GIỚI THIỆU CHUNG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG WCDMA
Mục đích chung của quản lý tài nguyên vô tuyến
Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) trong mạng di động 3G đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa việc sử dụng nguồn tài nguyên vô tuyến Mục tiêu chính của RRM là cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên, đảm bảo chất lượng dịch vụ và tăng cường trải nghiệm người dùng.
• Đảm bảo QoS cho các dịch vụ khác nhau
• Duy trì vùng phủ sóng đã được hoạch định
• Tối ưu dung lượng hệ thống
Trong mạng 3G, việc phân bổ tài nguyên và quản lý quá tải trở nên khó khăn do nhu cầu không thể dự đoán và yêu cầu đa dạng từ các dịch vụ khác nhau Do đó, quản lý tài nguyên bao gồm hai khía cạnh quan trọng: cấu hình và điều chỉnh lại cấu hình tài nguyên vô tuyến.
Việc cấu hình tài nguyên vô tuyến là rất quan trọng để phân phối nguồn tài nguyên hợp lý cho các yêu cầu mới, giúp mạng không bị quá tải và duy trì tính ổn định Tuy nhiên, trong mạng 3G, nghẽn có thể xảy ra do sự di chuyển của người sử dụng.
Việc đặt lại cấu hình giúp phân bổ lại tài nguyên mạng khi xuất hiện hiện tượng nghẽn Chức năng này nhanh chóng đưa hệ thống quá tải trở về mức lưu lượng mục tiêu một cách hiệu quả và có thể kiểm soát.
ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
Giới thiệu chung
Mục tiêu của việc sử dụng điều khiển công suất có sự khác biệt giữa quá trình lên và xuống Các mục tiêu này có thể được tóm tắt như sau:
• Khắc phục hiệu ứng gần-xa trên đường lên
• Tối ưu dung lượng hệ thống bằng việc điều khiển nhiễu
• Làm tăng tối đa tuổi thọ pin của đầu cuối di động
Hiệu ứng gần-xa trong hệ thống WCDMA cho thấy tín hiệu từ các MS khác nhau được truyền đồng thời trong cùng băng tần Nếu không có điều khiển công suất, tín hiệu từ MS gần BS có thể chặn tín hiệu từ MS xa hơn Trong tình huống xấu, một MS có công suất quá lớn có thể làm gián đoạn toàn bộ cell Do đó, cần áp dụng điều khiển công suất để đảm bảo các tín hiệu từ các đầu cuối khác nhau có cùng công suất hoặc tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) khi đến BS.
Hình 2-1 Hiệu ứng gần-xa (điều khiển công suất trên đường lên)
Trên đường xuống, điều khiển công suất có vai trò quan trọng trong việc bù nhiễu bên trong cell do các trạm di động gây ra, đặc biệt là nhiễu gần biên giới của các cell Hơn nữa, nó còn giúp giảm thiểu toàn bộ nhiễu để duy trì chất lượng dịch vụ (QoS) ở mức giá trị mục tiêu.
Hình 2-2 Bù nhiễu bên trong cell (điều khiển công suất ở đường xuống)
Trong hình 2-2, MS2 gặp phải nhiều nhiễu hơn MS1 trong cùng một cell Do đó, để đảm bảo chất lượng dịch vụ tương đương, cần cung cấp nhiều năng lượng hơn cho các kênh đường xuống giữa BS và MS2.
