Ứng dụng logic mờ để nâng cao chất lượng điều khiển thâm nhập cuộc gọi trong hệ thống thông tin di động CDMA

Luận văn

Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o TRƯỜNG ðẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ðẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LỜI CAM ðOAN

Tôi cam ñoan rằng nội dung của luận án là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, tất cả các ý tưởng tham khảo từ

kết quả nghiên cứu công bố trong các công trình khác ñều

ñược nêu rõ trong luận án Các số liệu, chương trình phần

mềm, kết quả trong luận án là trung thực và chưa ñược ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Võ Trường Sơn

1.2.2 Ưu nhược ñiểm của kỹ thuật trải phổ và ứng dụng của nó 5

1.2.4 Hệ thống thông tin di ñộng tế bào CDMA 6

1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn 8

1.2.6 ðiều khiển công suất trong hệ thống tế bào CDMA 11

1.2.7 Chuyển giao trong hệ thống tế bào CDMA 13

1.4 ðiều khiển thâm nhập trong một số mạng thông tin di ñộng 3G thực tế tại

Việt Nam

19

1.5.2 Nguyên tắc xây dựng hệ mờ 28

1.5.3 Ứng dụng hệ mờ trong ựiều khiển thâm nhập cuộc gọi 30 1.6 Các chỉ tiêu cơ bản về chất lượng dịch vụ có liên quan ựến thuật toán CAC 35

Chương II điều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ có ưu tiên lưu lượng. 37

2.2 Mô hình và thuật toán CAC mờ trên cơ sở ưu tiên lưu lượng TP-FCAC 40

2.2.3 đánh giá băng thông hiệu dụng của cuộc gọi 44

2.2.4 đánh giá thông tin di chuyển của MS và dự trữ băng thông chuyển giao

48

2.2.5 đánh giá băng thông sẵn dùng của hệ thống 53

2.2.6 Xử lý thâm nhập cuộc gọi mờ trên cơ sở ưu tiên lưu lượng 54

2.2.2 Mô phỏng bộựánh giá băng thông hiệu dụng của cuộc gọi 60

2.2.3 Mô phỏng bộ ựánh giá thông tin di chuyển của MS và dự trữ băng thông

63

2.2.4 Mô phỏng bộựánh giá băng thông sẵn dùng của hệ thống 65

2.2.5 Mô phỏng bộxử lý thâm nhập cuộc gọi mờ 66

Chương III điều khiển thâm nhập cuộc gọi dựa trên chỉ số chiếm dụng 86

tài nguyên của lớp lưu lượng.

Chương IV ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ ưu tiên lưu lượng dựa trên chỉ số chiếm dụng tài nguyên.

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

chữ thường in nghiêng ñại lượng vô hướng

chữ hoa in nghiêng ñại lượng vô hướng

SIR Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

L

∆ Hệ số tải của kết nối mới

E b /N 0 Tỷ số năng lượng bit trên mật ñộ tạp âm

µ Giá trị hàm liên thuộc của tập mờ

ξ.(t) Quá trình ngẫu nhiên

p n,l Xác xuất chuyển giao MS sang tế bào l tại thời ñiểm n

p max Xác xuất chuyển giao cực ñại

có thể bị chiếm dụng bởi các cuộc gọi lớp k

o

có thể bị chiếm dụng

N vo , N da , N vi Số lượng cuộc gọi Voice, Data, Video tương ứng trong tế bào 0

M vo , M da , M vi Số lượng cuộc gọi Voice, Data, Video trong các tế bào lân cận với

tế bào 0

Disc(.) Hàm quyết ñịnh ngắt cuộc gọi

FCAP() Hàm quyết ñịnh thâm nhập cuộc gọi không ưu tiên

TP-FCAP() Hàm quyết ñịnh thâm nhập cuộc gọi có ưu tiên

CDMA2000 Một tiêu chuẩn công nghệ di ñộng họ 3G

ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ ưu tiên lưu lượng dựa trên chỉ

số chiếm dụng tài nguyên

Eb/I0 Tỷ số mật ñộ năng lượng bit trên tạp âm

IMT-2000 Chuẩn toàn cầu cho thông tin di ñộng 3G

L-FCAC ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ giới hạn tài nguyên dự trữ

TLCDTNTB Tỷ lệ chiếm dụng tài nguyên trung bình

TP-FCAC ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ trên cơ sở ưu tiên lưu lượng TP-FCAP Xử lý thâm nhập cuộc gọi mờ trên cơ sở ưu tiên lưu lượng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các luật suy diễn mờ cho bộ TP-FCAP (voice, data và video) 58

Bảng 2.4 Trọng số tương ứng của các luật ñánh giá thông tin di chuyển 64 Bảng 2.5 Các luật hợp thành mờ của hệ suy diễn mờ xử lý thâm nhập cuộc

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ðỒ THỊ

Hình 2.5 Sơ ñồ khối chức năng của bộ ñánh giá băng thông hiệu dụng mờ 46

Hình 2.7 Hàm thuộc của Bl , Ba,0 , Ba,l ứng với cuộc gọi voice 55

Hình 2.9 Các hàm thuộc của các biến P0 và Pl trong ñánh giá băng thông hiệu dụng

Hình 2.13 Hàm thuộc của Bl ,Ba,0 , Ba,l tương ứng với cuộc gọi Data 66 Hình 2.14 Hàm thuộc của Bl ,Ba,0 , Ba,l tương ứng với cuộc gọi Video 67 Hình 2.15 Hàm thuộc của quyết ñịnh thâm nhập cuộc gọi (cho các loại dịch vụ)

Hình 3.2: Mô hình DFCAC 94

Hình 3.6: Hàm thuộc của Φk0 và Φktương ứng với cuộc gọi Video (20%) 101

Hình 3.7: Hàm thuộc của Φk0 và Φktương ứng với cuộc gọi Data (60%) 101

Hình 3.8: Hàm thuộc của Φk0 và Φktương ứng với cuộc gọi Video (15%) 102

Hình 3.9: Hàm thuộc của Φk0 và Φktương ứng với cuộc gọi Data (55%) 102

Hình 3.11 SLTBCCG Voice, Video, Data trong hệ thống 3,75 MHz với DFCAC và FCAC

Hình 4.4 XSCCGM Voice, Video, Data trong hệ thống 3,75 MHz 122

MỞ ðẦU

Hiện nay, ñể ñáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ viễn thông mới, các hệ thống thông tin di ñộng ñang triển khai thế hệ thứ 3 (3G) và ñang tiến tới thế hệ 4G Ở các thế hệ này, các hệ thống thông tin di ñộng có xu hướng hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc ñộ bit lên tới 2Mb/s ðể phân biệt với các hệ thống thông tin băng hẹp trước ñây, các hệ thống thông tin di ñộng thế hệ thứ 3 ñược gọi là các hệ thống thông tin di ñộng băng rộng Phương thức ña truy nhập ñược sử dụng trong hệ thống 3G là ña truy nhập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access, CDMA) Bên cạnh ñó, Trong mạng không dây thế hệ sau (NGWN), CDMA ñã nổi lên như một phương thức ña truy nhập ñầy hứa hẹn và ñược lựa chọn rộng rãi cho giao tiếp không dây thế hệ 4G [31]

Quản lý tài nguyên là một trong những vấn ñề kỹ thuật quan trọng nhất trong các hệ thống không dây, nơi ñáp ứng ñược nhiều lớp lưu lượng mà trong ñó mỗi lớp ñược ñặc trưng bởi các tham số chất lượng dịch vụ (Quality of Service, QoS) yêu cầu của riêng nó ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi (Call Admission Control, CAC) là một trong những chức năng quản lý tài nguyên, nó quy ñịnh việc thâm nhập mạng phải ñảm bảo QoS CAC ñược sử dụng

ñể quyết ñịnh chấp nhận hay không một yêu cầu dịch vụ mới và mục tiêu của nó là cho phép một số lượng lớn hơn các yêu cầu dịch vụ trong khi vẫn ñảm bảo ñược QoS yêu cầu của tất

cả các kết nối ñang hoạt ñộng CAC trong các hệ thống CDMA kinh ñiển ñều dựa vào việc ñánh giá nhiễu hoặc tỷ số tín hiệu trên nhiễu và so sánh với ngưỡng Theo truyền thống, một

mô hình CAC phải xem xét một tập hợp các tham số ño ñược ñể quyết ñịnh chấp nhận hay từ chối một yêu cầu kết nối Dạng mô hình này không cho phép hoặc cho phép rất hạn chế sự thiếu chính xác của kết quả ño Tuy nhiên, trong các hệ thống không dây, do sự di chuyển của các thuê bao, các yêu cầu QoS ñộng, và ñiều kiện kênh thay ñổi nên các kết quả ño nhận ñược nói chung là thiếu chính xác Hơn nữa, rất khó ñể có ñược một thống kê ñầy ñủ lưu lượng ñầu vào Do ñó, các quyết ñịnh thâm nhập phải dựa trên các kết quả ño mơ hồ và thiếu chính xác

