Cải thiện chuyển giao mềm trong HSDPA (high speed downlink packet access)

Chuyển giao mềm là loại chuyển giao với các ưuđiểm vượt trội như: ít ảnh hưởng của hiệu ứng “ping pong”, sử dụng ít tải báo hiệu,việc truyền dữ liệu liên tục không có gián đoạn kết nối q

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

6

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Hứa Quốc Vĩ Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 07/02/1983 Nơi sinh: TPHCM Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử MSHV: 01408389

1- TÊN ĐỀ TÀI:

CẢI THIỆN CHUYỂN GIAO MỀM TRONG HSDPA

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

− Tìm hiểu công nghệ UMTS/HSDPA.

− Tìm hiểu các kỹ thuật chuyển giao.

− Nghiên cứu cơ chế chuyển giao mềm trong HSDPA.

− Nghiên cứu các ưu, nhược điểm của chuyển giao mềm trong hệ thống HSDPA.

− Đề xuất hướng cải thiện cho chuyển giao trong hệ thống HSDPA.

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2010

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 15/10/2010

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):

PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN.

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

Trước tiên là cô PGS.TS Phạm Hồng Liên, người đã nhiệt tình hướng dẫn tácgiả hiểu được vấn đề và thực hiện luận văn này.

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong hội đồng đã nhận xét, phản biệnnghiêm túc và giúp hoàn chỉnh luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã cùng sátcánh bên tôi trong việc giải quyết các vấn đề khoa học nảy sinh khi nghiên cứu đểtác giả có được lời giải đáp, tiếp tục hướng con đường nghiên cứu để đạt kết quảcuối cùng, hoàn thành hướng nghiên cứu của mình

Công trình này đã hoàn thành trong sự chờ đón, động viên và chia sẻ củanhững người thân trong gia đình, những người đồng nghiệp và những người bạn.Cảm ơn mọi người đã luôn bên tôi trong những lúc này

TP HCM, tháng 1/2011

Hứa Quốc Vĩ

Luận văn này là kết quả quá trình tích góp những nghiên cứu từ các bài báokhoa học trên tạp chí IEEE, từ các ebook về hệ thống UMTS/HSDPA, các ebook về

kỹ thuật chuyển giao ứng dụng trong hệ thống thông tin di động, các tư liệu đã đềcập trong phần tài liệu tham khảo Những kết quả nêu ra trong luận án là thành quảlao động của cá nhân tác giả dưới sự giúp đỡ quý báu của giáo viên hướng dẫnPGS.TS Phạm Hồng Liên, các thầy cô, các đồng nghiệp cùng bạn bè lớp cao họcđiện tử 2008 Tác giả xin cam đoan luận văn này hoàn toàn không sao chép lại bất

kì một công trình nào đã có từ trước

Thông tin di động là lĩnh vực được nghiên cứu rất nhiều từ trước đến nay.Trong đó chuyển giao di động là tính năng cần thiết cho việc quản lý tính di độngcủa các thuê bao di động trong bất kỳ mạng di động từ thế hệ 2G, 3G và cao hơn là4G, LTE (Long Term Evolution) Chuyển giao mềm là loại chuyển giao với các ưuđiểm vượt trội như: ít ảnh hưởng của hiệu ứng “ping pong”, sử dụng ít tải báo hiệu,việc truyền dữ liệu liên tục không có gián đoạn kết nối quá lâu, thời gian trễ thấpđạt được độ lợi phân tập cực đại, nhiễu đường lên cũng được cải thiện làm cho chấtlượng thông tin và dung lượng tốt hơn với cùng chất lượng phục vụ Qos…Tuynhiên chuyển giao mềm vẫn có nhược điểm là phức tạp hơn chuyển giao cứng, tiêutốn tài nguyên về mã và công suất trên đường xuống.

Xuất phát từ nhược điểm đó, trong luận văn này tác giả tìm cách đánh giá hệthống khi cải tiến hệ thống HSDPA không có hỗ trợ chuyển giao mềm thành hỗ trợchuyển giao mềm với việc tận dụng lại kênh điều khiển dành riêng DCH (DedicatedControl Channel) làm kênh phụ để chuyển tiếp từ kênh HS-DSCH (High SpeedDownlink Shared Channel) sang DCH (Release 99) Việc chuyển giao mềm từ HS-DSCH sang DCH về nguyên tắc giống như chuyển giao mềm trong hệ thốngUMTS/WCDMA vì vậy dựa trên cơ sở đó tác giả đã đánh giá các yếu tố như xácsuất vùng phủ soft handover (SHO) cho MS, theo vùng, chi phí chuyển giao mềm(SHO overhead) Hơn nữa tác giả cũng trình bày kết quả trace của MS khi dichuyển dọc các trạm gốc (base station) dựa vào tín hiệu nhận CPICH (CommonPilot Channel) mạnh nhất

DANH MỤC BẢNG BIỂU 3

DANH SÁCH HÌNH VẼ 4

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 6

1.1 Lý do chọn đề tài 6

1.2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 6

1.2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 7

1.3.1 Ý nghĩa khoa học 7

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn 7

1.4 Bố cục của luận văn 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Giới thiệu 9

2.1.1 Công nghệ UMTS 9

2.1.2 Tổng quan về chuyển giao [2] 17

2.1.3 Thủ tục và phép đo chuyển giao [2] 19

2.1.4 Chuyển giao mềm trong hệ thống UMTS/WCDMA [2] 20

2.1.5 So sánh ưu, nhược điểm của chuyển giao cứng và chuyển giao mềm [2] .28

2.2 Hệ thống HSDPA [1] 30

2.2.1 Truyền dẫn kênh chia sẻ 31

2.2.4 Trình tự nhanh và hợp lý tại node B 36

2.2.5 Lựa chọn cell nhanh (Fast cell site selection) 37

2.2.6 Thời gian truyền dẫn ngắn (TTI: Time Tranmission Interval) 37

2.2.7 Điều khiển công suất (Power Control) 38

2.2.8 Chuyển giao trong HSDPA 39

2.2.9 Một số kết quả mô phỏng [3] 43

CHƯƠNG 3 CẢI THIỆN CHUYỂN GIAO MỀM TRONG HỆ THỐNG UMTS/HSDPA 49

3.1 Giới thiệu chung 49

3.2 Sơ đồ mạng UMTS/HSDPA 49

3.3 Chương trình mô phỏng chuyển giao mềm trong mạng HSDPA 49

3.3.1 Giới thiệu tổng quát quá trình mô phỏng 49

3.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển giao mềm 52

3.3.3 Lưu đồ giải thuật của chương trình 59

3.3.4 Mô phỏng 63

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

4.1 Kết quả đạt được 84

4.2 Kiến nghị 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC 86

TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC 87

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

AMC Adaptive Modulation and Coding

CCPCH Common Control Physical CHannel

CDMA Code Division Multiple Access

CQI Channel quality indicatorDCH Dedicated Control ChannelDPCCH Dedicated Physical Control Channel

DRNC Destination Radio Network ControllerDTX Discontinuous transmissionEDGE Enhanced Data Rates for GSM EvolutionFCSS Fast Cell Site Selection

FDD Frequency Division DuplexGERAN GSM EDGE Radio Access Network

GPRS General Packet Radio ServiceGSM Global System for Mobile Communications

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HS-DPCCH High Speed Dedicated Physical Control