Có 3 kiểu điều khiển công suất trong các hệ thống WCDMA : Điều khiển công suất vòng mở, điều khiển công suất vòng kín, và điều khiển công suất vòng bên ngoài
2.1.1 Đ i ề u khi ể n công su ấ t vòng m ở (Open-loop power control) Điều khiển công suất vòng mở được sử dụng trong UMTS FDD cho việc thiết lập năng lượng ban đầu cho MS Trạm di động sẽ tính toán suy hao đường truyền giữa các trạm gốc và trạm di động bằng cách đo cường độ tín hiệu nhận sử dụng mạch điều khiển độ tăng ích tự động (AGC) Tuỳ theo sự tính toán suy hao đường truyền này, trạm di động có thể quyết định công suất phát đường lên của nó Điều khiển công suất vòng mở có ảnh hưởng trong hệ thống TDD bởi vì đường lên và đường xuống là tương hỗ, nhưng không ảnh hưởng nhiều trong các hệ thống FDD bởi vì các kênh đường lên và đường xuống hoạt động trên các băng tần khác nhau và hiện tượng Phadinh Rayleigh trên đường lên và đường xuống độc lập nhau Vậy điều khiển công suất vòng mở chỉ có thể bù một cách đại khái suy hao do khoảng cách Đó là lý do tại sao điều khiển công suất vòng mở chỉ được sử dụng như là việc thiết lập năng lượng ban đầu trong hệ thống FDD
2.1.2 Đ i ề u khi ể n công su ấ t vòng kín Điều khiển công suất vòng khép kín, được gọi là điều khiển công suất nhanh trong các hệ thống WCDMA, có nhiệm vụ điều khiển công suất phát của MS (đường lên), hay là công suất của trạm gốc (đường xuống) để chống lại phadinh của các kênh vô tuyến và đạt được chỉ tiêu tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR được thiết lập bởi vòng bên ngoài Chẳng hạn như trên đường lên, trạm gốc so sánh SIR nhận được từ MS với SIR mục tiêu trong mỗi khe thời gian (0,666ms) Nếu SIR nhận được lớn hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC “0” đến MS thông qua kênh điều khiển riêng đường xuống Nếu SIR nhận được thấp hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC “1” đến MS Bởi vì tần số của điều khiển công suất vòng kín rất nhanh nên có thể bù được phadinh nhanh và cả phadinh chậm
2.1.3 Đ i ề u khi ể n công su ấ t vòng bên ngoài Điều khiển công suất vòng bên ngoài cần thiết để giữ chất lượng truyền thông tại các mức yêu cầu bằng cách thiết lập mục tiêu cho điều khiển công suất vòng kín nhanh Mục đích của nó là cung cấp chất lượng yêu cầu Tần số của điều khiển công suất vòng bên ngoài thường là 10-100Hz Điều khiển công suất vòng bên ngoài so sánh chất lượng nhận được với chất lượng yêu cầu Thông thường, chất lượng được định nghĩa là tỷ lỗi bit mục tiêu xác định (BER) hay Tỷ số lỗi khung (FER) Mối quan hệ giữa SIR mục tiêu và mục tiêu chất lượng tuỳ thuộc vào tốc độ di động và hiện trạng đa đường Nếu chất lượng nhận tốt hơn, có nghĩa là mục tiêu SIR đủ cao để đảm bảo QoS yêu cầu Để giảm thiểu khoảng trống, mục tiêu SIR sẽ phải giảm Tuy nhiên, nếu chất lượng nhận xấu hơn chất lượng yêu cầu, mục tiêu SIR phải tăng lên để đảm bảo QoS yêu cầu.
Điều khiển công suất nhanh
2.2.1 Độ l ợ i c ủ a đ i ề u khi ể n công su ấ t nhanh Điều khiển công suất nhanh trong WCDMA đem lại nhiều lợi ích cho hệ thống Chẳng hạn đối với dịch vụ mô phỏng có tốc độ 8kbps với BLER=1% và ghép xen 10ms Sự mô phỏng được tạo ra trong trường hợp có hoặc không có điều khiển công suất nhanh với bước công suất là 1dB Điều khiển công suất chậm có nghĩa là công suất trung bình được giữ tại mức mong muốn và điều khiển công suất chậm hoàn toàn có thể bù cho ảnh hưởng của suy hao đường truyền và suy hao do các vật chắn, trong khi đó điều khiển công suất nhanh có thể bù được cho phadinh nhanh Phân tập thu hai nhánh được sử dụng trong Nút B ITU Vehicular A là một kênh 5 nhánh trong WCDMA, và ITU Pedestrian A là một kênh 2 nhánh trong đó nhánh thứ hai rất yếu
Tỷ số Eb/N0 và công suất truyền trung bình yêu cầu trong các trường hợp có và không có điều khiển công suất nhanh được trình bày chi tiết trong Bảng 2-1 và Bảng 2-2.
Bảng 2-1 trình bày giá trị E b /N 0 cần thiết trong các trường hợp có và không có điều khiển công suất nhanh So với điều khiển công suất chậm, điều khiển công suất nhanh với tần số 1.5KHz cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ lợi.
ITU PedestrianA 3km/h 11.3dB 5.5Db 5.8dB
ITU Vehicular A 3km/h 8.5dB 6.7dB 1.8dB
ITU VehicularA 50km/h 7.3dB 6.8dB 0.5dB
Bảng 2-1 trình bày công suất phát tương đối yêu cầu trong các trường hợp có và không có điều khiển công suất nhanh So với điều khiển công suất chậm, điều khiển công suất nhanh ở tần số 1.5KHz cho thấy độ lợi vượt trội.
