại nhiệt độ tham khảo 290 oK Nf : hệ số tạp âm của máy thu BTS (dB) ●Mật độ phổ công suất nhiễu I0 = 10 lg ( 10 0,1. Itr + 10 0,1. N0 ) (dBm/Hz) (3.17) 3.6. MỘT SỐ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG THUẬT TOÁN 3.6.1. Nhiễu đồng kênh ( Co- chanel Interference ) Tái sử dụng tần số có nghĩa là trong một vùng phủ cho trước nhiều trạm sử dụng cùng một tập tần số. Các ô này được gọi là các ô đồng kênh và nhiễu giữa các tín hiệu của các ô này được gọi là nhiễu đồng kênh. Nếu đối với tạp âm nhiệt để khắc phục nó ta chỉ cần tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR), thì đối với nhiễu đồng kênh ta không thể chỉ đơn giản tăng công suất sóng mang của máy phát. Sỡ dĩ như vậy vì việc tăng công suất sóng mang sẽ dẫn đến tăng nhiễu đến các ô đồng kênh khác. Để giảm nhiễu đồng kênh này các ô đồng kênh phải được đặt phân cách vật lý một khoảng cách tối thiểu để đảm bảo sự cách li cần thiết về truyền sóng. Hình 3.6 Nhiễu hướng lên Hình 3.7 Nhiễu hướng xuống Giả sử io là số ô gây nhiễu đồng kênh. Khi này tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR hay còn gọi là tỷ số sóng mang trên nhiễu C/I) đối với một máy thu di động đang giám sát trên kênh đường xuống có thể được biểu diễn như sau : [ dB ] Trong đó Pr : là công suất tín hiệu mong muốn từ trạm gốc cần thiết Pri : là công suất tín hiệu nhiễu do trạm gốc của ô thứ i gây ra. Nếu ta biết được các mức tín hiệu của các ô đồng kênh thì ta có thể xác định được tỷ số SIR cho kênh đường xuống bằng phương trình trên. Một số giải pháp để hạn chế loại nhiễu đồng kênh trong các hệ thống cellular như sau: + Không thể dùng bộ lọc để loại bỏ giao thoa này do các máy phát sử dụng cùng một tần số. + Chỉ có thể tối thiểu hóa nhiễu đồng kênh bằng cách thiết kế mạng cellular phù hợp. Tức là thiết kế sao cho các cell trong mạng có sử dụng cùng nhóm tần số không ảnh hưởng tới nhau=>khoảng cách các cell cùng tần số phải đủ lớn. 3.6.2. Nhiễu đa truy cập MAI (Multiple Access Interference ) Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các user giao thoa với nhau, là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống. Trong các hệ thống đa truy nhập: • TDMA: Đa truy nhập phân chia theo thời gian . Trong TDMA là sự giao thoa của các tín hiệu ở khe thời gian này với khe thời gian khác do sự không hoàn toàn đồng bộ gây ra. Người ta phải có khoảng bảo vệ (guard time) để giảm xác suất người dùng bị giao thoa nhưng cũng đồng thời làm giảm hiệu suất sử dụng phổ. • FDMA: Đa truy nhập phân chia theo tần số. Các hiệu ứng Doppler làm dịch phổ tần số dẫn đến có sự giao thoa giữa các dải tần con Guard band để giảm xác xuất giao thoa giữa các kênh kề nhau =>giảm hiệu suất sử dụng phổ. • CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã. Trong CDMA người ta sử dụng tính trực giao của mã nên hầu như không có nhiễu giữa các user. • DS CDMA: Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp. Theo những nghiên cứu gần đây, phương thức đa truy nhập phân chia theomã chuỗi trực tiếp DS-CDMA (Direct Sequence Code Division