ChannelHS-PDSCH High-Speed Physical Downlink Shared

ChannelHS-SCCH High Speed Shared Control Channel

IFHO Inter frequency Handover

QAM Quadrature Amplitude ModulationQPSK Quadrature Phase Shift Keying

RLC UM Unacknowleged Mode Radio Link Control

RNC Radio Network Controller

RRC Radio Resource ControlRRM Radio Resource ManagementS-CCPCH Secondary Common Control Physical ChannelSGSN Serving GPRS Support Node

SRNC Source Radio Network Controller

TDMA Time Division Multiple Access

TTI Time Tranmission Interval

UMTS Universal Mobile Telephony SystemUTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network

WCDMA Wideband Code Division Multiple Access

3GPP 3rd Generation Mobile System

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Các kênh logic và ứng dụng của chúng 12

Bảng 2 2 Danh sách các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng 14

Bảng 2 3 Ứng dụng của các kênh vật lý 16

Bảng 2 4 Thông lượng ứng với các phương thức điều chế khác nhau 33

Bảng 2 5 Tóm tắt các loại chuyển giao khác nhau cho HSDPA 40

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2 1 Kiến trúc mạng UMTS 9

Hình 2 2 Chức năng chính của RRM 11

Hình 2 3 Ánh xạ các kênh logic vào kênh truyền tải 14

Hình 2 4 Danh sách các kênh vật lý 15

Hình 2 5 Ánh xạ các kênh truyền tải vào kênh vật lý 16

Hình 2 6 Thủ tục và phép đo chuyển giao 20

Hình 2 7 Điều kiện kích hoạt chuyển giao cứng 22

Hình 2 8 So sánh chuyển giao cứng và chuyển giao mềm 22

Hình 2 9 Nguyên lý chuyển giao mềm (trường hợp 2 đường) 24

Hình 2 10 Thuật toán chuyển giao mềm của IS-95A 25

Hình 2 11 Thuật toán chuyển giao mềm WCDMA 26

Hình 2 12 Giảm nhiễu hướng lên bằng cách sử dụng SHO 28

Hình 2 13 Hiệu quả phổ HSDPA 30

Hình 2 14 Độ trễ tín hiệu trên đường truyền đối với các công nghệ khác nhau 30

Hình 2 15 Thời gian và bộ mã được chia sẻ trong HS-DSCH 31

Hình 2 16 Cơ cấu truyền dẫn HS-DSCH 32

Hình 2 17 Quá trình truyền lại block dữ liệu IR 35

Hình 2 18 Trình tự nhanh và hợp lý 37

Hình 2 19 Biểu diễn cắt giảm công suất sóng mang để điều khiển truy nhập 39

Hình 2 20 Sự kiện đo và báo cáo cell (ô) phục vụ HS-DSCH tốt nhất 40

Hình 2 21 Chuyển giao HS-DSCH giữa hai cell thuộc cùng một node B (nút B) 41 Hình 2 22 Chuyển giao HS-DSCH giữa các cell thuộc hai RNC khác nhau 42

Hình 2 23 Độ lợi chuyển giao mềm ở UL 43

Hình 2 24 Vùng chuyển giao mềm đối với AS_Th = 3dB and AS_Max_Size=3 46

Hình 2 25 Sự tăng công suất là hàm của tham số As_Th 47

Hình 2 26 Độ lợi dung lượng chuyển giao mềm so với chuyển giao cứng 48

Hình 3.1 Sơ đồ mạng UMTS/HSDPA 49

Hình 3.2 Giao diện chính mô phỏng 50

Hình 3.3.Thể hiện vùng phủ theo khu vực 51

Hình 3 4 Trace tín hiệu mà MS nhận được khi di chuyển qua nhiều BS 51

Hình 3 5 Soft handover overhead 55

Hình 3 6 Ma trận rxLevel1 thể hiện kết nối SHO với BS2 và BS2y 55

Hình 3 7 Ma trận rxLevel2 56

Hình 3 8 Hình vẽ thể hiện mức độ mạnh yếu của công suất phát theo màu sắc của từng BS .67

Hình 3 9 Kết nối giữa MS4 với best server BS9 ở DL 67

Hình 3 10 Kết nối SHO với 2 BS11, BS16 68

Hình 3 11 Vùng phủ SHO trong cửa sổ WINDOW_ADD = -3 dB và mức tín hiệu nhận CPICH 68

Hình 3 12 Vùng phủ SHO cho WINDOW_ADD = -3 dB 69

Hình 3 13 Chi phí SHO theo từng trạm gốc ứng với WINDOW_ADD= -3 dB 69Hình 3 14 Xác suất SHO cho các user phục vụ theo tỷ lệ % kết nối BS-MS vớiWINDOW_ADD = -3dB 70Hình 3 15 Xác suất SHO cho các user phục vụ theo từng loại kết nối SHO vớiWINDOW_ADD = -3dB 71Hình 3 16 Kích thước active set cho mỗi pixel, WINDOW_ADD= -3 dB 71Hình 3 17 Xác suất n kênh CPICH trong WINDOW_ADD=-3 dB ứng với activeset 72Hình 3 18 Vùng phủ CPICH Ec/Io ứng với WINDOW_ADD= -3 dB 72Hình 3 19 Mật độ công suất tích lũy CPICH Ec/Io ứng với active set đã cho 73Hình 3 20 Công suất phát bắt buộc cho mỗi link ứng với WINDOW_ADD= -3 dB

và active set đã cho 73Hình 3 21 Hàm mật độ công suất tích lũy bắt buộc cho mỗi link theo vùng dướicông suất phát CPICH_BS11 với WINDOW_ADD= -3 dB 74Hình 3 22 Đường đi của MS ngang qua vùng phủ của các BS với

WINDOW_ADD= -3 dB 75Hình 3 23 Tín hiệu CPICH nhận được khi MS di chuyển qua vùng phủ của các BSvới WINDOW_ADD= -3 dB 75Hình 3 24 Vùng phủ SHO trong cửa sổ WINDOW_ADD = -6 dB và mức tín hiệunhận CPICH .76Hình 3 25 Vùng phủ SHO cho WINDOW_ADD = -6 dB 77Hình 3 26 Chi phí SHO theo từng trạm gốc ứng với WINDOW_ADD= -6 dB 77Hình 3 27 Xác suất SHO cho các user phục vụ theo tỷ lệ % kết nối BS-MS vớiWINDOW_ADD= -6 dB 78Hình 3 28 Xác suất SHO cho các user phục vụ theo từng loại kết nối SHO vớiWINDOW_ADD= -6 dB 78Hình 3 29 Giữ nguyên kích thước active set thay đổi WINDOW_ADD= -6 dB 79Hình 3 30 Xác suất n kênh CPICH trong WINDOW_ADD = -6 dB 79Hình 3 31 Vùng phủ CPICH Ec/Io ứng với WINDOW_ADD= -6 dB 80Hình 3 32 Mật độ công suât tích lũy CPICH Ec/Io ứng với WINDOW_ADD = -6dB 80Hình 3 33 Hàm mật độ công suất tích lũy bắt buộc cho mỗi link theo vùng dướicông suất phát CPICH_BS11 ứng với WINDOW_ADD= -6 dB 81Hình 3 34 Đường đi của MS ngang qua vùng phủ của các BS với

WINDOW_ADD= -6 dB 81Hình 3 35 Tín hiệu CPICH nhận được khi MS di chuyển qua vùng phủ của các BSvới WINDOW_ADD= -6 dB 82Hình 3 36 Thay đổi kích thước active set lớn 83Hình 3 37 Xác suất n kênh CPICH khi tăng kích thước active set 83