ITU PedestrianA 3km/h 11.3dB 7.7dB 3.6dB
ITU Vehicular A 3km/h 8.5dB 7.5dB 1.0dB
ITU VehicularA 50km/h 7.6dB 6.8dB 0.8dB
Trong 2 bảng trên ta thấy rõ độ lợi mà điều khiển công suất nhanh đem lại như sau:
• Độ lợi của các UE tốc độ thấp lớn hơn các UE tốc độ cao
• Độ lợi theo tỷ số Eb/I0 yêu cầu lớn hơn độ lợi công suất truyền dẫn
2.2.2 Phân t ậ p và đ i ề u khi ể n công su ấ t
Hình 2-3 Công suất phát và thu trong 2 nhánh (công suất khoảng hở trung bình 0dB,- 10dB)
Kênh phadinh Rayleigh tại 3km/h
Phân tập đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển công suất nhanh, đặc biệt với các UE tốc độ thấp, giúp bù đắp phadinh của kênh và duy trì mức công suất thu ổn định Các lỗi trong công suất thu chủ yếu xuất phát từ việc tính toán SIR không chính xác, lỗi báo hiệu và độ trễ trong vòng điều khiển công suất Việc bù phadinh có thể dẫn đến suy giảm công suất truyền dẫn Hình 2-3 minh họa trường hợp có ít phân tập, cho thấy sự biến đổi công suất phát cao hơn so với trường hợp 2-4 do sự khác biệt về số lượng phân tập Các loại phân tập bao gồm phân tập đa đường, phân tập anten thu, phân tập anten phát và phân tập vĩ mô.
Với sự phân tập ít hơn, công suất phát sẽ có sự biến động lớn hơn, nhưng công suất phát trung bình lại cao hơn Mức tăng công suất được định nghĩa là tỷ số giữa công suất truyền dẫn trung bình trên kênh có phadinh và trên kênh không có phadinh khi mức công suất thu giống nhau trên cả hai kênh Mức tăng công suất này được mô tả chi tiết trong hình 2-5.
Hình 2-4 Công suất phát và thu trên 3 nhánh (công suất khoảng hở như nhau)
Kênh phadinh Rayleigh tại tốc độ 3km.
Hình 2-5 Công suất tăng trong kênh phadinh với điều khiển công suất nhanh
Kết quả ở mức liên kết cho sự tăng công suất đường lên thể hiện trong Bảng 2-3
Sự mô phỏng được thực hiện trên kênh ITU pedestrian 2 với các mức UE khác nhau và công suất thành phần đa đường từ 0 đến -12.5dB Trong quá trình mô phỏng, công suất phát và công suất thu được ghi nhận trong từng khe, với mức tăng công suất lý tưởng đạt 2,3dB Điều này cho thấy hiệu quả của việc điều khiển công suất nhanh trong việc bù đắp năng lượng cho phadinh Tuy nhiên, với các UE có tốc độ cao (>100km/h), mức tăng công suất rất nhỏ do khả năng bù đắp của điều khiển công suất nhanh không đủ.
Mức tăng công suất là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống WCDMA Trong quá trình truyền dữ liệu xuống, dung lượng giao diện vô tuyến phụ thuộc vào công suất phát, do đó, để tối đa hóa dung lượng, công suất phát cần được giảm thiểu Ngược lại, công suất thu trong thiết bị đầu cuối (UE) không tác động đến dung lượng đường xuống Đối với đường lên, công suất phát quyết định tổng nhiễu đến các cell lân cận, trong khi công suất thu ảnh hưởng đến nhiễu giữa các UE trong cùng một cell Nếu chỉ có một cell WCDMA trong khu vực, dung lượng đường lên sẽ được tối đa hóa bằng cách giảm tối thiểu công suất thu yêu cầu, và mức tăng công suất sẽ không làm tăng dung lượng đường lên.
Bảng 2- 2 Các mức tăng công suất được minh hoạ của kênh ITU Pedestrian A đa đường với phân tập anten
Tốc độ UE Mức tăng công suất trung bình 3km/h 2,1dB
10km/h 2,0dB 20km/h 1,6dB 50km/h 0,8dB 140km/h 0,2dB
2.2.3 Đ i ề u khi ể n công su ấ t trong chuy ể n giao m ề m Điều khiển công suất trong chuyển giao mềm có hai vấn đề chính khác nhau trong các trường hợp liên kết đơn: vấn đề trôi công suất trong Nút B trên đường xuống , và phát hiện tin cậy các lệnh điều khiển công suất đường lên trong UE
2.2.3.1 Sự trôi công suất đường xuống
Sự trôi công suất xảy ra khi UE gửi lệnh điều khiển công suất phát xuống đến các Nút B trong tập hợp “tích cực” Các Nút B phát hiện lệnh này độc lập, vì chúng không được kết hợp qua bộ điều khiển mạng RNC, dẫn đến độ trễ và báo hiệu trong mạng Kết quả là, các Nút B có thể điều chỉnh công suất phát khác nhau: một Nút B có thể giảm công suất trong khi Nút B khác lại tăng công suất phát tới UE Sự khác biệt này gây ra hiện tượng trôi công suất, khi công suất đường xuống bắt đầu đi theo những hướng khác nhau.