ðể giải quyết vấn ñề này, logic mờ cung cấp một phương pháp thực hiện xấp xỉ nhưng hiệu quả cho mô hình CAC, theo ñó nếu sử dụng công cụ toán học thì rất phức tạp và không

dễ thực hiện Với khả năng có thể giải quyết các vấn ñề mang tính mơ hồ và thiếu chính xác, logic mờ ñược hy vọng sẽ cung cấp một giải pháp tốt ñể phát triển các mô hình CAC [58]

Trong ñịnh nghĩa về QoS của 3GPP, có bốn lớp ưu tiên bao gồm P1, P2, P3, và P4, ñại diện cho bốn lớp dịch vụ là nền (background), tương tác (interactive), luồng (streaming),

và hội thoại (conversation) tương ứng Trong bốn lớp này, lớp dịch vụ hội thoại có ñộ ưu tiên cao nhất, trong khi lớp dịch vụ nền có ñộ ưu tiên thấp nhất [18] Rõ ràng là các cuộc gọi thuộc dịch vụ có ñộ ưu tiên cao phải ñược thâm nhập vào mạng thuận lợi hơn so với các cuộc gọi thuộc dịch vụ có ñộ ưu tiên thấp Tức là, khi tải lưu lượng của mạng lớn, tài nguyên mạng không còn nhiều thì các cuộc gọi ưu tiên cao sẽ ñược chấp nhận và các cuộc gọi ưu tiên thấp phải bị từ chối Tuy nhiên, ñiều này ñã không ñược ñề cập tới trong tất cả các nghiên cứu trước ñây

ðề tài này nghiên cứu một phương pháp mới cho mô hình CAC mờ cho các mạng tế bào CDMA ña lớp dịch vụ trên cơ sở ưu tiên lưu lượng (TP-FCAC) Mô hình này áp dụng nguyên tắc ưu tiên thâm nhập cho các cuộc gọi có ñộ ưu tiên cao Theo ñó, khi tải lưu lượng của mạng còn thấp, tài nguyên mạng còn nhiều thì cuộc gọi của bất kỳ lọai dịch vụ nào cũng ñều có thể thâm nhập vào mạng Trong trường hợp ngược lại, khi tải lưu lượng cao, tài nguyên của mạng còn ít thì chỉ có các cuộc gọi thuộc loại dịch vụ có ñộ ưu tiên cao mới ñược thâm nhập vào mạng, các cuộc gọi thuộc dịch vụ có ñộ ưu tiên thấp sẽ bị chặn Việc ñánh giá hiệu quả của mô hình này cũng ñược thực hiện dưới các góc ñộ ñảm bảo QoS cũng như sự

tận dụng tài nguyên trên cơ sở so sánh với các nghiên cứu ñã có trước ñây

ðề tài cũng ñề xuất một thuật toán ngắt các cuộc gọi có ñộ ưu tiên thấp ñang hoạt ñộng ñể dành tài nguyên phục vụ các cuộc gọi mới có ñộ ưu tiên cao hơn (DP-FCAC) trong ñiều kiện tải lưu lượng của tế bào cao, tài nguyên của tế bào trở nên khan hiếm

Cấu trúc của ñề tài này bao gồm bốn chương, một phần kết luận và phần phụ lục Các

chương cụ thể như sau:

- Chương I: ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi trong hệ thống thông tin di ñộng tế bào

CDMA

- Chương II: ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ có ưu tiên lưu lượng

- Chương III: ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi dựa trên chỉ số chiếm dụng tài nguyên

của lớp lưu lượng

- Chương IV: ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi mờ có ưu tiên lưu lượng dựa trên chỉ

số chiếm dụng tài nguyên

Phần kết luận tóm tắt các vấn ñề nghiên cứu ñược của ñề tài trong mạng thông tin di ñộng tế bào CDMA Cuối cùng, phần phụ lục là tập hợp các ñoạn chương trình viết trên môi

trường Matlab, ñược sử dụng ñể mô phỏng các nghiên cứu của ñề tài

Các số liệu mô phỏng cho thấy rằng kết quả nghiên cứu của ñề tài ñã cải tiến ñược chất lượng ñiều khiển thâm nhập cuộc gọi trong các hệ thống tế bào CDMA ñồng thời các nhà sản xuất thiết bị hoàn toàn có thể ñưa các kết quả này vào áp dụng cho các hệ thống thông thông tin di ñộng sử dụng công nghệ CDMA

Chương I đIỀU KHIỂN THÂM NHẬP CUỘC GỌI TRONG HỆ THỐNG

THÔNG TIN DI đỘNG TẾ BÀO CDMA

1.1 Tổng quan ựề tài

1.1.1 Các nghiên cứu gần ựây

Do tắnh chất quan trọng của thủ tục ựiều khiển thâm nhập cuộc gọi trong các mạng tế bào CDMA nên ựã có nhiều nghiên cứu tập trung vào vấn ựề này trong những năm gần ựây Mặt khác, do tắnh ựặc thù của mạng tế bào CDMA như là có dung lượng mềm, tải lưu lượng biến ựộng thất thường theo không gian và thời gian, môi trường truyền dẫn thường xuyên thay ựổi bởi các hiện tượng Fading và che khuất, nhu cầu dịch vụ của thuê bao khác nhau nên rất phù hợp với việc áp dụng logic mờ (và cả mạng Neural) cho các mô hình CAC đã có nhiều mô hình CAC trên cơ sở logic mờ ựược giới thiệu Tuy nhiên, có thể phân các mô hình này thành ba nhóm cơ bản như sau:

(i) Loại mô hình 1 : mô hình CAC trên cơ sở ựánh giá mức ựộ chiếm dụng tài nguyên

tương ựương và khả năng ựáp ứng của hệ thống,

(ii) Loại mô hình 2 : mô hình CAC trên cơ sở suy giảm lượng tài nguyên cấp phát cho

các kết nối có ựộ ưu tiên thấp, và

(iii) Loại mô hình 3 : mô hình CAC cho tài nguyên là các kênh mã hóa trên cơ sở làm

thay ựổi tham số ngưỡng chuyển giao mềm

Các loại mô hình này sẽ ựược trình bày cụ thể dưới ựây

1.1.1.1 Mô hình CAC trên cơ sở ựánh giá mức ựộ chiếm dụng tài nguyên và khả năng ựáp ứng của hệ thống

Loại mô hình này ựã ựược giới thiệu trong các nghiên cứu [34], [28], [22], [62], [23],

và [35] Loại mô hình này bao gồm một bộ xử lý thâm nhập cuộc gọi mờ, một bộ ựánh giá tài nguyên sẵn dùng của mạng và một bộ ựánh giá mức ựộ chiếm dụng tài nguyên của yêu cầu cuộc gọi mới Sơ ựồ tổng quát của Loại mô hình 1 bao gồm ba khối chức năng chắnh là :bộ ựánh giá mức ựộ chiếm dụng tài nguyên của yêu cầu cuộc gọi mới, bộ ựánh giá tài nguyên sẵn dùng của mạng, và bộ xử lý thâm nhập cuộc gọi mờ

Trong Loại mô hình 1 này, hầu hết các yếu tố ựặc trưng của mạng tế bào CDMA có liên quan ựến tài nguyên vô tuyến ựã ựược xem xét và tắnh ựến như nhiễu liên tế bào, ảnh

hưởng của hiện tượng fading và che khuất, tính di chuyển của các MS… Tuy nhiên với từng

mô hình cụ thể thì phần lớn không xem xét ñầy ñủ các yếu tố này Tất cả các mô hình cụ thể trong Loại mô hình 1 ñều không tính ñến mức ñộ ưu tiên của các loại dịch vụ khác nhau trong quá trình CAC Một số mô hình trong loại này là dạng hệ hở

Trong số các mô hình cụ thể thuộc loại này, [34] và [35] là hoàn thiện hơn cả vì ñã xét ñến ñầy ñủ các yếu tố như tài nguyên trong tế bào, liên tế bào, tính di chuyển của MS, các ảnh hưởng của hiện tượng fading, che khuất Các mô hình còn lại ñều không xem xét ñầy ñủ các yếu tố như hai mô hình này Tuy nhiên, ba thiếu sót cơ bản của mô hình [34] và [35] là không tính ñến mức ñộ ưu tiên của các loại dịch vụ, là mô hình dạng hệ hở và hạn chế số lượng tài nguyên dự trữ cho cuộc gọi chuyển giao