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay với sự xuất hiện ngày càng nhiều các thiết bị đầu cuối di động chophép thuê bao truy xuất các dịch vụ trong khi di chuyển Điều này dẫn đến sựphát triển nhanh chóng của các công nghệ di động từ thế hệ 2G->3G và hơnnữa với mục đích là cải thiện tốc độ truy xuất dữ liệu, thời gian trễ và mất gói.Tính năng chuyển giao là vô cùng cần thiết để phục vụ cho việc di động của cácthuê bao So với chuyển giao cứng truyền thống sử dụng mạng di động GSMthì chuyển giao mềm sử dụng trong IS-95 (CDMA) và cho mạng 3G UMTS cóhiệu suất tốt hơn cả về cấp độ đường dẫn và hệ thống

So với các nghiên cứu trước đây thì chuyển giao mềm đều đi sâu vào hướnglên Tuy nhiên mạng di dộng tương lai thì vấn đề cải thiện đường xuống cầnquan tâm hơn bởi tính năng bất đối xứng của các dịch vụ mới điển hình làInternet Trên cơ sở đó, luận án sẽ tập trung nghiên cứu vào các đặc tính cảithiện của chuyển giao mềm và ảnh hưởng của nó đến dung lượng, hiệu suấtđường xuống trong mạng UMTS

1.2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Cải thiện vùng phủ chuyển giao mềm, xác suất chuyển giao mềm, hiệu quả sửdụng tài nguyên chuyển giao trong hệ thống UMTS/HSDPA

Mô phỏng bằng phần mềm MATLAB

1.2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận án này tập trung vào hệ thống UMTS/HSDPA dùng thuật toán chuyển giaomềm ở đường xuống

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

1.3.1 Ý nghĩa khoa học

Chuyển giao mềm (SHO) là loại chuyển giao có ưu điểm ít ảnh hưởng “ping pong”nên sử dụng ít tải báo hiệu Hơn nữa truyền liên tục, không có sự gián đoạn quá lâutrong quá trình chuyển giao, nhiễu đường lên cũng được cải thiện

Việc ứng dụng chuyển giao mềm trong HSDPA mang lại một số ưu điểm như giảmthiểu trễ (delay) hơn so với chuyển giao cứng, phù hợp với ứng dụng Voip và cácdịch vụ đa phương tiện

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Với đà phát triển mạnh mẽ của công nghệ 3G ở Việt Nam, nhiều nhà khai thác diđộng đã tập trung vào việc cải thiện hệ thống 3G để đạt dung lượng, vùng phủ, giảmthiểu được nhiễu, có chất lượng tốt như hệ thống 2G hiện tại Để làm được điều đó,thì việc ứng dụng chuyển giao mềm vào hệ thống UMTS/HSDPA thực sự có ýnghĩa và cần được nghiên cứu kỹ

1.4 Bố cục của luận văn

Đề tài sẽ trình bày cơ chế hoạt động của chuyển giao mềm trong hệ thống UMTS.Sau đó tập trung vào việc mô phỏng phân tích, đánh giá vùng phủ, xác suất chuyểngiao mềm, hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng của chuyển giao mềm ở đường xuốngqua mô hình GUI phân bố trạm gốc Đề tài gồm các phần chính sau:

Chương 1: Mở đầu

Chương này trình bày tổng quan, mục đích, yêu cầu của các phần được nghiên cứutrong luận văn

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày tổng quan về công nghệ UMTS, các kỹ thuật chuyển giao, nguyên lý vàthuật toán chuyển giao mềm Trong chương này sẽ đề cập đến công nghệ truy cậpgói đường xuống (HSDPA) và các kỹ thuật chuyển giao của nó

Chương 3: Cải thiện chuyển giao mềm trong mạng UMTS/HSDPA

Dựa vào một số kết quả mô phỏng của các nghiên cứu gần đây, tác giả đưa ra cơchế cải thiện chuyển giao mềm trong HSDPA như sau:

Xây dựng mô hình giao diện phân bố trạm gốc và thay đổi từng tham số mô phỏng.Thay đổi WINDOW_ADD= -3dB -> -6dB để đánh giá xác suất SHO cho các userphục vụ theo tỷ lệ % kết nối BS-MS, xác suất SHO cho các user phục vụ theo từngloại kết nối SHO với kích thước active set đã cho, xác suất n kênh CPICH trongWINDOW_ADD, vùng phủ CPICH Ec/Io, mật độ công suất tích lũy CPICH Ec/Ioứng với active set, công suất phát bắt buộc cho mỗi link ứng với WINDOW_ADDcủa BS cụ thể

Thay đổi WINDOW_ADD= -3dB -> -6dB, tác giả cũng trình bày kết quả trace tínhiệu CPICH nhận được khi MS di chuyển qua vùng phủ của các BS

Thay đổi kích thước active set size để đánh giá lại xác suất SHO cho các user phục

vụ theo khu vực

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Đánh giá và nhận xét dựa trên kết quả mô phỏng khi thay đổi tham số

Khi thay đổi WINDOW_ADD từ -3 dB -> -6 dB thì khả năng SHO nhiều đồngnghĩa với chi phí SHO overhead tăng nhiều, và công suất phát tích lũy trên mỗi linkvới WINDOW_ADD =-6 dB sẽ tốn nhiều công suất hơn so với WINDOW_ADD =-3 dB với cùng vùng phủ theo chỉ tiêu

Khi thay đổi active set từ nhỏ đến lớn thì xác suất n kênh CPICH trongWINDOW_ADD sẽ tăng lên, tuy nhiên khi tăng quá lớn thì xác suất không cải thiện

do bị giới hạn

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu

2.1.1 Công nghệ UMTS

Hệ thống thông tin di động toàn cầu có thể sử dụng hai kiểu RAN [4]:

+ Kiểu thứ nhất sử dụng đa truy nhập WCDMA (đa truy nhập phân chia mãbăng rộng) được gọi là UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Network: mạngtruy nhập vô tuyến mặt đất của UMTS)

+ Kiểu thứ hai sử dụng đa truy nhập TDMA được gọi là GERAN (GSMEDGE Radio Access Network: mạng truy nhập vô tuyến dựa trên công nghệEDGE của GSM)

Về mặt chức năng, cấu trúc mạng 3G UMTS/WCDMA gồm hai phần: mạnglõi (CN) và mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụngtoàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS còn mạng truy nhập vô tuyến làphần nâng cấp của WCDMA Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trongWCDMA còn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sửdụng với hệ thống Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồmnhững giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến WCDMA,trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM Điều này chophép hệ thống W-CDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệGSM

Hình 2 1 Kiến trúc mạng UMTS

Đặc điểm chính của công nghệ WCDMA

- WCDMA (Wideband CDMA) là công nghệ thông tin di động thế hệ bagiúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹthuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA Trong cáccông nghệ thông tin di động thế hệ ba thì WCDMA nhận được sự ủng hộ lớnnhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụkhác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình

- WCDMA là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp, cótốc độ bit lên cao (lên đến 2 Mbps), tốc độ chip 3,84 Mcps với độ rộng sóngmang 5 MHz, do đó hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao đem lại nhiều lợi ích như độ lợi

đa phân tập

- Hỗ trợ tốc độ người sử dụng thay đổi liên tục Mỗi người sử dụng cung cấpmột khung, trong khung đó tốc độ dữ liệu giữ cố định nhưng tốc độ có thểthay đổi từ khung này đến khung khác