Multiplexing Access) dựa vào việc trải phổ dòng dữ liệu bằng cách sử dụng một mã trải phổ được ấn định cho mỗi người sử dụng trong miền thời gian.Khả năng giảm thiểu nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) dựa vào tính tương quan chéo của mã trải phổ. Trong trường hợp truyền đa đường đòi hỏi rất khắt khe của viễn thông di động, khả năng phân biệt một tín hiệu thành phần từ nhiều thành phần khác trong tín hiệu thu tổng hợp được cung cấp bởi tính tự tương quan của mã trải phổ. Máy thu RAKE có chứa nhiều bộ tương quan, mỗi bộ tương quan được nối với một dường dẫn có khả năng phân giảỉ khác nhau. Vì vậy hoạt động của hệ thống DS-CDMA sẽ phụ thuộc nhiều vào số lượng người sử dụng thực tế, đặc trưng của kênh và số lượng các nhánh được dùng trong máy thu RAKE. Cũng vì lý do này mà dung lượng của hệ thống sẽ bị hạn chế do nhiễu nội (self-interference) và MAI mà nguyên nhân là sự chưa hoàn chỉnh của tính tự tương quan cũng như tính tương quan chéo của mã trải phổ. Điều này gây ra khó khăn cho hệ thống DS-CDMA trong việc sử dụng đầy đủ năng lượng tín hiệu thu bị phân tán trong miền thời gian. Để khử MAI người ta thường dùng các phương pháp trực giao nhưng trên thực tế không thể có sự trực giao hoàn toàn. Do đó Mai vẫn tồn tại trong các hệ thống đa truy nhập. 3.6.3. Nhiễu kênh lân cận Nhiễu gây ra do sự tràn tín hiệu của phổ băng bên của các sóng nhiễu vào băng thu khi chúng chiếm kênh lân cận kênh thu. Bởi vậy, ảnh hưởng của nhiễu phụ thuộc phần lớn vào độ chọn lọc máy thu và độ rộng phổ băng bên ngoài băng của các sóng nhiễu. Khoảng cách giữa các kênh lân cận và sự phân định của các kênh tần số trong một khu vực xác định nhằm tránh nhiễu lân cận kênh. Vấn đề này trở nên nghiêm trọng nếu người sử dụng kênh lân cận phát rất gần máy thu của thuê bao đang thu tín hiệu từ trạm gốc mong muốn. Hiện tượng này gọi là hiện tượng gần xa, máy thu của thuê bao bắt được máy phát gần (cùng loại được hệ thống tổ ong sử dụng). Một dạng khác xảy ra khi MS gần trạm gốc phát trên gần với kênh mà MS yếu khác đang sử dụng. Trạm gốc có thể gặp khó khăn khi phân biệt người sử dụng di động mong muốn với” sự dò rỉ công suất “ từ MS kênh lân cận ở gần. Ta có thể giảm nhiễu kênh lân cận bằng cách đảm bảo phân cách tần số giữa các kênh trong một ô càng lớn càng tốt. Như vậy, thay vì phân bổ kênh ở một băng tần liên tục cho một ô, các kênh cần được phân bổ sao cho phân cách tần số giữa chúng là cực đại. Bằng cách phân bổ lần lượt các kênh trong băng tần cho các ô khác nhau, ta có rất nhiều sơ đồ phân bổ kênh cho phép phân cách các kênh lân cận trong một ô thành N độ rộng băng tần kênh, trong đó N là kích cỡ cụm. Nhiễu kênh lân cận có thể phân ra hai loại nhiễu kênh lân cận “trong băng” và nhiễu kênh lân cận “ngoài băng”. Gọi là nhiễu “trong băng” khi tâm của độ rộng băng tần tín hiệu gây nhiễu nằm trong độ rộng băng tần của tín hiệu mong muốn. Gọi là nhiễu kênh lân cận “ngoài băng” khi tâm của độ rộng băng tần tín hiệu gây nhiễu nằm ngoài độ rộng băng tần của tín hiệu mong muốn. Nhiễu kênh lân cận tập