1.1.1.2 Mô hình CAC trên cơ sở suy giảm lượng tài nguyên cấp phát cho các kết nối có ñộ ưu tiên thấp

Loại mô hình này ñã ñược giới thiệu trong các nghiên cứu [31] và [58] Các mô hình CAC này xem xét ñến các yêu cầu nguồn tài nguyên một cách thích nghi ñể nâng cao hiệu quả sử dụng kênh trong các mạng không dây Khi một cuộc gọi mới ñang tới, mô hình CAC này sẽ ñánh giá xem băng thông sẵn dùng có thể thỏa mãn yêu cầu cuộc gọi tới hay không Trong trường hợp băng thông sẵn dùng không ñủ ñể ñáp ứng yêu cầu, mô hình CAC này dựa trên logic mờ sẽ chọn một số cuộc gọi ñang tồn tại có ñộ ưu tiên thấp, theo ñó băng thông dành cho nó sẽ bị giảm xuống ñể dành một lượng băng thông cho cuộc gọi tới mới (tức là tái cấp phát tài nguyên) Bằng cách này, nhiều cuộc gọi hơn có thể ñược chấp nhận thâm nhập vào mạng không dây, trong khi các cuộc gọi ñang tồn tại chỉ bị giảm một ít băng thông ở mức có thể chấp nhận ñược [31]

Trong Loại mô hình 2 này, các nghiên cứu tập trung vào mức ñộ ưu tiên của các loại dịch vụ ðầu vào của các mô hình này thường là yêu cầu về băng thông, QoS yêu cầu và mức

ñộ ưu tiên dịch vụ của từng cuộc gọi Tuy nhiên các mô hình cụ thể lại không ñưa ra cách tính toán ñể có ñược các giá trị băng thông yêu cầu của các cuộc gọi này, mà việc tính toán này là phức tạp do có nhiều yếu tố ngoại cảnh tác ñộng vào Một cuộc gọi khi thâm nhập vào

hệ thống không những chiếm dụng tài nguyên trên tế bào phục vụ nó mà còn chiếm dụng cả băng thông của các tế bào lân cận Yếu tố này cũng không ñược tính ñến trong Loại mô hình

2 này Cụ thể là, một yêu cầu cuộc gọi mới thường chỉ có yêu cầu về lưu lượng dưới dạng tốc

ñộ bit yêu cầu và QoS Hệ thống cần phải tính ra băng thông yêu cầu của cuộc gọi này trong

tế bào và liên tế bào ðây là công việc phức tạp với nhiều yếu tố ngoại cảnh tác ñộng Tuy

nhiên các mơ hình đã được đề xuất thuộc loại này chỉ giả thiết cĩ giá trị băng thơng yêu cầu trong tế bào mà khơng nêu lên cách tính tốn cụ thể và cũng khơng đề cập tới băng thơng liên

tế bào Trong trường hợp các cuộc gọi trong tế bào phục vụ đã chấp nhận suy giảm băng thơng và tế bào này đã cĩ đủ tài nguyên cho cuộc gọi mới thì cuộc gọi được phép thâm nhập Tuy nhiên, khi thâm nhập vào, cuộc gọi này sẽ chiếm dụng tài nguyên của cả các các tế bào lân cận (ít nhất là sáu tế bào), và chỉ cần lượng tài nguyên của một trong các tế bào này đã bị chiếm dụng hết thì chất lượng dịch vụ của tất cả các cuộc gọi đang tồn tại trong tế bào này đều bị giảm xuống dưới yêu cầu

Ngồi ra, Loại mơ hình 2 này cũng là dạng hệ hở Một hệ hở thì bao giờ cũng hoạt động khơng hiệu quả bằng hệ kín

1.1.1.3 Mơ hình CAC cho tài nguyên là các kênh mã hĩa trên cơ sở làm thay đổi tham số ngưỡng chuyển giao mềm

Loại mơ hình này đã được giới thiệu trong các nghiên cứu [55], [52], [53], [54] và [66] Một hệ thống tế bào CDMA bao gồm tích hợp các cuộc gọi voice và data được xem xét trong các nghiên cứu này Mơ hình được phát triển dựa trên việc dự trữ ưu tiên cho các cuộc gọi voice và data chuyển giao cùng với mơ hình hàng chờ cuộc gọi đối với các cuộc gọi data chuyển giao Sự hạn chế các kênh bậc cao được áp đặt cho các các cuộc gọi voice cũng như các cuộc gọi data để dành ưu tiên cho các cuộc gọi chuyển giao Nhằm quản lý tài nguyên tốt hơn và thâm nhập cuộc gọi hiệu quả với các cuộc gọi chuyển giao và nguyên thủy, một mơ hình CAC Neural-Fuzzy được thiết kế Bộ điều khiển này sử dụng các đặc tính cĩ thể thích nghi của các tham số ngưỡng chuyển giao mềm để duy trì các cuộc gọi voice và data quan trọng bằng cách giám sát kiểm tra xác suất chặn cuộc gọi voice mới hiện tại, xác suất ngắt cuộc gọi data chuyển giao và tốc độ của các thuê bao voice chuyển giao

Loại mơ hình 3 là một hệ kín vì các giá trị QoS của mạng là xác suất chặn cuộc gọi voice mới, xác suất ngắt cuộc gọi data chuyển giao được hồi tiếp trở về làm đầu vào của bộ

xử lý thâm nhập cuộc gọi Trong khi các Loại mơ hình 1 và 2 tập trung nghiên cứu các thuật tốn CAC cho các nguồn tài nguyên vơ tuyến thì Loại mơ hình 3 lại nghiên cứu cho nguồn tài nguyên là các kênh mã hĩa ðối tượng nghiên cứu cho hai tình huống này là khác nhau

Do đĩ các tham số tham gia vào hệ thống điều khiển cũng khác nhau Trong đĩ, Loại mơ hình 3 khơng tính tới được các ảnh hưởng của các yếu tố mơi trường cũng như đặc tính biến thiên khĩ dự đốn trước của tải lưu lượng và một số yếu tố quan trọng khác lên dung lượng của hệ thống, tức là tác động của các yếu tố này lên tài nguyên của mạng

Một nhược ñiểm nữa của loại mô hình này là các ngưỡng chuyển giao mềm ñược thiết lập nhờ bộ suy diễn mờ trên cơ sở thông số mạng Tuy nhiên, ñặc ñiểm lưu lượng trên mạng là thay ñổi theo không gian dẫn ñến các thông số chuyển giao có ñược có thể phù hợp với tế

bào này nhưng không phù hợp với các tế bào khác

1.1.2 Vấn ñề cần giải quyết trong ñề tài

Như phân tích tại mục 1.4, các thuật toán ñiều khiển thâm nhập cuộc gọi trên tuyến lên

ở phần lớn các mạng thông tin di ñộng CDMA ở Việt Nam hiện nay nói riêng và các mạng thông tin di ñộng CDMA khác nói chung ñều dựa chủ yếu vào mức nhiễu hoặc tải của các tế bào Mức nhiễu hoặc tải của từng tế bào ñược tính từ mức nhiễu hoặc tải của các cuộc gọi mà các giá trị này có ñược từ một tập hợp các phép ño thực tế trên mạng Do ñặc tính của môi trường vô tuyến, tính chất di chuyển của người dùng, các yêu cầu khác nhau của QoS.v.v nên các kết quả ño này là rất thiếu chính xác[34, 35] Hơn nữa, các thuật toán ñiều khiển thâm nhập này ñều chưa quan tâm ñầy ñủ ñến tính chất ưu tiên của các loại dịch vụ khác nhau mà chỉ dừng lại ở mức phân biệt cuộc gọi thời gian thực và không thời gian thực Tất cả những ñiều này làm cho kết quả ñiều khiển thâm nhập cuộc gọi trong các hệ thống không thực sự chuẩn xác và hiệu quả

Các nghiên cứu trên thế giới trong thời gian qua ñã ñề xuất ñược nhiều giải pháp nhằm cải thiện chất lượng cũng như tính hiệu quả của thuật toán ñiều khiển thâm nhập Các giải pháp này sử dụng hệ suy diễn mờ nhằm giải quyết vấn ñề thiếu chính xác của các phép

ño Tuy nhiên như ñã ñược phân tích chi tiết ở mục 1.1.1, do nhiều nguyên nhân mà mức ñộ

ưu tiên của các loại dịch vụ khác nhau chưa ñược quan tâm một cách ñầy ñủ ở các nghiên cứu này

ðề tài này ñề xuất một vài mô hình ñiều khiển thâm nhập mới cho tuyến lên sử dụng

hệ mờ trên cơ sở ưu tiên lưu lượng áp dụng trong các mạng tế bào CDMA ña lớp dịch vụ

Mô hình này sử dụng nguyên tắc ưu tiên thâm nhập cho các cuộc gọi có ñộ ưu tiên cao Theo