- Hỗ trợ hai mô hình vô tuyến FDD và TDD Trong mô hình FDD sóngmang 5 MHz sử dụng cho đường lên và đường xuống, còn trong mô hìnhTDD sóng mang 5 MHz chia sẻ theo thời gian giữa đường lên và đườngxuống

- WCDMA hỗ trợ hoạt động không đồng bộ của các trạm gốc, do đó dễ dàngphát triển các trạm gốc vừa và nhỏ

- WCDMA sử dụng tách sóng có tham chiếu đến sóng mang dựa trên kênhpilot, do đó có thể nâng cao dung lượng và vùng phủ

- Dễ dàng nâng cấp hơn các hệ thống CDMA như tách sóng đa người sửdụng, sử dụng anten thông minh để nâng cao dung lượng và vùng phủ

- Được thiết kế tương thích với GSM để mở rộng vùng phủ sóng và dunglượng của mạng

- Lớp vật lý mềm dẻo dễ tích hợp được tất cả thông tin trên một sóng mang

- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1

- Hỗ trợ phân tập phát và các cấu trúc thu tiên tiến

Nhược điểm chính của WCDMA là hệ thống không cho phép trong băngTDD phát liên tục cũng như không tạo điều kiện cho các kỹ thuật chốngnhiễu các môi trường làm việc khác nhau

Hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA có thể cung cấp các dịch vụvới tốc độ bit lên đến 2 Mbps Bao gồm nhiều kiểu truyền dẫn như truyềndẫn đối xứng và không đối xứng, thông tin điểm đến điểm và thông tin đađiểm Với khả năng đó, các hệ thống thông tin di động thế hệ ba có thể cungcấp dễ dàng các dịch vụ mới như: điện thoại thấy hình, tải dữ liệu nhanh,ngoài ra nó còn cung cấp các dịch vụ đa phương tiện khác

Quản lý tài nguyên vô tuyến RRM

Cải thiện sử dụng tối ưu tài nguyên vô tuyến bao gồm các chức năng chínhcủa RRM như điều khiển công suất, điều khiển chuyển giao, điều khiển thâmnhập và điều khiển tải

Hình 2 2 Chức năng chính của RRM

Các kênh của WCDMA [4]

Kênh vật lý (PhCH) Kênh mang số liệu trên giao diện vô tuyến Mỗi PhCH

có một mã trải phổ định kênh duy nhất để phân biệt với kênh khác Mộtngười sử dụng tích cực có thể sử dụng các PhCH riêng, chung hoặc cả hai

Kênh riêng là kênh PhCH dành riêng cho một UE còn kênh chung được chia

sẻ giữa các UE trong một cell

Kênh truyền tải (TrCH) Kênh do lớp vật lý cung cấp cho lớp 2 để truyền số

liệu Các kênh TrCH được sắp xếp lên các PhCH

Kênh Logic (LoCH) Kênh được lớp con MAC của lớp 2 cung cấp cho lớp

cao hơn Kênh LoCH được xác định bởi kiểu thông tin mà nó truyền

Chia 2 nhóm: các kênh điều khiển (CCH: Control Channel) để truyền thôngtin điều khiển và các kênh lưu lượng (TCH: Traffic Channel) để truyền thôngtin của người sử dụng Các kênh logic và ứng dụng của chúng được tổng kếttrong bảng 2.1

Nhóm kênh Kênh logic Ứng dụng

Kênh đường xuống để phát

quảng bá thông tin hệ thống PCCH (Paging Control

Channel): Kênh điều khiển

tìm gọi

Kênh đường xuống để phát

quảng bá thông tin tìm gọi CCCH (Common Control

Channel): Kênh điều khiển

chung

Kênh 2 chiều để phát thông

tin điều khiển giữa mạng và các UE Được sử dụng khi

không có kết quả RRC hoặc khi truy nhập cell mới DCCH (Dedicated Control

Channel) : Kênh điều khiển

riêng

Kênh 2 chiều điểm-điểm

phát thông tin điều khiển

Kênh 2 chiều điểm-điểm

riêng cho UE để truyền

thông tin của người sử dụng Tồn tại cả đường lên và

đường xuống.

CTCH (Common Trafffic

Channel): Kênh lưu lượng

chung

Kênh 1 chiều điểm-đa điểm

để truyền thông tin của tất

Các kênh truyền tải (TrCH)

Các kênh logic được lớp MAC chuyển đổi thành các kênh truyền tải Tồn tạihai kiểu kênh truyền tải: các kênh riêng và các kênh chung Điểm khác nhaugiữa chúng là với kênh chung thì tài nguyên được chia sẻ cho tất cả hoặc mộtnhóm các người sử dụng trong cell, còn kênh riêng được ấn định riêng chomột người sử dụng duy nhất Các kênh truyền tải chung bao gồm: BCH(Broadcast channel: Kênh quảng bá), FACH (Fast Access Channel: Kênhtruy nhập nhanh), PCH (Paging Channel: Kênh tìm gọi), DSCH (Down LinkShared Channel: Kênh chia sẻ đường xuống), CPCH (Common PacketChannel: Kênh gói chung) Kênh riêng chỉ có một kênh duy nhất là DCH(Dedicated Channel: Kênh riêng) Kênh truyền tải chung có thể được ápdụng cho tất cả các người sử dụng trong cell hoặc cho một user hoặc nhiềuuser

Khi kênh truyền tải chung được sử dụng để phát thông tin cho tất cả cácngười sử dụng thì kênh này không cần có địa chỉ Chẳng hạn kênh BCH đểphát thông tin quảng bá cho tất cả các người sử dụng trong cell Khi kênhtruyền tải chung áp dụng cho một người sử dụng đặc thù, thì cần phát nhậndạng người sử dụng trong băng, điển hình như kênh PCH được sử dụng đểtìm gọi

Danh sách các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng dược cho ở bảng 2.2

Kênh truyền tải Ứng dụng

DCH (Dedicated Channel)

:Kênh riêng

Kênh 2 chiều dùng phát số liệu của người dùng Được ấn

định riêng cho người dùng Có khả năng thay đổi tốc độ và điều khiển công suất nhanh.

BCH (Broadcast Channel):

Kênh quảng bá

Kênh chung đường xuống để phát thông tin quảng bá

(chẳng hạn thông tin hệ thống, thông tin cell) FACH (Fordware Access

Channel) :Kênh truy nhập

đường xuống

Kênh chung đường xuống để phát thông tin điều khiển và

số liệu của người dùng Kênh chia sẻ chung cho nhiều UE,

được sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp cho lớp cao hơn.

PCH (Paging Channel):

Kênh quảng bá

Kênh chung đường xuống để phát các tín hiệu tìm gọi

RACH (Random Access

Channel) :Kênh truy nhập

ngẫu nhiên

Kênh chung đường lên để phát thông tin điều khiển và số

liệu người dùng trong truy cập ngẫu nhiên và sử dụng để truyền số liệu tốc độ thấp.

CPCH (Common Packet

Channel): Kênh gói chung

Kênh chung đường lên để phát số liệu người dùng trong

truy cập ngẫu nhiên và sử dụng trước hết để truyền số liệu cụm.

DSCH (Downlink Shared

Channel): Kênh chia sẻ

đường xuống)

Kênh chung đường xuống để phát số liệu gói Chia sẻ cho

nhiều UE, sử dụng trước hết cho truyền số liệu tốc độ cao.