trung chủ yếu vào nhiễu kênh lân cận trong băng vì dạng nhiễu này luôn có một ảnh hưởng dễ nhận thấy đối với tín hiệu mong muốn, trái lại nhiễu ngoài băng là vấn đề không mấy nghiêm trọng. Tỷ số sóng mang trên kênh lận (C/A) biểu diễn mức tín hiệu ở kênh mong muốn thu trên kênh liền kề : [dB] (3.18) Trong đó Pc : là cường độ tín hiệu thu nhận từ kênh mong muốn Pa : là cường độ tín hiệu nhận được từ kênh lân cận Giá trị C/A thấp sẽ dẫn đến BER cao . Hình 3.3 Các loại nhiễu trong hệ thống 3.6.4. Tải lưu lượng Trong hệ thống viễn thông, lưu lượng là tin tức được truyền dẫn qua các kênh thông tin. Cơ sở lý thuyết này đã được nhà toán học tên là Erlang người Đan Mạch nghiên cứu và xây dựng mô hình lưu lượng để dự tính đặc điểm vận hành của nó. Ngày nay số đo cường độ lưu lượng truyền trên kênh được mang tên ông. Một Erlang là lưu lượng của một kênh thông tin liên tục bị chiếm giữ (nghĩa là một giờ gọi trên một giờ hay một phút gọi trên một phút). Chẳng hạn một kênh vô tuyến bị chiếm trong thời gian 30 phút trong một giờ sẽ mang 0,5 Erlang lưu lượng. Lưu lượng của một thuê bao A được tính theo công thức sau: (3.19) Trong đó A : là lưu lượng thông tin trên một người sử dụng (Erlang) n : là số cuộc gọi trung bình trên giờ người sử dụng T : là thời gian trung bình cho một cuộc gọi (s) n,T phụ thuộc vào con số thống kê của từng mạng. Từ A ta có thể tính được số kênh yêu cầu cần thiết trong mạng tế bào. Ở Châu Âu, thời gian này trung bình từ 50-90 s. Theo số liệu thống kê đối với mạng di động thì n=1, T=210 s. Hiện nay, tồn tại hai mô hình toán học cơ bản của lý thuyết lưu lượng : mô hình Erlang- B và mô hình Erlang- C. + Mô hình Erlang-B : là mô hình hệ thống hoạt động theo kiểu suy hao, trong đó những cuộc gọi bị nghẽn sẽ bị bỏ rơi chứ không được lưu giữ lại dưới dạng nào đó để chờ cho đến khi rỗi. Mô hình này áp dụng cho mạng UMTS. + Mô hình Erlang-C : là mô hình hệ thống hoạt động theo kiểu chờ, nếu cuộc gọi bị nghẽn thì hệ thống sẽ giữ lại đợi cho đến khi có kênh được giải phóng. Tồn tại ba khái niệm lưu lượng : lưu lượng phục vụ, lưu lượng được truyền, lưu lượng bị chặn. Lưu lượng phục vụ là tổng lưu lượng phục vụ cho tất cả mọi người sử dụng. Lưu lượng được truyền là lưu lượng được kênh truyền, lưu lượng bị chặn là lưu lượng trong quá trình thiết lập cuộc gọi mà không được truyền ngay lập tức.Vậy: Lưu lượng phụcvụ = Lưu lượng được truyền + Lưu lượng bị chặn (3.20) 3.6.5. Cấp độ phục vụ (Grade of Service) Xử lý thiết lập cuộc gọi Kênh lưu lượng (TCH) Tải lưu lượng A(GoS) Lưu lượng mất đi Tải phục vụ A(1-GoS) Là đại lượng biểu thị số % cuộc gọi không thành công. Hay GoS còn được xác định bằng xác suất nghẽn đường truyền vô tuyến trong vấn đề khởi tạo cuộc gọi trong giờ cao điểm.Cấp bậc phục vụ là dấu mốc được sử dụng để định nghĩa hiệu năng yêu cầu của một hệ thống phân bổ trung kế trên cơ sở đặc tả xác xuất yêu cầu để một người sử dụng đạt được truy nhập kênh khi cho trước số lượng kênh khả dụng trong hệ thống. Nhiệm vụ của người thiết kế hệ thống vô tuyến là ứơc tính dung lượng