ñó, khi tải lưu lượng của mạng còn thấp, tài nguyên mạng còn nhiều thì cuộc gọi của bất kỳ loại dịch vụ nào cũng ñều có thể thâm nhập vào mạng Trong trường hợp ngược lại, khi tải lưu lượng cao, tài nguyên của mạng còn ít thì chỉ có các cuộc gọi thuộc loại dịch vụ có ñộ ưu tiên cao mới ñược thâm nhập vào mạng, các cuộc gọi thuộc dịch vụ có ñộ ưu tiên thấp sẽ bị chặn Cuộc gọi có ñộ ưu tiên càng thấp càng bị chặn nhiều Một hệ suy diễn mờ ñược sử dụng ñể thực hiện quyết ñịnh thâm nhập này Bên cạnh ñó, mô hình thâm nhập mới này còn thực hiện ngắt các cuộc gọi có ñộ ưu tiên thấp ñang tồn tại ñể dành tài nguyên cho các cuộc

gọi mới có ñộ ưu tiên cao hơn trong tình huống nguồn tài nguyên vô tuyến của hệ thống bị cạn kiệt Thuật toán ngắt cuộc gọi ñược thực hiện dựa trên một chỉ số mới ñược ñịnh nghĩa

trong ñề tài này: chỉ số chiếm dụng tài nguyên của lớp lưu lượng Một hệ suy diễn mờ ñược

sử dụng ñể quyết ñịnh khi nào thực hiện ngắt cuộc gọi có ñộ ưu tiên thấp

Việc ñánh giá chất lượng và tính hiệu quả của mô hình thâm nhập mới ñược thực hiện dưới các góc ñộ ñảm bảo QoS cũng như sự tận dụng tài nguyên thông qua việc lập và chạy các phần mềm mô phỏng trên ngôn ngữ MATLAB ðể chứng minh tính khả thi của mô hình, việc chạy mô phỏng ñược thực hiện trên hai hệ thống: một hệ thống có băng thông của các tế bào là 3,75MHz theo chuẩn CDMA2000 ñể so sánh với các nghiên cứu ñã có trước ñây và một hệ thống có băng thông của các tế bào là 5MHz theo chuẩn UMTS ñang sử dụng phổ

biến tại Việt Nam

1.2 Hệ thống thông tin di ñộng CDMA:

Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 3 (3G) ñược xây dựng chủ yếu trên công nghệ ña truy nhập phân chia theo mã (CDMA, Code Division Multiple Access) Vì vậy chúng còn ñược gọi là hệ thống thông tin di ñộng CDMA Trải phổ (SS, Spreading Spectrum) là kỹ thuật xử lý số quan trọng ñược sử dụng cho hệ thống thông tin di ñộng này [2]

1.2.1 Nguyên lý Trải phổ:

Trải phổ là một kỹ thuật mà trong ñó, tín hiệu dữ liệu ñược nhân với một tín hiệu giả tạp âm ngẫu nhiên ñược gọi là mã giả tạp âm hay mã PN Mã PN là một chuỗi các chíp có giá trị là –1 và 1 (ñối với tín hiệu có cực tính) hoặc là 0 và 1 (ñối với tín hiệu không có cực tính) và chuỗi tín hiệu này có ñặc tính giống tạp âm ngẫu nhiên Sau khi trải phổ, năng lượng của tín hiệu ñã ñược phân bố vào một dải tần rất rộng so với phổ của tín hiệu gốc Ở ñầu thu, phổ của tín hiệu lại ñược nén trở lại về phổ của tín hiệu ban ñầu

Hình 1.1: Nguyên lý trải phổ

Nguồn dữ liệu gốc

Tạo chuỗi PN

Tín hiệu trải phổ

Ở ñây, chuỗi PN có tốc ñộ cao gấp nhiều lần so với tốc ñộ của tín hiệu số liệu, mỗi một bit số liệu ñược mã hóa thành N chip, số lượng chip này phụ thuộc vào mục ñích sử dụng và dung lượng của hệ thống Hiện nay, người ta sử dụng ba kỹ thuật trải phổ thông

dụng là: Trải phổ trực tiếp (DS/SS), trải phổ nhảy tần (FH/SS) và trải phổ nhảy thời gian

(TH/SS) Ngoài ra còn có thể tổng hợp các hệ thống trên thành hệ thống lai ghép

1.2.2 Ưu nhược ñiểm của kỹ thuật trải phổ và ứng dụng của nó

1.2.2.1 Ưu - nhược ñiểm của kỹ thuật trải phổ

a) Ưu ñiểm :

- Mật ñộ phổ công suất thấp, vì tín hiệu ñược trải phổ trên dải băng tần rất rộng do ñó mật ñộ phổ công suất là rất nhỏ, vì vậy không gây ảnh hưởng cho các hệ thống thông tin khác;

- Giới hạn ñược nhiễu, nhất là nhiễu ñồng kênh do tất cả thuê bao ñều dùng chung một tần số;

- Tính bảo mật rất cao do sử dụng mã PN ngẫu nhiên, mỗi người dùng ñược mã hóa ở một mã khác nhau ðiều này làm cho việc phát hiện ra thuê bao khác là vô cùng khó khăn và hầu như là không thể;

- Khả năng chống nhiễu cao

- Có thể truy cập ngẫu nhiên, tức là thuê bao có thể thu phát ở bất cứ ñiểm nào

b) Nhược ñiểm :

- ðồng bộ mã PN rất khó khăn do ảnh hưởng của môi trường truyền;

- Việc mã hóa và giải mã rất phức tạp, tốc ñộ cao, ñòi hỏi ñộ chính xác rất cao

1.2.2.2 Ứng dụng của kỹ thuật trải phổ

Với những ưu ñiểm vượt bậc so với các kỹ thuật ñiều chế thông thường, kỹ thuật trải phổ ñã ñược áp dụng nhiều vào các lĩnh vực thông tin vô tuyến Trong số ñó, có các ứng dụng ñược coi là ñặc trưng của kỹ thuật trải phổ như:

- Ứng dụng trong hệ thống Rada;

- Sử dụng trong hệ thống ñịnh vị toàn cầu;

- Dùng trong hệ thống thông tin vệ tinh;

- Ứng dụng trong hệ thống thông tin di ñộng tế bào CDMA

1.2.3 Nguyên lý CDMA

Công nghệ CDMA dựa trên việc phân kênh theo mã Thực tế, ñó là quá trình trộn tín hiệu với một quá trình ngẫu nhiên Thường thì quá trình ngẫu nhiên có tần số rất lớn so với tín hiệu số liệu gốc nên tín hiệu sau khi ñược ñiều chế trải phổ có phổ tần ñều trải trên cả băng thông

Trong CDMA, do sử dụng kỹ thuật trải phổ nên nhiều người dùng có thể chiếm cùng một kênh vô tuyến ñồng thời tiến hành các cuộc gọi cùng một lúc Mỗi người dùng ñều có thể truy nhập hệ thống mà không bị trùng với bất kỳ ai bởi vì mỗi thuê bao này ñược mã hóa với một mã ñặc trưng riêng Dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp, tín hiệu số băng tần gốc ñược trải phổ rộng nhờ một mã trải phổ PN (giả ngẫu nhiên) ðối với máy thu thông thường nó thể hiện gần giống tạp âm nền và thường ít gây nhiễu Nguyên lý phát và thu

CDMA có thể ñược mô tả như hình 1.2

Hình 1.2: Nguyên lý thu- phát trong thông tin di ñộng CDMA

1.2.4 Hệ thống thông tin di ñộng tế bào CDMA

Vào giữa những năm của thập kỷ 90, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) ñã bắt ñầu

cố gắng ñể phát triển một cơ cấu các tiêu chuẩn và các hệ thống, mà các hệ thống này sẽ cung cấp các dịch vụ viễn thông một cách ña dạng với môi trường không dây tới người sử dụng bất kỳ nơi ñâu và bất kỳ lúc nào Sau ñó, IMT-2000, một bộ phận của ITU, ñã ñưa ra một tập hợp các yêu cầu cần thực thi ñối với 3G Các yêu cầu ñó bao gồm (cho cả dữ liệu chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh):

- Tốc ñộ dữ liệu cực tiểu 144 kbit/s dành cho môi trường di ñộng bằng phương tiện giao thông;

- Tốc ñộ dữ liệu cực tiểu 384 kbit/s dành cho môi trường di ñộng người ñi bộ;

- Tốc ñộ dữ liệu cực tiểu 2 Mbit/s dành cho môi trường cố ñịnh trong nhà và picocell;