Bảng 2 2 Danh sách các kênh truyền tải và ứng dụng của chúng

Các kênh logic được chuyền thành các kênh truyền tải như cho trên hình 2.3

Hình 2 3 Ánh xạ các kênh logic vào kênh truyền tải

Các kênh vật lý

Một kênh vật lý được coi là tổ hợp của tần số, mã ngẫu nhiên, mã định kênh

và cả pha tương đối (đối với đường lên) Kênh vật lý (Physical Channel) baogồm các kênh vật lý riêng DPCH: Dedicated Physical channel) và kênh vật

lý chung CPCH (Common Physical Channel) Các kênh vật lý được tổng kết

ở hình 2.4 và bảng 2.3

Hình 2 4 Danh sách các kênh vật lý

Kênh truyền tải Ứng dụng

DPCH (Dedicated Physical

Channel) :Kênh vật lý riêng

Kênh 2 chiều được ấn định riêng cho người dùng Gồm

DPDCH và DPCCH Trên đường xuống DPDCH và

DPCCH ghép theo thời gian với ngẫu nhiên phức hóa còn

trên đường lên ghép mã I/Q với ngẫu nhiên phức hóa.

DPDCH (Dedicated Physical

Data Channel): Kênh vật lý

số liệu riêng

Khi sử dụng DPCH, mỗi UE được ấn định ít nhất 1

DPDCH Kênh được sử dụng để phát số liệu người dùng từ

lớp cao hơn.

DPCCH (Dedicated Physical

Control): kênh vật lý riêng

Khi sử dụng DPCH, mỗi UE chỉ ấn định 1 DPCCH Kênh

được sử dụng để điều khiển lớp vật lý của DPCH DPCCH

là kênh đi kèm chứa các ký hiệu mã hóa pilot, các ký hiệu

điều khiển công suất.

PRACH (Physical Random

Access Channel): kênh vật lý

truy cập ngẫu nhiên

Kênh chung đường lên, sử dụng để mang kênh truyền tải

CPICH (Common Pilot

Channel): kênh pilot chung

Kênh chung đường xuống, có 2 loại kênh: P-CPICH

(Primary CPICH) và S-CPICH (Secondary) S-CPICH đảm bảo tham số nhất quán cho toàn bộ cell để UE thu được SCH.

Common Control Physical

Channel): kênh vật lý điều

khiển chung thứ cấp

Kênh chung đường xuống, một cell có thể có 1 hay nhiều

S-CCPCH, được sử dụng để truyền PCH và FACH.

SCH (synchronization

channel): kênh đồng bộ

Kênh chung đường xuống, có 2 loại: SCH sơ cấp và SCH

thứ cấp Mỗi cell chỉ có 1 SCH sơ cấp vá 1 SCH thứ cấp,

được sử dụng để tìm cell.

PDSCH (Physical Downlink

Shared Channel) kênh vật lý

chia sẻ đưởng xuống.

Kênh chung đường xuống, một cell có nhiều PDSCH hoặc không có, được dùng để mang kênh truyền tải DSCH.

AICH (Acquisition

Indication Channel): kênh chỉ

thị bắt.

Kênh chung đường xuống đi cặp với PRACH, dùng để điều

khiển truy cập ngẫu nhiên của PRACH.

PICH (Page Indication

AP-AICH (Access Preamble

Acquisition Indicator

Channel): kênh chỉ thị tiền tố

truy nhập.

Kênh chung đường xuống đi cặp với PCPCH điều khiển

truy cập ngẫu nhiên cho PCPCH

Kênh chung đường xuống liên kết với AP-AICH để phát

thông tin về trạng thái kết nối của PCPCH.

Bảng 2 3 Ứng dụng của các kênh vật lýCác các kênh truyền tải đựơc chuyển thành các kênh vật lý như trên hình 2.5

Hình 2 5 Ánh xạ các kênh truyền tải vào kênh vật lý

2.1.2 Tổng quan về chuyển giao [2]

Sự di động của các user giữa các cell tạo nên sự thay đổi về chất lượng kếtnối và mức nhiễu Quá trình thay đổi các cell phục vụ cho MS nhằm đảm bảo

sự liên tục kết nối giữa MS và BTS gọi là handover (chuyển giao)

Chuyển giao có thể phân biệt dựa theo các tiêu chí sau:

a Chức năng chuyển giao vị trí

Phân biệt giữa chuyển giao thiết lập từ mạng (mạng sẽ điều khiển) vàchuyển giao khởi tạo từ máy di động (máy di động hoặc mạng sẽ xácđịnh quyết định cuối cùng)

b Thành phần tham gia: intra-cell (trong cùng 1 cell), inter-cell (giữa cáccell) và inter-network (giữa các mạng)

c Số lượng kết nối hoạt động

Chuyển giao cứng chỉ cho phép kết nối tồn tại trong một thời điểm haychuyển giao mềm duy trì cùng lúc một vài kết nối

d Loại dữ liệu trung chuyển: chuyển mạch kênh hay chuyển mạch gói

Những yêu cầu của quá trình chuyển giao:

- Latency (trễ tương đối): khoảng thời gian ảnh hưởng đến quá trình chuyểngiao phải phù hợp với tốc độ di động của máy di động cũng như bản chất dữliệu truyền đi

- Scalability (Khả năng mở rộng): Thủ tục chuyển giao nên hỗ trợ chuyểngiao trong cùng cell và giữa các trạm gốc trong cùng mạng hay khác mạng.Các loại chuyển giao trong mạng di động:

a GSM

2 loại chuyển giao cơ bản: internal và extenal handover

Internal handover (chuyển giao bên trong):

Intra-Cell handover (chuyển giao trong cùng cell): cuộc gọi được chuyển

từ kênh này sang kênh khác trong cùng cell

Inter-Cell handover (chuyển giao giữa các cell): cuộc gọi được chuyển từcell này sang cell khác dưới sự điều khiển của BSC

External handover (chuyển giao bên ngoài):

Intra-MSC handover (chuyển giao cùng MSC): cuộc gọi được chuyểngiữa các BSC khác nhau nhưng cùng một MSC

Inter-MSC handover (chuyển giao khác MSC): cuộc gọi được chuyểngiữa các MSC khác nhau MSC cũ thường gọi là anchor MSC (MSC neo)

và MSC mới gọi là relay MSC (MSC chuyển tiếp)

Các loại chuyển giao trên được khởi tạo bởi máy di động hay MSC Cácmáy di động dùng kỹ thuật TDMA để quét kênh điều khiển quảng báBCCH (broadcast control channel) cho 16 node lân cận và tạo ra 6 cell tốtnhất cho chuyển giao Việc chọn này tùy theo chất lượng của tín hiệu đođược GSM sẽ dùng 2 giải thuật chuyển giao:

Minimum acceptable performance (hiệu suất nhỏ nhất có thể chấp nhậnđược): giải thuật này sẽ dùng điều khiển công suất

Power budget algorithms (các giải thuật về quỹ công suất): cho phép duytrì tín hiệu và công suất có thể chấp nhận được

b UMTS (Universal Mobile Telecommunication System)

Điều khiển chuyển giao của hệ thống viễn thông di động toàn cầu(UMTS) hỗ trợ các loại chuyển giao sau:

 Intra-system HO: xảy ra bên trong 1 hệ thống Có thể chia làm 2 loạiintra-frequency HO và inter-frequency HO

Intra-frequency xảy ra giữa các cell sử dụng cùng sóng mang WCDMAtrong khi inter-frequency xảy ra giữa các cell khác sóng mang WCDMA

 Inter-system HO xảy ra giữa các cell thuộc 2 kỹ thuật truy cập vô tuyến(RAT) như UMTS và GSM/EDGE hay khác mode truy cập vô tuyến(RAM) như FDD/WCDMA và TDD/TD-CDMA