yêu cầu cực đại và phân bổ đúng số lượng kênh để đáp ứng GoS. GoS thường được cho ở xác suất cuộc gọi bị chặn hay xác suất mà cuộc gọi phải trễ (đợi) lớn hơn một thời gian sắp hàng nào đó. Hình 3.8 Quá trình thiết lập cuộc gọi Để có GoS tốt thì khả năng tắc nghẽn phải giảm. Điều này có nghĩa là số người sử dụng thấp, hoặc là số tải đến (lưu lượng phục vụ) phải nằm trong giới hạn phục vụ của kênh. Ngược lại, nếu GoS kém thì khả năng tắt nghẽn sẽ cao, tương ứng với số người sử dụng cao. Chính vì vậy, khi tính toán số kênh trên cơ sở lưu lượng cần thiết đòi hỏi phải có sự thoả hiệp giữa số lượng người sử dụng và chất lượng phục vụ, có nghĩa là phải chỉ rõ mức nghẽn. Cấp độ phục vụ có thể chấp nhận được thường từ 2-5%, nó có nghĩa là tối đa 2-5% lưu lượng bị nghẽn, 98-95% lưu lượng truyền đi. Cấp bậc phục vụ GoS càng thấp thì hiệu suất sử dụng kênh càng cao. 3.6.6. Hiệu quả sử dụng kênh Hiệu quả sử dụng kênh là hiệu suất sử dụng tối đa một kênh mà không xảy ra nghẽn. Hiệu quả sử dụng kênh có thể định nghĩa là tỷ số tải phục vụ trên tổng số kênh. Gọi A là lưu lượng phục vụ, ta có : Lưu lượng bị chặn = A . GoS. Lưu lượng được truyền = A . ( 1- GoS ). Ví dụ: Nếu số kênh là 6s, lưu lượng của 70 thuê bao A = 2,2759, GoS = 2% Lưu lượng được truyền = A(1- GoS) = 2,2759 ( 1- 0,02) = 2,2304 Erl Vậy hiệu suất sử dụng kênh là =Ġ Nếu cấp bậc phục vụ tồi hơn, 10% chẳng hạn thì đối với 6 kênh lưu lượng A = 3,7584 Erl thì lưu lượng được truyền=0,9.3,7584=3,3826 Erl. Hiệu suất sử dụng kênh là =Ġ Nếu giảm cấp độ phục vụ GoS thì với cùng một số kênh lưu lượng có thể phục vụ được nhiều thuê bao hơn.Vậy cấp bậc phục vụ càng thấp thì hiệu suất sử dụng kênh càng cao. 3.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này chúng ta đã đề xuất ba thuật toán điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba UMTS là phương pháp điều khiển công suất vòng ngoài, phương pháp điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC. Đối với phương pháp điều khiển công suất theo bước động DSSPC đã tập trung vào điều khiển công suất truyền bằng cách dùng khái niệm ngưỡng nhiều mức, các lệnh điều khiển công suất TPC. Bước động bù cho sự chậm của phương pháp điều khiển công suất cố định nhưng cũng cần sự bù nhanh của công suất truyền trong cửa sổ chấp nhận được, cân bằng sự ổn định của hệ thống. Trong khi đó, phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC cũng dùng thông tin về tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa SIR nhưng mức ngưỡng SIR(i) được điều chỉnh cho phù hợp với từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng đường truyền tốt nhất. Do đó DPC có khả năng đạt được mức SIR yêu cầu và hệ thống hoạt động ổn định hơn các phương pháp điều khiển công suất truyền thống. Tuy nhiên DPC cần nhiều thời gian hơn để tối thiểu hoá mức SIR. Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng, tuy nhiên hai phương pháp DPC & DSSPC đều điều chỉnh công suất truyền hiệu quả hơn các phương pháp điều khiển công suất truyền thống. Do đó cả hai phương pháp này hi vọng sẽ là cơ sở để nghiên cứu nhằm điều khiển công suất cho một số hệ thống thông tin di động thế hệ ba hiện nay. CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 4.1. QUỸ ĐƯỜNG TRUYỀN VÔ TUYẾN THAM KHẢO CHO HỆ THỐNG UMTS Bảng 4.1 Quỹ đường truyền cho tham khảo dịch vụ thoại 12,2 Kbps Máy phát MS Hệ số khuếch đại anten phát của MS (dB) 2 Tổn hao cáp thu và bộ lọc máy thu MS (dBm) -3 Công suất bức xạ ERP của MS (dBm) 21 Máy thu trạm gốc Hệ số khuếch đại anten trạm gốc BS (dB) 18 Hệ số tạp âm máy thu trạm gốc (dB) 5 Suy hao đường truyền cho phép đối với vùng phủ của ô (dB) -141,9 Suy hao pha đinh log chuẩn (dB) -7,3 Tổn hao cáp và bộ lọc máy phát BS (dBm) -2 Hệ số tích cực thoại 67% Hệ số tái sử dụng tần số 0,65 Độ rộng băng tần (MHz ) 5 Bảng 4.2 Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ số liệu thời gian thực 144 Kbps Máy phát MS Hệ số khuếch đại anten phát của MS (dB) 2 Tổn hao cáp thu và bộ lọc máy thu MS (dBm) -3 Công suất bức xạ ERP của MS (dBm) 26 Máy thu trạm gốc Hệ số khuếch đại anten trạm gốc BS (dB) 18 Hệ số tạp âm máy thu trạm gốc (dB) 5 Suy hao đường truyền cho phép đối với vùng phủ của ô (dB) -133,8 Suy hao pha đinh log chuẩn (dB) -4,2 Tổn hao cáp và bộ lọc máy phát BS (dBm) -2 Hệ số tích cực thoại 100% Hệ số tái sử dụng tần số 0,65 Độ rộng băng tần (MHz ) 5 Bảng 4.3 Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ số liệu phi thoại 384 Kbps Máy phát MS Hệ số khuếch đại anten phát của MS (dB) 2 Tổn hao cáp thu và bộ lọc máy thu MS (dBm) -3 Công suất bức xạ ERP của MS (dBm) 18 Máy thu trạm gốc Hệ số khuếch đại anten trạm gốc BS (dB) 18 Hệ số tạp âm máy thu trạm gốc (dB) 5 Suy hao đường truyền cho phép đối với vùng phủ của ô (dB) -139,9 Suy hao pha đinh log chuẩn (dB) -7,3 Tổn hao cáp và bộ lọc máy phát BS (dBm) -2 Hệ số tích cực thoại 100% Hệ số tái sử dụng tần số 0,65 Độ rộng băng tần (MHz ) 5 4.2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CỤ THỂ Dựa vào quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ số liệu thời gian thực 144 Kbps (bảng 4.2) ta tính được cụ thể tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR nhưng các mức điều chỉnh công suất truyền của hai phương pháp điều khiển công suất được thực hiện trong chương trình mô phỏng. • Khuếch đại công suất di động Pma = Công suất bức xạ ERP của MS (dBm)-Tổn hao cáp thu và bộ lọc máy thu MS (dBm) - Hệ số khuếch đại anten phát của MS (dB) = Pme - Lm - Gm = 2 - (- 3) - 2 = 27 (dBm) • Công suất thu ở BS trên người sử dụng Pr = Công suất bức xạ ERP của MS (dBm) - Suy hao đường truyền cho phép đối với vùng phủ của ô (dB) + Suy hao pha đinh log chuẩn (dB) - Hệ số khuếch đại anten trạm gốc BS (dB) - Tổn hao cáp và bộ lọc máy phát BS (dBm) =Pme + Lp + Al + Gt + Lt = 26 - 133,8 - 4,2 + 18 - 2 = -9,6 (dBm) • Tải lưu lượng - Lưu lượng của 1 thuê bao : (Erl) Thời gian trung bình của 1 cuộc gọi là T = 90 (s) - Lưu lượng của 45 thuê bao/1cell = 45. 