Bản tin gốc ñược phục hồi

Máy thu và giải ñiều chế Phát PN

Hơn nữa, trong tất cả các loại môi trường, hệ thống phải hỗ trợ các tốc ñộ dữ liệu như nhau cho cả hai hướng lên và xuống (tốc ñộ dữ liệu ñối xứng) cũng như các tốc ñộ dữ liệu khác nhau cho cả hai hướng lên và xuống (tốc ñộ dữ liệu không ñối xứng) [60]

Có một vài chuẩn và hệ thống, như Hệ thống Viễn thông Di ñộng Toàn cầu (UMTS)

ñược thực hiện trong một phổ tần 3G mới (ví dụ ở Châu Âu) Trong khi ñó một vài chuẩn và

hệ thống khác, như IS-2000 có thể cung cấp các dịch vụ 3G trong phổ tần ñã ñược sử dụng cho các hệ thống 2G (ví dụ ở Bắc Mỹ) [60]

Tương tự các hệ thống thông tin di ñộng mặt ñất nói chung, vùng phục vụ trong hệ

thống thông tin tế bào CDMA ñược chia thành các tế bào hình lục giác như hình 1.3 Mỗi tế

bào gồm có một trạm gốc ñược kết nối với trung tâm chuyển mạch di ñộng (MSC) Trong mỗi tế bào, luôn luôn có hai kênh truyền giữa máy di ñộng và trạm gốc, ñó là kênh ñường lên

và kênh ñường xuống Cấu hình của một trạm gốc bao gồm:

+ Kênh CDMA ñường xuống là kênh truyền từ trạm gốc (BS) ñến máy di ñộng (MS) + Kênh CDMA ñường lên là kênh truyền từ MS ñến trạm gốc BS

Trong hệ thống thông tin di ñộng CDMA, kênh vô tuyến ñược tái sử dụng ở mỗi tế bào trong toàn mạng, và những kênh này cũng ñược phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên Một kênh CDMA rộng 1.2288 MHz với hai dải biên phòng vệ là 0,27 MHz Như vậy, mỗi một kênh CDMA chiếm khoảng băng thông là 1,77 MHz CDMA dùng mã trải phổ có tốc ñộ chip là 1.2288 Mcps Dòng dữ liệu thông tin ñược mã hóa và ñiều chế ở tốc ñộ chip này Tốc ñộ này chính là tốc ñộ mã ñầu ra của máy phát PN

Hình 1.3: Hệ thống thông tin di ñộng CDMA

Phiên bản CDMA-2000 1x sử dụng tốc ñộ trải phổ 1 (SR-1), còn gọi là “1x” của

IS-2000 SR-1 bởi việc giới hạn sử dụng một lần tốc ñộ chíp của IS-95 (tức là 1.2288Mcps) Chuẩn IS-2000 cũng hỗ trợ SR-3, còn gọi là “3x” SR-3 ñược sử dụng khi cần có tốc ñộ dữ liệu cao hơn SR-3 có hai lựa chọn thực hiện: trải phổ trực tiếp (DS) hoặc ña sóng mang (MC) Trên hướng xuống, SR-3 sử dụng phương án MC bằng việc tận dụng ba sóng mang riêng lẻ, mỗi sóng mang trải phổ sử dụng một tốc ñộ chip 1.2288 Mcps Trong trường hợp này, dữ liệu người dùng ñược ghép vào ba sóng mang RF riêng biệt, các sóng mang này ñược thu bởi một MS Trên hướng lên, SR-3 sử dụng phương án DS Phương án DS này cho phép

MS trải phổ trực tiếp dữ liệu của nó trên một băng thông rộng sử dụng một tốc ñộ chip 3.6864 Mcps ðể hòa hợp với các hệ thống 3G khác như UMTS, một tín hiệu SR-3 có thể có

625 khz băng thông bảo vệ cho mỗi phía, kết quả là băng thông RF tổng cộng là 5 MHz [60]

ðể nén phổ trở lại, máy thu phải dùng mã trải phổ PN chính xác như khi tín hiệu ñược

xử lý ở máy phát Nếu mã PN ở máy thu khác hoặc không ñồng bộ với mã PN tương ứng ở máy phát thì tin tức truyền ñi không thể ñược thu nhận hay hiểu ñược ở máy thu

1.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn

1.2.5.1 Hiệu ứng gần – xa (near-far)

Khi trong một mạng có hai ñối tượng sử dụng cùng liên lạc với trạm gốc, một ñối tượng ở gần ngay trạm gốc, còn ñối tượng kia ở xa trạm gốc hơn nhiều thì sẽ xuất hiện hiện tượng mà ở ñó, mức công suất thu ñược tại trạm gốc của ñối tượng sử dụng ở gần trạm gốc

có thể lớn hơn mức tín hiệu của ñối tượng ở xa trạm gốc ñến hàng chục dB Kết quả là máy thu ở trạm gốc chỉ có khả năng thu tốt tín hiệu của máy thu ở gần Nguyên nhân là do mức tín hiệu của máy ở gần trạm gốc là rất lớn; cả hai máy thu cùng sử dụng chung một băng tần

ở chế ñộ không ñồng bộ nên mức nhiễu nền của máy thu ở gần gây ra có ảnh hưởng lớn ñến chất lượng tín hiệu của máy thu ở xa và dẫn ñến hiện tượng tỷ lệ lỗi bit của máy thu thứ hai

thường rất cao Hiện tượng này người ta gọi là hiệu ứng gần – xa

Nguyên nhân gây ra hiệu ứng gần - xa là do các tín hiệu thu ñược không trực giao với nhau Việc các tín hiệu này thu ñược không trực giao với nhau là do các vấn ñề ñồng bộ mã phát, ảnh hưởng của môi trường truyền dẫn,….ðể giải quyết hiện tượng này, người ta ñã sử dụng các phương pháp sau :

- ðiều khiển công suất phát tín hiệu theo một thuật toán nào ñó sao cho mức các tín hiệu thu ñược là xấp xỉ nhau tại BS và do ñó giảm ñược khả năng can nhiễu giữa các kênh

- ðiều chỉnh quá trình phát tín hiệu sao cho có thể ñồng bộ ñược mã giữa các kênh khác nhau, ñặc biệt là kênh ñường lên

- Sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu thông minh ñể tạo ñược các ñường biên quyết ñịnh gần với ñường biên tối ưu

Hình 1.4: Hiệu ứng gần-xa trong thông tin di ñộng

1.2.5.2 Hiện tượng Fading

Tín hiệu vô tuyến phát ra từ một trạm gốc của hệ thống thông tin di ñộng không những chịu ảnh hưởng của suy hao ñường truyền giống như các tín hiệu truyền trong khí quyển mà còn bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng suy hao truyền sóng bề mặt Suy hao tín hiệu

do truyền sóng bề mặt phụ thuộc chủ yếu vào ñịa hình ðộ cao anten của hệ thống vô tuyến

di ñộng thường là nhỏ, rất gần với mức bề mặt là một yếu tố tham gia vào suy hao ñường truyền phụ này Thông thường, ñặc ñiểm của bề mặt và ñộ gồ ghề của ñịa hình có chiều hướng phân tán năng lượng tín hiệu lan truyền và làm giảm cường ñộ tín hiệu tại máy di ñộng cũng như tại trạm gốc Các loại suy hao này tổ hợp với suy hao không gian tạo nên suy hao ñường truyền của tín hiệu vô tuyến di ñộng

Các tín hiệu vô tuyến di ñộng cũng bị ảnh hưởng bởi nhiều loại tán xạ và fading làm giảm biên ñộ tín hiệu trong môi trường thông tin vô tuyến di ñộng Có hai loại fading ảnh hưởng ñến hệ thống thông tin di ñộng là fading dài (large scale) và fading ngắn (Small scale)

Fading dài (Fading chậm) biểu thị suy hao trung bình công suất của tín hiệu hay suy

hao ñường truyền do sự di chuyển của máy di ñộng trong một khu vực rộng lớn Nguyên

nhân gây ra fading chậm là do ảnh hưởng của các vật cản tự nhiên và nhân tạo giữa máy phát

và máy thu Ví dụ như ñồi núi, rừng, các tòa nhà cao tầng, các công trình kiến trúc,…Các vật

Tín hiệu yếu

Tín hiệu mạnh

MS

MS

BS

Sai lệch công suất thu do hiệu ứng gần xa < 80 dB

cản này thường làm cho ở máy thu xảy ra hiệu ứng che khuất Việc thống kê các hiệu ứng fading chậm sẽ đưa ra một phương pháp để dự đốn và tính tốn suy hao trung bình của đường truyền như là một hàm theo khoảng cách Các giá trị này được gọi là suy hao trung bình và suy hao phân bố logarit chuẩn