UMTS hỗ trợ cả thủ tục chuyển giao cứng (HHO) và chuyển giao mềm(SHO) Đối với SHO thì các cell được chia thành “Active set” (tập cáccell hoạt động) gồm tất cả cell tham gia vào kết nối chuyển giao mềm củamáy di động và “Neighbor Set”/ “Monitored Set” gồm tất cả các cell hiệnđược giám sát bởi máy di động

Máy di động liên tục đo các tín hiệu của các cell phục vụ và cell lân cận,sau đó gửi chúng đến RNC (Radio Network Controller), RNC sẽ quyếtđịnh SHO Đây còn gọi là chuyển giao đánh giá di động nghĩa là RNC sẽ

ra quyết định cho MS (máy di động) gia nhập hay xóa các cell ra khỏiactive set

Trong trường hợp chuyển giao khác RNC, thì sẽ thực hiện chuyển giaocứng (HHO) thay vì SHO

2.1.3 Thủ tục và phép đo chuyển giao [2]

Thủ tục chia làm 3 giai đoạn: đo lường, quyết định và thực hiện

Trong giai đoạn đo lường, ở hướng xuống, trạm di động thực hiện cácphép đo tỷ số Ec/I0 của kênh pilot chung (CPICH: Common PilotChannel) của cell phục vụ của nó và các cell lân cận Đối với một số loạichuyển giao nào đó, các phép đo khác là hết sức cần thiết Lấy ví dụ trongmạng bất đồng bộ như UTRA FDD (WCDMA), thông tin định thời tươngđối giữa các cell cần được đo để điều chỉnh định thời truyền trong chuyểngiao mềm để cho phép 1 sự kết hợp chặt chẽ ở máy thu

Hình 2 6 Thủ tục và phép đo chuyển giao

Trong giai đoạn quyết định chuyển giao, các kết quả đo lường được so sánhvới ngưỡng được xác định trước và sau đó quyết định có bắt đầu thực hiệnchuyển giao hay không Các giải thuật chuyển giao khác nhau sẽ có các điềukiện kích hoạt khác nhau

Trong giai đoạn thực hiện, quá trình chuyển giao được hoàn thành và cácthông số liên quan cũng được thay đổi tùy theo các kiểu chuyển giao khácnhau Ví dụ, trong giai đoạn thực hiện của chuyển giao mềm, khi trạm diđộng vào hoặc rời bỏ trạng thái chuyển giao mềm thì một trạm gốc mới sẽđược đưa vào hoặc giải phóng, các cài đặt tích cực được cập nhật và côngsuất của mỗi kênh tham gia vào quá trình chuyển giao mềm được điều chỉnh.2.1.4 Chuyển giao mềm trong hệ thống UMTS/WCDMA [2]

Chuyển giao mềm được giới thiệu đầu tiên bởi công nghệ CDMA So vớitiêu chuẩn chuyển giao cứng thì chuyển giao mềm có một số ưu điểm lợi thế

hơn Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm như sự phức tạp và sự tiêuthụ nguồn tài nguyên bổ sung.

Việc quy hoạch tổng phí chuyển giao mềm (soft handover overhead) là mộttrong những thành phần cơ bản của việc quy hoạch và tối ưu hoá mạng vôtuyến Trong phần này sẽ trình bày các nguyên lý cơ bản của chuyển giaomềm

Nguyên lý của chuyển giao mềm

Chuyển giao mềm khác với quá trình chuyển giao cứng truyền thống Vớichuyển giao cứng, việc thực hiện chuyển giao hay không chuyển giao vàtrạm di động chỉ truyền thông với một trạm gốc tại thời gian đó Còn vớichuyển giao mềm, thực hiện quyết định chuyển giao hay là không tùy thuộcvào những thay đổi của cường độ tín hiệu kênh pilot từ 2 hoặc nhiều trạmgốc tham gia vào quá trình, một quyết định tốt nhất cuối cùng sẽ được thựchiện để truyền thông với một và chỉ một trạm gốc mà thôi Và điều nàythường xảy ra sau khi đã chắc chắn rằng tín hiệu đến từ trạm gốc được chọnmạnh hơn tín hiệu đến từ các trạm gốc khác Trong chu kỳ chuyển tiếp củaquá trình chuyển giao mềm, trạm di động truyền thông đồng thời với tất cảtrạm gốc đang kết nối với nó Chuyển giao cứng xảy ra tại một điểm thờigian, trong khi đó chuyển giao mềm kéo dài trong một chu kỳ thời gian.Hình 2.8 đưa ra quá trình chuyển giao cứng và chuyển giao mềm (trườnghợp 2 đường) Giả sử có một đầu cuối di động bên trong chiếc xe hơi dichuyển từ cell 1 đến cell 2, BS1 là trạm gốc ban đầu của trạm di động Trongkhi di chuyển, trạm di động đo đồng thời cường độ tín hiệu kênh pilot nhậnđược từ các trạm gốc lân cận Điều kiện kích hoạt chuyển giao cứng đưa ra ởhình 2.7:

Hình 2 7 Điều kiện kích hoạt chuyển giao cứng

Trong đó (pilot_E c /I 0 ) 1 và (pilot_ E c /I 0 ) 2 lần lượt là tỷ số E c /I 0kênh pilot nhậnđược từ BS1 và BS2, D là số dự trữ trễ

Hình 2 8 So sánh chuyển giao cứng và chuyển giao mềm

Lý do đưa ra độ dự trữ trễ D trong giải thuật chuyển giao cứng là để tránh

ảnh hưởng của hiện tượng “ping-pong”, là hiện tượng mà khi trạm di động di

chuyển trong và ngoài biên giới của cell, thì quá trình chuyển giao cứngthường xuất hiện

Ngoài tính di động của thuê bao, hiện tượng fading của kênh vô tuyến cũng

làm cho ảnh hưởng “ping-pong” càng trở nên nghiêm trọng hơn Bằng việc

đưa ra độ dự trữ trễ D, ảnh hưởng của “ping-pong” sẽ giảm nhẹ hơn bởi khi

đó trạm di động sẽ không chuyển giao ngay đến trạm gốc tốt hơn Độ dự trữcàng lớn thì ảnh hưởng của hiện tượng “ping-pong” càng giảm Tuy nhiên,

nếu độ dự trữ lớn thì điều đó cũng đồng nghĩa với độ trì hoãn tăng Hơn nữa,trạm di động cũng gây thêm nhiễu đối với các cell lân cận do các kết nối chấtlượng kém suốt trong thời gian trì hoãn Do đó, đối với chuyển giao cứng thì

độ dự trữ trễ D là khá quan trọng Khi quá trình chuyển giao cứng xuất hiện,kết nối lưu lượng ban đầu với BS1 sẽ bị rớt trước khi thiết lập một kết nốimới với BS2 và cũng vì lý do đó mà ta nói chuyển giao cứng là một quá trình

“Break before make” có nghĩa là “ngắt trước khi nối”