0,025 = 1,125 (Erl) Cấp bậc phục vụ GoS = 2%. Sử dụng bảng Erlang B (phụ lục) ta xác định được số kênh Nt = 4. • Mật độ nhiễu do các MS trong các cell khác gây ra Iutr = Pr + 10 lg(Nt - 1) + 10 lgCa - 10 lgBw = -96 + 10 lg(4 - 1) + 10 lg(0,6) - 10 lg3840000 = -159,29 (dBm/Hz) Bw : Bề rộng dải tần (Hz) Ca : Hệ số tích cực thoại kênh lưu lượng (Ca = 0,4 – 0,6) Nt : Số kênh đang xét • Mật độ nhiễu từ các cell khác Ictr = Iutr +10. lg(1/ fr -1 ) = -155,29 + 10. lg(1/ 0,65 -1 ) = -161,98 (dBm/Hz) fr : hệ số sử dụng lại tần số (fr = 0,6) • Mật độ nhiễu tổng cộng Itr = 10 lg (100,1. Iutr + 100,1. Ictr ) = 10 lg (100.1 * (-155,29) + 100,1 * (-161,98) = -157,42 (dBm/Hz) • Mật độ tạp âm nhiệt N0 = 10 lg (290 * 1,38 . 10 -23) + Nf + 30 = 10 lg (290 * 1,38 * 10 -23) + 5 + 30 = -168,98 (dBm/Hz) Nf : tạp âm của máy thu BS 2900 K • Mật độ phổ công suất nhiễu I0 = 10 lg ( 10 0,1. Itr + 10 0,1. N0 ) = 10 lg ( 10 0,1.(-157,42) + 10 0,1.(-168,98)) = -157,13 (dBm/Hz) • Hệ số trải phổ hay (dB) • Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR hay SIR = SF (dB) + Pr (dB) - Io - 10. lg(Bw) = 14,25 - 96 - (-157,13) - 10. lg(3840000) = 9,53 (dB) 4.3. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ● Sử dụng ngôn ngữ lập trình Visual Basic6.0 để mô phỏng : Ngôn ngữ lập trình Visual basic 6.0 là một sản phẩm của Microsoft, chạy trên môi trường window 95 trở lên lập trình theo kiểu hướng đối tượng. Là một công cụ hỗ trợ mạnh về giao diện. Giúp người lập trình mô phỏng một cách trực quan. Ngôn ngữ lập trình dễ hiễu dễ sử dụng. Với đề tài này, sử dụng ngôn ngữ Visual Basic 6.0 là giải pháp thích hợp ● Quy trình thực hiện mô phỏng Nhập số lượng UE có kết nối với nút B phục vụ 0 ≤ N ≤ 100 Nhập các thông số của UE Nhập các thông số của Node B ( trạm gốc ) Mô phỏng này có hỗ trợ ba bộ số liệu tham khảo tương ứng với tốc độ 12,2 kbps ,128kbps ,384 bps và cho phép một số hệ số điều khiển khác ●Hai thuật toán sử dụng trong mô phỏng + Thuật toán điều khiển công suất theo bước động + Thuật toán điều khiển công suất phân tán Hai thuật toán này đã được trình bày chi tiết trong chương 3 Kết quả mô phỏng: ◊ Form giới thiệu ◊ Form nhập số liệu ◊ Form tính toán ◊ Form vẽ đồ thị 4.4. ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG Điều khiển công suất là một vấn đề rất quan trọng đem lại lợi thế to lớn cho hệ thống thông tin di động trong việc nâng cao dung lượng, chất lượng của hệ thống và hạn chế can nhiễu mà không đòi hỏi nâng cấp công nghệ. Kỹ thuật điều khiển công suất theo bước động DSSPC dựa trên tham số tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa SIR để điều khiển công suất truyền bằng cách dùng khái niệm ngưỡng nhiều mức. Tốc độ điều chỉnh công suất cũng rất nhanh. Do đó phương pháp này có khả năng chi phối linh hoạt sự thay đổi fading của tín hiệu truyền hơn các phương pháp truyền thống. Kỹ thuật điều khiển công suất phân tán DPC không yêu cầu thông tin trạng thái tập trung tất cả các kênh riêng lẻ. Thay vào đó, nó có thể thích nghi các mức công suất nhờ sử dụng các phép đo vô tuyến cục bộ, chú ý tới thay đổi chất lượng dịch vụ đồng thời giải quyết hiệu ứng tồn tại trong hệ thống tế bào. Tuy nhiên, phương pháp này không xét đến