Fading ngắn (fading nhanh, fading nhiều đường) xảy ra do dự thay đổi về gĩc pha và

biên độ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu được Tốc độ thay đổi này phụ thuộc vào tốc độ

fading Fading nhanh cịn được gọi là fading Rayleigh, bởi vì khi cĩ nhiều tia phản xạ mà

khơng cĩ tia truyền thẳng thì đường bao của tín hiệu thu được sẽ được biểu thị dưới dạng

hàm mật độ phân bố xác suất Rayleigh

ðể đánh giá về lượng mơi trường vơ tuyến di động, điều cần thiết trước tiên là khảo sát các thuộc tính của tín hiệu truyền trong mơi trường vơ tuyến, nhất là tín hiệu sĩng mang

Ta cĩ thể biểu thị tín hiệu này dưới dạng tốn học như sau :

s 0 (t) = a 0 cos(ω0 t+φ0 ) (1.1)

trong đĩ : s 0 (t) là sĩng mang được phát từ trạm gốc; a 0 biểu thị biên độ của tín hiệu, φφφφ0 là pha

của tín hiệu Cả hai a 0 và φφφφ0 đều được coi là hằng số Tần số gĩc ω0 = 2πf 0 , với f 0 là tần số của sĩng mang

Khi khảo sát tín hiệu fading đa đường, người ta thường xét đến ba tình huống sau :

- MS và tất cả các vật tán xạ đều đứng yên Khi đĩ sẽ xảy ra hiện tượng fading đa

đường tĩnh,

- Máy di động đứng yên và các vật tán xạ chuyển động,

- Cả máy di động và vật tán xạ đều chuyển động

Hình 1.5:Hiện tượng fading nhiều đường trong thơng tin di động

Thu tín hiệu ở các thời điểm

Khi một tín hiệu fading tức thời thu ñược tại thời ñiểm t bất kỳ trong môi trường vô

tuyến di ñộng thì tín hiệu này có thể ñược xác ñịnh bằng [2]:

Tín hiệu fading tức thời s(t) thu ñược chứa cả hai thông tin về ñường bao r(t) và thông

tin về pha ψ(t) Mặc dù thông tin về pha ψ(t) không ñược sử dụng khi tính toán suy hao

ñường truyền dẫn nhưng nó ảnh hưởng trực tiếp ñến tính năng tạo tín hiệu và chất lượng của

tín hiệu Nói tóm lại, các ñặc trưng thống kê của fading và công suất trung bình ñóng vai trò

quyết ñịnh việc thiết lập khuôn mẫu tín hiệu, từ ñó tính BER và xác ñịnh giải pháp giảm tỷ số BER

Fading ảnh hưởng rất lớn ñến chất lượng dịch vụ thoại trong hệ thống thông tin di

ñộng, bởi vì fading làm thay ñổi biên ñộ và góc pha của tín hiệu thu ñược Do vậy, trong thông tin di ñộng người ta ñã cố gắng hạn chế hiện tượng fading bằng nhiều phương pháp

khác nhau như dùng kỹ thuật thu phân tập, ñiều chế sóng mang,…Trong hệ thống tế bào CDMA, ñiều khiển công suất cũng là một trong những phương pháp ñược dùng ñể khắc phục

fading (nhất là fading nhanh) do bản chất của hệ thống thông tin di ñộng là các máy MS luôn

luôn di ñộng ở các tốc ñộ khác nhau Từ ñó xảy ra hiện tượng fading dữ dội là ñiều không thể

tránh khỏi

1.2.6 ðiều khiển công suất trong hệ thống tế bào CDMA

Trước ñây, khi thiết kế các hệ thống thông tin di ñộng người ta thường gặp phải hai

vấn ñề rất khó giải quyết là: fading nhiều ñường và nhiễu ñồng kênh từ các tế bào khác sử

dụng cùng tần số Do bản chất của tín hiệu trong các hệ thống CDMA là băng rộng nên các

hệ thống này không chịu ảnh hưởng nhiều lắm của fading nhiều ñường Hơn nữa, do hệ

thống sử dụng chung một băng tần nên tất cả các tế bào ñều dùng tần số giống nhau Kỹ thuật CDMA còn có một loạt các ưu ñiểm so với các hệ thống khác như dung lượng hệ thống cao hơn, quản lý tần số ñơn giản, ñơn giản hóa cấu trúc của máy thu,… Tuy vậy, một trong những vấn ñề khó giải quyết nhất trong các hệ thống thông tin di ñộng CDMA là hiệu ứng

gần – xa Do ñó, nhiệm vụ của ñiều khiển công suất là ñiều khiển mức công suất phát của

máy di ñộng sao cho mức tín hiệu thu ñược tại trạm gốc từ các máy này có giá trị tương ñương nhau Bên cạnh việc làm tăng chất lượng truyền dẫn tín hiệu, việc sử dụng kỹ thuật ñiều khiển công suất còn có tác dụng kéo dài thời gian hoạt ñộng của pin Khi máy di ñộng chỉ phát với một mức công suất thấp thì mức tiêu thụ ñiện sẽ ít hơn

Hệ thống thông tin tế bào CDMA cung cấp chức năng ñiều khiển công suất hai chiều (từ BS ñến MS và ngược lại) nhằm làm tăng dung lượng của hệ thống, chất lượng dịch vụ cuộc gọi cao và một số lợi ích khác Có các ba phương pháp ñiều khiển công suất bao gồm:

ñiều khiển công suất vòng hở, ñiều khiển công suất nhanh vòng kín gồm ñiều khiển công suất vòng trong và ñiều khiển công suất vòng ngoài

ðiều khiển công suất vòng hở thực hiện ñánh giá gần ñúng công suất ñường xuống của tín hiệu hoa tiêu dựa trên tổn hao ñường truyền sóng của tín hiệu này Nhược ñiểm của phương pháp này là do ñiều kiện truyền sóng của ñường xuống khác với ñường lên, nhất là

do fading nhanh nên sự ñánh giá sẽ thiếu chính xác Trong hệ thống CDMA trước ñây, người

ta sử dụng phương pháp này kết hợp với ñiều khiển công suất vòng kín, còn ở hệ thống CDMA phương pháp ñiều khiển công suất này chỉ ñược sử dụng ñể thiết lập công suất gần ñúng khi truy nhập mạng lần ñầu [2]

W-Phương pháp ñiều khiển công suất nhanh vòng kín như sau: BS thường xuyên ñánh

giá tỷ số tín hiệu trên nhiễu thu ñược (SIR) và so sánh nó với SIR ñích tại ñiểm ñặt

thị MS tăng công suất Tần suất thực hiện quá trình này là 1500 lần trong một giây ở

W-CDMA Tần suất này cao hơn mọi thay ñổi tổn hao ñường truyền và thậm chí có thể nhanh

hơn fading nhanh khi MS chuyển ñộng với tốc ñộ thấp [11, 15]

Kỹ thuật ñiều khiển công suất như vậy, ñược gọi là vòng trong, cũng ñược dùng cho ñường xuống mặc dù ở ñây không có hiệu ứng gần xa vì tất cả các tín hiệu ñến các MS trong cùng một tế bào ñều xuất phát từ một BS Tuy nhiên, lý do ñiều khiển công suất ở ñây như sau: khi MS tiến gần ñến vùng biên của tế bào, nó chịu ảnh hưởng ngày càng tăng của nhiễu

từ các tế bào lân cận ðiều khiển công suất ñường xuống lúc này là ñể tạo một lượng dự trữ công suất cho các MS trong trường hợp nói trên Ngoài ra, ñiều khiển công suất ñường xuống

cho phép bảo vệ các tín hiệu yếu do fading Releigh gây ra, nhất là khi các mã sửa sai làm việc không hiệu quả [2] Tuy nhiên, khi hiện tượng fading sâu xảy ra, công suất phát ñường

xuống sẽ phải lớn lên và ñiều này làm tăng nhiễu cho các tế bào lân cận

ðiều khiển công suất vòng ngoài thực hiện ñiều chỉnh giá trị SIR setpoint ở BS cho phù hợp với yêu cầu của từng ñường truyền vô tuyến ñể ñạt ñược chất lượng các ñường truyền vô tuyến như nhau ðể thực hiện ñiều khiển công suất vòng ngoài, mỗi khung số liệu của người dùng ñược gắn chỉ thị chất lượng khung Kết quả kiểm tra chỉ thị chất lượng khung này sẽ ñược thông báo cho RNC Trong trường hợp có suy giảm chất lượng, RNC sẽ lệnh cho BS

tăng SIR setpoint Lý do ñặt ñiều khiển vòng ngoài ở RNC là vì chức năng này thực hiện sau khi tiến hành kết hợp các tín hiệu ở chuyển giao mềm [2]