Trong trường hợp chuyển giao mềm, được đưa ra ở hình 2.8(b), trước khi

(pilot_E c /I 0 ) 2 vượt quá (pilot_E c /I 0 ) 1, chỉ cần điều kiện kích hoạt chuyển giaomềm được thoả mãn thì trạm di động sẽ vào trạng thái chuyển giao mềm vàmột kết nối mới được thiết lập.Trước khi BS1 bị rớt (điều kiện rớt chuyển

giao được thoả mãn) thì trạm di động sẽ truyền thông đồng thời với cả BS1

và BS2.Vì vậy, không giống như chuyển giao cứng, chuyển giao mềm là một

quá trình “nối trước ngắt sau” hay người ta còn gọi là “make before break”.Cho đến nay, một số thuật toán đã được đề xuất để hỗ trợ chuyển giao mềm

và các tiêu chuẩn khác nhau được sử dụng trong các thuật toán khác nhau.Quá trình chuyển giao mềm là không giống nhau trong các hướng truyềnkhác nhau Hình 2.8 minh họa cho điều đó, ở hướng lên, trạm di động truyềntín hiệu đến không gian thông qua ănten đẳng hướng của nó Hai trạm gốcđang kết nối với nó có thể nhận được tín hiệu một cách đồng thời bởi hệ sốtái sử dụng tần số của một trong những hệ thống CDMA Sau đó, những tínhiệu này sẽ được truyền thẳng tới RNC để thực hiện kết hợp lựa chọn.Khung nào tốt hơn sẽ được chọn và khung kia sẽ bị bỏ đi

Do đó, ở hướng lên, không có kênh bổ sung cần thiết để hỗ trợ cho quá trìnhchuyển giao mềm

Ở hướng xuống, cả 2 BS sẽ cùng truyền các tín hiệu giống nhau đến trạm diđộng, và khi trạm di động nhận thấy chúng thì nó có thể kết hợp một cách dễdàng các tín hiệu này Thông thường, chiến lược kết hợp tỷ lệ tối đa sẽ được

sử dụng để cung cấp một lợi ích bổ sung được gọi là phân tập đa dạng Tuynhiên, để hỗ trợ cho quá trình chuyển giao ở hướng xuống thì cần ít nhất mộtkênh hướng xuống bổ sung (SHO 2 đường) Kênh hướng xuống bổ sung nàytác động đến các user khác giống như nhiễu bổ sung trong giao tiếp khônggian.Vì vậy, để hỗ trợ cho quá trình chuyển giao mềm ở hướng xuống thì yêucầu phải có thêm tài nguyên Và kết quả là ở hướng xuống, hiệu suất của quátrình chuyển giao mềm phụ thuộc vào sự cân bằng giữa độ lợi phân tập đadạng (macrodiversity) và sự tiêu thụ nguồn tài nguyên bổ sung.

Hình 2 9 Nguyên lý chuyển giao mềm (trường hợp 2 đường)

Thuật toán chuyển giao mềm

Thuật toán có tầm ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của quá trình chuyển giaomềm Hình 2.9 đưa ra thuật toán chuyển giao mềm của IS-95A (cũng cònđược gọi là thuật toán CDMAone cơ bản)

Hình 2 10 Thuật toán chuyển giao mềm của IS-95ATrong hình:

The Active set (Tập tích cực): là danh sách các cell mà hiện đang kết nốivới trạm di động

The Candidate set (Tập tham gia): là danh sách các cell mà hiện khôngđược sử dụng trong kết nối chuyển giao mềm, nhưng các giá trị Ec/I0 kênhpilot của chúng là đủ mạnh để được bổ sung vào tập tích cực

The neighbouring set (Tập lân cận): là danh sách các cell mà trạm di động

đo lường liên tục, nhưng các giá trị Ec/I0 kênh pilot của chúng không đủmạnh để bổ sung vào tập tích cực

Trong IS-95A, ngưỡng chuyển giao là một giá trị Ec/I0 cố định nhận được từkênh pilot Nó rất dễ thực hiện, nhưng lại gặp nhiều khó khăn khi phải đốimặt với những thay đổi tải động Dựa trên thuật toán IS-95A, nhiều biến đổicủa thuật toán cdmaOne với tính năng động hơn ngưỡng cố định đã được đềxuất cho hệ thống IS-95B và cdma2000

Trong WCDMA sử dụng các thuật toán phức tạp hơn, được minh hoạ nhưtrên hình 2.11

Hình 2 11 Thuật toán chuyển giao mềm WCDMA

Thuật toán chuyển giao mềm WCDMA có thể được mô tả như sau:

Lúc đầu Chỉ có cell 1 và cell 2 nằm trong tập tích cực

Tại sự kiện A (Ec/I0)P-CPICH3 > (Ec/I0)P-CPICH1 - (R1a-H1a/2) trong đó(Ec/I0)P-CPICH1 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh pilot của cell 1 mạnh nhất,(Ec/I0)P-CPICH3là tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh pilot của cell 3 nằm ngoài tậptích cực và R1a là hằng số dải báo cáo (do RNC thiết lập), H1a/2 là thông sốtrễ và (R1a-H1a/2) là cửa sổ kết nạp cho sự kiện 1A Nếu bất đẳng thức nàytồn tại trong khoảng thời gian ΔT thì cell 3 được kết nạp vào tập tích cực

Tại sự kiện C (Ec/I0)P-CPICH4 > (Ec/I0)P-CPICH2 +H1c/2, trong đó (Ec/I0)CPICH4là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của cell 4 nằm ngoài tập tích cực và (Ec/I0)P-CPICH2là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của cell 2 tồi nhất trong tập tích cực, H1C làthông số trễ Nếu quan hệ này tồn tại trong thời gian ΔT và tập tích cực đã

P-đầy thì cell 2 bị loại ra khỏi tập tích cực và cell 4 sẽ thế chỗ của nó trong tậptích cực.

Tại sự kiện B (Ec/I0)P-CPICH1 < (Ec/I0)P-CPICH3 - (R1b+H1b/2) trong đó(Ec/I0)P-CPICH1là tỷ số tín hiệu trên nhiễu kênh pilot của cell 1 yếu nhất trongtập tích cực, (Ec/I0)P-CPICH3 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu của cell 3 mạnh nhấttrong tập tích cực, R1b hằng số dải báo cáo (do RNC thiết lập), H1b/2 làthông số trễ và (R1b+H1b/2) là cửa sổ loại cho sự kiện 1B Nếu quan hệ nàytồn tại trong khoảng thời gian ΔT thì cell 3 bị loại ra khỏi tập tích cực

Trong thuật toán WCDMA, người ta sử dụng ngưỡng tương đối chứ không

sử dụng ngưỡng tuyệt đối So với IS-95A, lợi ích lớn nhất của giải thuật này

đó là sự biểu diễn tham số một cách dễ dàng, và nhờ có các giá trị ngưỡngtương đối nên không yêu cầu bất kỳ sự thay đổi tham số nào đối với các khuvực có nhiễu cao và thấp

Đặc điểm của chuyển giao mềm

So với chuyển giao cứng truyền thống thì chuyển giao mềm cho thấy những

ưu điểm rõ ràng hơn, ví dụ như là loại bỏ hiện tượng “ping pong” và làm chođường truyền dẫn liên tục hơn, không bị gián đoạn Không có hiện tượng

“ping pong” có nghĩa là số lượng tải báo hiệu thấp hơn và với chuyển giaomềm cũng sẽ không bị mất dữ liệu do sự ngắt kết nối tạm thời (xảy ra trongchuyển giao cứng)

Ngoài lý do xử lý tính di động của thuê bao, còn có một lý do khác nữa đểthực hiện chuyển giao mềm trong CDMA đó là sử dụng nó như một cơ chế