sự liên quan giữa các kết nối mới cho QoS của các kết nối hiện hữu và cần nhiều thời gian hơn để tối ưu hoá mức SIR. Trong chương này đã tính toán cụ thể tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR, các mức công suất điều chỉnh và kết quả được thể hiện qua chương trình mô phỏng. Tuy nhiên trong thực tế tính toán điều khiển công suất phải tính đến sự ảnh hưởng của các tham số khác nên hai phương pháp điều khiển này hy vọng sẽ là cơ sở nghiên cứu nhằm điều khiển công suất cho một số hệ thống thông tin di động hiện nay. Ngoài ra các tham số mô phỏng chỉ là các tham số chọn lọc từ các bài báo nghiên cứu nên các kết quả tính chưa chính xác với thực tế. 4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG Dựa vào các thông số được chọn lọc kỹ từ các tài liệu, chương này đã tính toán cụ thể được tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR, công suất trước khi điều khiển và công suất điều chỉnh tối ưu của hai thuật toán điều khiển công suất DSSPC và DPC. Các kết quả đó được biểu diễn dưới dạng đồ thị thể hiện khả năng điều chỉnh công suất truyền của hai phương pháp là khác nhau. Từ đó thấy được khả năng tối ưu và độ ổn định của cả hai phương pháp điều khiển công suất so với các phương pháp điều khiển công suất truyền thống. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận: •Với nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng thi 3G đã và đang phát triển để đáp ứng. • Kỹ thuật điề khiển công suất là một khâu vô cùng quan trong trong hệ thống thông tin di động thế hệ 3. Hướng phát triển đề tài: •Cần mở rộng nghiên cứu các giải pháp công nghệ mới đặc biệt là Anten thông minh kết hợp trong điều khiển công suất. •Đề tài là nền tản để nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển công suất trong 4G. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt: [1] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, Nhà xuất bản Bưu Điện, 02-2003 [2] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Bài giảng giới thiệu công nghệ 3G WCDMA UMTS”,tháng 6 – 2009 [3] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động thế hệ 3 “, Tập 1, Tập 2 Nhà xuất bản Bưu Điện, 12-2001 [4] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “cdmaOne và cdma2000”, Tập 1, Nhà xuất bản Bưu Điện, 07 -2003 [5] TS Trần Hồng Quân, PGS. TS Nguyễn Bính Lân, KS Lê Xuân Công, KS Phạm Hồng Kỳ, “Thông tin di động”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. [6] Nguyễn Ngô Hồng,Bài báo “Mối quan hệ và sự khác biệt giữa UMTS và WCDMA”, Tạp chí bưu chính viễn thông kỳ 1, 8 – 2003 [7] KS Nguyễn Thanh Hải, Bài báo “Điều khiển công suất và quản lý tài nguyên vô tuyến đối với hệ thống thông tin vô tuyến CDMA đa phương tiện” [8] Ngô Hán Chiêu, Trần Quý, Ngô Duy Tân, Bài báo “Điều khiển công suất trong thông tin di động DS/CDMA Tài liệu tiếng anh [9 ]WCDMA for UMTS radio for third generation Mobile communication [10] Prof. Riku Jantti, “Wideband Code Division Multiple Access Systems 2 cr” [21] “WCDMA network planning” Một số Website tham khảo : [11] [12] [13] [14]