1.2.7 Chuyển giao trong hệ thống tế bào CDMA

Chuyển giao là một kỹ thuật quan trọng trong các hệ thống thông tin tế bào Trong các hệ thống CDMA, kỹ thuật chuyển giao ñược sử dụng chủ yếu là chuyển giao mềm và mềm hơn Việc thực hiện chuyển giao là nhằm tránh hiệu ứng gần xa xảy ra khi MS tiến sâu vào vùng phủ sóng của tế bào lân cận mà không ñược BS của tế bào này ñiều khiển công suất dẫn ñến nó sẽ gây nhiễu rất lớn cho các MS khác tại tế bào này Chuyển giao cứng thường xuyên và nhanh có thể tránh ñược ñiều này, nhưng loại chuyển giao này có thể gây gián ñoạn thông tin cho cuộc gọi khi kết nối với BS cũ ñã bị cắt nhưng kết nối với BS mới chưa thực hiện ñược Chuyển giao mềm ñược sử dụng ñể khắc phục hiện tượng này Trong chuyển giao mềm, kết nối giữa MS với BS cũ chỉ bị ngắt khi MS ñã kết nối thành công với BS mới ðiều này làm giảm ñáng kể xác suất gián ñoạn thông tin do chuyển giao

Chuyển giao mềm hơn là chuyển giao ñược thực hiện khi MS nằm ở vùng chồng lấn giữa hai ñoạn của một tế bào Liên lạc giữa MS với BS lúc này ñược thực hiện ñồng thời trên

cả hai kênh của giao diện vơ tuyến Vì thế cần sử dụng hai mã khác nhau trên đường xuống

để MS cĩ thể phân biệt được hai tín hiệu [2]

1.2.7.1 Tiêu chuẩn khi thực hiện chuyển giao

Tiêu chuẩn chuyển giao phụ thuộc vào loại chuyển giao, vào tế bào được dự định chuyển giao đến và kết quả chuyển giao được dự kiến ðối với chuyển giao giải cứu, tiêu

chuẩn chuyển giao là: sai lỗi truyền dẫn, suy hao đường truyền, và trễ truyền dẫn

Trong quá trình thơng tin giữa MS và BS thì các thơng tin về chất lượng truyền dẫn, mức tín hiệu sẽ được MS đo lường liên tục một cách định kỳ Sau đĩ, dựa vào các yếu tố trên

hệ thống đưa ra dự đốn về suy hao đường truyền MS truyền số liệu đo lường về BS theo định kỳ ðối với chuyển giao để chống nhiễu, tiêu chuẩn là kết quả so sánh chất lượng truyền dẫn giữa MS với BS phục vụ với các BS trong các tế bào kế cận ðối với chuyển giao lưu thơng, tiêu chuẩn là tải lưu lượng của mỗi BS do MSC và BSC (bộ điều khiển trạm gốc) biết được Cĩ thể tĩm tắt các thơng số làm cơ sở cho quyết định chuyển giao là [2]:

- Cơng suất phát cực đại của MS, BS đang phục vụ và BS của các tế bào kế cận,

- Số liệu đo lường thời gian thực của MS về chất lượng truyền dẫn đường xuống (BER), mức tín hiệu đang thu được của kênh đang thơng tin và mức tín hiệu thu được từ các

Như phần trên đã đề cập, chuyển giao mềm và mềm hơn dựa trên nguyên tắc kết nối

“nối trước khi cắt” Trong chuyển giao mềm, MS cĩ thể thơng tin với hai hay ba sector của các tế bào khác nhau Trạm gốc đang trực tiếp phục vụ cuộc gọi được xem như là trạm gốc

sơ cấp Trạm gốc sơ cấp cĩ thể khởi xướng các bản tin điều khiển hướng đi Các trạm gốc khác khơng trực tiếp phục vụ cuộc gọi thì được gọi là các trạm gốc thứ cấp Quá trình chuyển giao mềm kết thúc khi trạm gốc sơ cấp hay trạm gốc thứ cấp bị rớt Nếu trạm gốc sơ cấp bị rớt, trạm gốc thứ cấp sẽ trở thành trạm gốc sơ cấp mới cho cuộc gọi này Chuyển giao mềm

giữa ba tế bào sẽ kết thúc khi một trong ba tế bào bị rớt ñầu tiên và quá trình trở thành chuyển giao giữa hai tế bào Các trạm gốc có liên quan phối hợp chuyển giao với nhau bằng cách trao ñổi thông tin cho nhau thông qua báo hiệu số 7 Với chuyển giao mềm, trạm di ñộng ñồng thời có thể trao ñổi thông tin với hai hay nhiều trạm gốc Tín hiệu từ các trạm gốc này có thể ñược kết hợp với nhau ở ñường xuống ñể tăng cường chất lượng của ñường truyền Ở ñường lên, thông thường các trạm gốc nói trên tách tín hiệu ñộc lập Nếu các tín hiệu này khác nhau, trung tâm chuyển mạch có thể chọn tín hiệu tốt nhất Dưới ñây, ta xét quá trình chuyển giao mềm khi trạm di ñộng thông tin ñồng thời với hai trạm gốc

Trong khi thiết lập kết nối, trạm di ñộng phát hiện và bám trạm gốc có công suất lớn nhất ðồng thời, trạm di ñộng liên tục giám sát công suất của các trạm gốc lân cận Khi phát hiện một trạm gốc mới có công suất ñủ lớn (so với công suất của trạm gốc ñang bám), trạm

di ñộng sẽ thông báo ñiều này cho trạm gốc mà nó ñang bám Trạm gốc này sẽ thông báo cho trung tâm chuyển mạch ñể cho phép trạm gốc thứ hai phát và thu lưu lượng từ trạm di ñộng

Ở ñường xuống máy thu RAKE giải ñiều chế cả hai tín hiệu ở cả hai ngón của “RAKE” và kết hợp chúng một cách nhất quán có ñiều chỉnh trễ Ở ñường lên mỗi trạm gốc giải ñiều chế

và giải mã khung tiếng (hay gói số liệu) ñộc lập rồi gửi chúng ñến trung tâm chuyển mạch ñể chọn các khung này Việc chuyển ñổi xảy ra từ từ Tế bào thứ hai ñược từ từ ñưa vào sử dụng, bắt ñầu khi chuyển sang tế bào lân cận Khi tín hiệu từ trạm gốc thứ nhất trở nên quá yếu so với trạm gốc thứ hai ñến nỗi không thể giải ñiều chế và giải mã ñược, trạm gốc thứ nhất sẽ bị loại trên cơ sở ño cường ñộ trường hay chính bởi trạm gốc này Ở chuyển giao mềm, ñối với mỗi khung cho trước, việc chọn tế bào tốt hơn ñược thực hiện mà không cần cho phép tế bào mới hay hủy bỏ tế bào cũ như ở chuyển giao cứng Trong thực tế, ñể tránh việc xảy ra chuyển giao thường xuyên, tế bào thứ hai chỉ ñược cho phép khi cường ñộ tín hiệu của nó khá lớn so với tế bào thứ nhất

Chuyển giao mềm giữa 3 cell Chuyển giao mềm giữa 2 cell

Hình 1.6 Vùng chuyển giao mềm

Lợi ích của chuyển giao mềm là quá trình thông tin trên kênh lưu lượng hướng ñi và hướng về Hệ số thu phải ñủ lớn ñể ñảm bảo thu ñược vì công suất phát thấp ñược yêu cầu trên kênh lưu lượng hướng ñi và hướng về ðiều này có ý nghĩa là tổng nhiễu của hệ thống giảm và kết quả là dung lượng của hệ thống tăng lên ñồng nghĩa với chất lượng cuộc thoại tốt hơn Ngoài ra, công suất phát thấp từ MS cũng làm tăng tuổi thọ và thời gian làm việc của pin Trong chuyển giao mềm, nếu một trạm di ñộng thu ñược tín hiệu ñiều khiển công suất tăng từ một trạm gốc và thu ñược tín hiệu ñiều khiển công suất giảm từ một trạm gốc khác thì

MS sẽ giảm công suất phát của nó ðể thực hiện ñiều này có hiệu quả thì phải ñảm bảo có một tuyến liên kết thông tin tin cậy từ trạm gốc thứ hai

1.2.7.3 Chuyển giao mềm hơn

Chuyển giao mềm hơn là chuyển giao giữa các ñoạn (sector) trong cùng một tế bào khi trạm MS thông tin với hai sector của cùng một tế bào Máy thu tại trạm gốc sẽ kết hợp các khung thoại tốt nhất từ các anten rẽ quạt của hai sector thành một khung ñơn

1.2.7.4 Chuyển giao mềm – mềm hơn

Hình 1.8: Vùng chuyển giao mềm – mềm hơn

Hình 1.7: Vùng chuyển giao mềm hơn

Chuyển giao mềm – mềm hơn khi MS thông tin với hai sector trong thuộc hai tế bào khác nhau