để giảm nhiễu (được thực hiện cùng với điều khiển công suất) Hình 2.12đưa ra 2 kịch bản: ở kịch bản thứ nhất (hình a), điều khiển công suất được sửdụng, còn ở kịch bản thứ 2 (hình b), điều khiển công suất và chuyển giaomềm đều được hỗ trợ Giả sử rằng trạm di động đang di chuyển từ BS1 đếnBS2 Tại vị trí đang xét, tín hiệu nhận được từ BS2 mạnh hơn từ BS1 điềunày có nghĩa là BS2 tốt hơn BS1

Hình 2 12 Giảm nhiễu hướng lên bằng cách sử dụng SHO

Ở hình (a), vòng điều khiển công suất làm tăng công suất truyền của trạm diđộng để đảm bảo QoS ở hướng lên khi trạm di động di chuyển ra xa trạm gốcphục vụ của nó (BS1) Ở hình (b), trạm di động đang trong trạng thái chuyểngiao mềm và cả 2 trạm gốc truyền thông một cách đồng thời với trạm diđộng, các tín hiệu thu được sau đó được trạm gốc truyền thẳng tới RNC đểthực hiện kết hợp Ở hướng lên, việc kết hợp lựa chọn được sử dụng trongchuyển giao mềm, khung nào mạnh nhất sẽ được chọn và khung yếu hơn sẽ

bị xóa bỏ đi Bởi vì BS2 tốt hơn BS1 nên để đạt được cùng một QoS mongmuốn thì yêu cầu công suất truyền của trạm di động ở hình (b) phải nhỏ hơn

so với hình (a) Vì vậy, nhiễu góp vào hệ thống bởi trạm di động ở hướng lên

sẽ thấp hơn bởi quá trình chuyển giao mềm luôn luôn giữ cho trạm di độngliên kết với BS tốt nhất Ở hướng xuống thì có vẻ phức tạp hơn, mặc dù tỷ lệkết hợp tối đa đưa ra độ lợi phân tập đa dạng nhưng cũng cần thiết phải hỗtrợ thêm kênh hướng xuống bổ sung vào quá trình chuyển giao mềm

2.1.5 So sánh ưu, nhược điểm của chuyển giao cứng và chuyển giao mềm [2]

+ Chuyển giao cứng (HHO)

Ưu điểm:

• Tại một thời điểm một cuộc gọi chỉ sử dụng 1 kênh

• Thực hiện đơn giản do phần cứng cùa máy điện thoại không cần nhận

2 hay nhiều kênh song song

Nhược điểm:

• Vì chuyển giao cứng sử dụng tham số ngưỡng “hysteresis margin” đểgiảm thiểu hiệu ứng ping-pong nhưng khi ngưỡng lớn, hiệu ứngping-pong giảm thì thời gian trễ sẽ tăng Vì vậy không phù hợp vớicác ứng dụng thời gian thực

+ Chuyển giao mềm (SHO)

Ưu điểm:

• Ít ảnh hưởng “ping-pong”, dẫn đến hệ thống sử dụng ít tải báo hiệu

• Truyền liên tục không có gián đoạn quá lâu trong quá trình chuyểngiao

• Không có tham số ngưỡng “hysteresis margin”, vì vậy thời gian trễthấp tương đương với độ lợi phân tập cực đại

• Nhiễu đường lên cải thiện, làm cho chất lượng thông tin tốt hơn cho

số lượng user và đạt được dung lượng lớn hơn với cùng chất lượngphục vụ (QoS) như nhau

• Ít ràng buộc thời gian trên mạng Nghĩa là thời gian xếp hàng dài để

có được kênh mới từ BS đích, điều này giàm xác suất nghẽn và rớtcuộc gọi

Nhược điểm:

• Thực hiện phức tạp hơn chuyển giao cứng

• Tiêu tốn nhiều tài nguyên trên đường xuống (tài nguyên mã và côngsuất).

2.2 Hệ thống HSDPA [1]

HSDPA là một chuẩn công nghệ trong phiên bản 5 của chuẩn 3GPPWCDMA băng rộng HSDPA sẽ tăng tốc độ dữ liệu truyền tối đa, nâng caochất lượng dịch vụ QoS, và cải thiện hiệu quả phổ tần đường xuống khôngđối xứng và đáp ứng nhu cầu bùng nổ các dịch vụ dữ liệu gói HSDPA có thểcùng tồn tại trên cùng hệ thống truyền dẫn như phiên bản 99 WCDMA hiệntại Một số ứng dụng dữ liệu của HSDPA như: tải tập tin, phân phối email;dịch vụ tương tác: trình duyệt web, truy nhập server, truy tìm và phục hồi cơ

sở dữ liệu; dịch vụ streaming: dịch vụ audio/video…

Hình 2 13 Hiệu quả phổ HSDPA

Hình 2 14 Độ trễ tín hiệu trên đường truyền đối với các công nghệ khác nhau

2.2.1 Truyền dẫn kênh chia sẻ

Tài nguyên chung của người sử dụng trong cell bao gồm các bộ kênh mã(channel code) và công suất phát HSDPA đưa ra một số kênh vật lý mớinhư: kênh vật lý chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-PDSCH (High SpeedPhysical Downlink Shared Channel) và kênh điều khiển vật lý HS-DPCCH(HS-Physical Control Channel)

HS-PDSCH

Trong kênh này thời gian và mã hoá được chia sẻ giữa những người sử dụnggắn liền với Node-B Đây là cơ cấu truyền tải cho các kênh logic được thêmvào: kênh chia sẻ đường xuống tốc độ cao HS-DSCH (HS-Downlink SharedChannel) và kênh điều khiển chia sẻ tốc độ cao HS-SCCH (HS-SharedControl Channel)

Tài nguyên mã hoá HS-DSCH gồm có một hoặc nhiều bộ mã định hướng với

hệ số trải phổ cố định SF (Spread Factor) 16 Phần lớn 15 bộ mã này có thểphân bổ cho những yêu cầu về truyền dẫn dữ liệu và điều khiển Các tàinguyên mã hóa sẵn sàng được chia sẻ chủ yếu trong miền thời gian nhưng nó

có thể chia sẻ tài nguyên mã hoá bằng cách dùng mã hóa đa thành phần Khi

cả thời gian và bộ mã được chia sẻ, từ hai đến bốn người sử dụng có thể chia

sẻ tài nguyên mã hóa trong cùng một TTI

Hình 2 15 Thời gian và bộ mã được chia sẻ trong HS-DSCH

Đây là kênh đường lên, được sử dụng mang tín hiệu báo nhận (ACK) đếnNode-B trên mỗi khối (block) Nó cũng được dùng để chỉ thị chất lượngkênh CQI (Channel Quality), là yếu tố được sử dụng trong AMC

Hình 2 16 Cơ cấu truyền dẫn HS-DSCH2.2.2 Mã hóa và điều chế thích nghi (AMC)

Hiện tại việc điều khiển công suất nhanh trong mạng WCDMA được sử dụng

để thích ứng với các kết nối vô tuyến Điều khiển công suất được thực hiệntrong mỗi khe (slot) ở mạng WCDMA Về cơ bản sự thích nghi với kết nối

vô tuyến được yêu cầu bởi vì trong hệ thống truyền thông tế bào, tỉ số tínhiệu trên nhiễu SNR của tín hiệu thu tại thiết bị người sử dụng UE thay đổitheo thời gian từ 30-40 dB do điều kiện vô tuyến và vùng địa lý Để có thểloại bỏ ảnh hưởng của fading, cải thiện khả năng hệ thống và tốc độ dữ liệutối đa, tín hiệu truyền đến từng UE riêng biệt được thay đổi phù hợp với sựthay đổi của điều kiện vô tuyến gọi là quá trình thích nghi