1.2.7.5 Chuyển giao cứng

Chuyển giao cứng ñược thực hiện khi cần chuyển sang một kênh tần số mới, là loại chuyển giao ñược thực hiện dựa trên nguyên tắc “cắt trước nối sau”, tức là liên kết với kênh lưu lượng cũ bị cắt bỏ trước khi nó ñược nối ñến kênh lưu lượng mới

Nhược ñiểm chính của loại chuyển giao này là xác suất rớt cuộc gọi trong quá trình chuyển giao cao, chất lượng cuộc gọi thấp

1.2.7.6 Các tập kênh hoa tiêu

Mỗi kênh hoa tiêu của mỗi trạm gốc ñược phân biệt với nhau bởi chỉ số dịch và tần số ñược ấn ñịnh cho nó Các kênh hoa tiêu này liên kết với các kênh lưu lượng CDMA ñường xuống (BS ñến MS) Mỗi kênh hoa tiêu ở các tần số khác nhau ñều có khoảng dịch thời gian như nhau Trạm di ñộng tìm kênh hoa tiêu nhờ sự lệch ñịnh thời của chuỗi PN là bội số nguyên của thời gian tần số ñược biết (64 chips giữa các kênh hoa tiêu kế cận) Chẳng hạn kênh có chỉ số dịch là 15 thì sẽ có thời gian dịch là 15*64=960 PN chips Tất cả các kênh hoa tiêu trong cùng một tập thì có cùng tần số Các kênh hoa tiêu ñược chia thành 4 nhóm sau:

Tập tích cực: chứa các kênh hoa tiêu liên kết với các kênh lưu lượng ñường xuống

ñược ấn ñịnh cho trạm di ñộng Do MS sử dụng ba bộ giải ñiều chế nên kích thước tập tích cực bằng giá trị lớn nhất của ba kênh hoa tiêu Trạm gốc thông báo cho trạm di ñộng nội dung của tập tích cực bằng bản tin ấn ñịnh kênh hoặc bản tin hướng dẫn chuyển giao

Tập ứng cử: chứa các kênh hoa tiêu hiện thời không nằm trong tập tích cực Tuy

nhiên, các kênh này ñược thu với cường ñộ tín hiệu ñủ lớn ñể ñảm bảo các kênh lưu lượng ñường xuống có thể giải ñiều chế thành công Kích thước lớn nhất của tập ứng cử là 6 kênh hoa tiêu

Tập kế cận: chứa các kênh hoa tiêu hiện thời không nằm trong tập tích cực và tập ứng

cử, và có thể tham gia vào quá trình chuyển giao Danh sách ban ñầu của các kênh kế cận

ñược gửi ñến trạm di ñộng ở bản tin thông số hệ thống trên kênh nhắn tin Kích thước lớn nhất của tập gần là 20 kênh hoa tiêu

Tập còn lại: chứa tất cả các kênh hoa tiêu trong hệ thống, trừ các kênh của tập tích

cực, tập ứng cử và tập kế cận

1.2.7.7 Báo hiệu trong chuyển giao

Trong quá trình liên lạc giữa MS và BS, MS luôn thực hiện việc dò tìm các tín hiệu pilot của các trạm lân cận và ño cường ñộ của chúng Khi MS tìm ñược một tín hiệu pilot có cường ñộ ñủ mạnh ñể thay thế cho tín hiệu pilot mà MS ñang dùng ñồng thời kênh này không liên quan gì ñến các kênh lưu lượng ñường xuống ñang ñược ấn ñịnh ñến MS, khi ñó

sẽ xuất hiện việc trao ñổi các bản tin sau:

- MS gửi một bản tin ño cường ñộ trường của pilot này, kể cả pilot ñang phục vụ cho

MS, ñến trạm gốc Trạm gốc này sẽ liệt kê tất cả các pilot nhận ñược từ MS Bản tin này là bản tin ñầu tiên trong quá trình chuyển giao

- Trạm gốc ấn ñịnh một kênh lưu lượng ñường xuống kết hợp với kênh pilot ñó và gửi một bản tin hướng dẫn chuyển giao ñến MS Bản tin hướng dẫn chuyển giao liệt kê các kênh lưu lượng ñường xuống MS nhận ñược bản tin hướng dẫn chuyển giao với các kênh lưu lượng ñường xuống nhưng chỉ có một kênh ñược giải ñiều chế

- Sau khi thực hiện xong chuyển giao thì MS sẽ gửi một bản tin hoàn thành chuyển giao về trạm gốc trên kênh lưu lượng mới ñể xác nhận rằng MS ñã thu thành công ở kênh lưu lượng mới hướng về

1.3 ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi trong hệ thống tế bào CDMA

ða truy nhập phân chia theo mã CDMA là hệ thống ñược mong ñợi ñể cung cấp nhiều dịch vụ với chất lượng cao Tuy nhiên, khả năng của hệ thống khi cung cấp tải trọng lưu lượng lớn và các dịch vụ băng rộng lại bị giới hạn bởi phổ tần vô tuyến có sẵn Nhiều kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Management – RRM) phức tạp ñã ra ñời

ñể ñảm bảo việc sử dụng tài nguyên một cách hiệu quả trong khi vẫn ñảm bảo chất lượng dịch vụ yêu cầu cho người dùng di ñộng và ñiều khiển thâm nhập cuộc gọi là một trong những kỹ thuật ñó

ðiều khiển thâm nhập cuộc gọi có chức năng ñiều hòa việc truy nhập mạng ñể ñảm bảo ñộ dự phòng về chất lượng dịch vụ QoS Nó ñưa ra các quyết ñịnh thâm nhập mạng dựa vào các thông số như: băng thông hiệu dụng, thông tin di chuyển của người dùng, tài nguyên mạng…Vì dung lượng của mạng CDMA phụ thuộc vào nhiễu ñược tạo ra bởi mỗi một cuộc gọi ở tế bào phục vụ và các tế bào lân cận nên việc thiết kế thuật toán ñiều khiển thâm nhập cuộc gọi trong mạng CDMA tương ñối khó khăn hơn so với FDMA và TDMA

Như vậy, ñiều khiển thâm nhập cuộc gọi là một thủ tục quan trọng trong các hệ thống thông tin tế bào CDMA nhằm quản lý có hiệu quả nguồn tài nguyên của hệ thống Kỹ thuật này ñược sử dụng nhằm cho phép nhiều người dùng nhất ñược thâm nhập vào mạng trong khi vẫn ñảm bảo ñược chất lượng dịch vụ ñối với tất cả các người dùng ñang kết nối trong mạng

Ở thủ tục này, khi một MS gửi yêu cầu kết nối tới mạng, mạng sẽ kiểm tra yêu cầu về tài nguyên của cuộc gọi này trên cơ sở yêu cầu về QoS của nó Sau ñó hệ thống sẽ kiểm tra lượng tài nguyên sẵn dùng của mạng trên cơ sở các thông số ño ñược từ trạng thái của mạng Cuộc gọi mới chỉ ñược phép kết nối khi sự xuất hiện của cuộc gọi mới này không làm ảnh hưởng tới chất lượng của tất cả các cuộc gọi trong mạng ñồng thời chất lượng dịch vụ của cuộc gọi mới cũng ñược ñảm bảo

1.4 ðiều khiển thâm nhập trong một số mạng thông tin di ñộng 3G thực tế tại Việt

Nam

Hiện nay, tại Việt Nam ñã có bốn nhà cung cấp dịch vụ mạng 3G trên nền CDMA, bao gồm Vinaphone, Mobifone, Viettel và liên danh EVN và Hà Nội Telecom Trong ñó, các mạng Vinaphone, Mobifone và Viettel sử dụng công nghệ UMTS (Universal Mobile Telecommunications System, Hệ thống viễn thông di ñộng toàn cầu) dựa trên chuẩn W-CDMA Cũng giống như các công nghệ khác sử dụng kỹ thuật CDMA, mạng di ñộng theo công nghệ UMTS có dung lượng mềm Số lượng người dùng phụ thuộc vào mức ñộ can nhiễu Mỗi người dùng khi ñược thâm nhập sẽ làm tăng nhiễu cho tế bào phục vụ nó và có thể cả các tế bào lân cận ñồng thời nó cũng làm tăng tải của tế bào Do ñó cần phải xác ñịnh ngưỡng nhiễu hoặc ngưỡng tải của tế bào Nếu giá trị thực tế vượt qua ranh giới này, một số rắc rối có thể xảy ra Tải của tế bào có ảnh hưởng trực tiếp ñến phạm vi và vùng phủ sóng của tế bào Một cuộc gọi mới ñược thâm nhập có thể làm giảm QoS của các cuộc gọi khác hoặc thậm chí gây ngắt một số cuộc gọi ở các tế bào lân cận ðiều khiển thâm nhập phải