Hiện tượng trôi công suất gây giảm hiệu suất chuyển giao đường xuống và có thể được kiểm soát bởi RNC Một phương pháp hiệu quả là thiết lập giới hạn nghiêm ngặt cho khoảng biến động công suất đường xuống, cụ thể cho công suất phát của các UE Giới hạn này càng nhỏ thì độ trôi công suất lớn nhất càng giảm Tuy nhiên, việc điều chỉnh khoảng biến động công suất cũng thường cải thiện hiệu suất điều khiển công suất.
Hình 2-6 Trôi công suất đường xuống trong chuyển giao mềm
Hình 2-7 Kiểm tra độ tin cậy của điều khiển công suất đường lên tại UE trong chuyển giao mềm
Một cách khác để giảm sự trôi công suất RNC có thể nhận thông tin từ các Nút
Các mức công suất phát của kết nối chuyển giao mềm được tính toán trung bình dựa trên nhiều lệnh điều khiển công suất khác nhau, chẳng hạn như trong khoảng thời gian 500ms.
RNC sử dụng 750 lệnh điều khiển công suất để gửi giá trị tham khảo về công suất phát đường xuống tới các Nút B Các Nút B thực hiện chuyển giao mềm dựa trên các giá trị này nhằm điều khiển công suất đường xuống, giảm thiểu hiện tượng trôi công suất Để đạt được điều này, cần có sự hiệu chỉnh định kỳ nhỏ, tỷ lệ thuận với độ chênh lệch giữa công suất phát thực tế và công suất phát tham khảo Phương pháp này giúp giảm bớt hiện tượng trôi công suất, vốn chỉ xảy ra khi có điều khiển công suất nhanh trên đường xuống Trong IS-95, chỉ có điều khiển công suất chậm trên đường xuống, do đó không cần áp dụng phương pháp điều khiển trôi công suất.
2.2.3.2 Độ tin cậy của các lệnh điều khiển công suất đường lên
Tất cả các Nút B trong tập hợp “tích cực” gửi lệnh điều khiển công suất độc lập đến các UE để điều chỉnh công suất phát đường lên Chỉ cần một Nút B nhận đúng tín hiệu là đủ để UE giảm công suất phát Mặc dù có thể áp dụng sự kết hợp theo tỷ số lớn nhất cho các bit dữ liệu trong chuyển giao mềm, nhưng điều này không áp dụng cho các bit điều khiển công suất, vì chúng chứa thông tin khác nhau Do đó, độ tin cậy của các bit điều khiển công suất kém hơn so với bit dữ liệu Tại UE, một ngưỡng được sử dụng để kiểm tra độ tin cậy của các lệnh điều khiển công suất, và các lệnh không đáng tin cậy sẽ bị huỷ bỏ do nhiễu.
2.2.3.3 Cải thiện chất lượng báo hiệu điều khiển công suất
Chất lượng báo hiệu điều khiển công suất có thể được cải thiện bằng cách thiết lập công suất cao hơn cho các kênh điều khiển vật lý riêng (DPCCH) so với kênh dữ liệu vật lý riêng (DPDCH) trong trạng thái chuyển giao mềm Độ chênh lệch công suất giữa hai kênh này có thể khác nhau tùy thuộc vào loại kênh DPCCH, bao gồm các bit điều khiển công suất, bit pilot và TFCI Việc điều chỉnh này có thể giúp giảm công suất phát của UE lên tới 0,5dB, nhờ vào sự cải thiện trong chất lượng báo hiệu điều khiển công suất.
CHUYỂN GIAO
Khái quát về chuyển giao trong các hệ thống thông tin di động
Các mạng di động cho phép người sử dụng truy cập dịch vụ khi di chuyển, tạo ra khái niệm "tự do" cho thiết bị đầu cuối Tuy nhiên, tính "tự do" này cũng gây ra sự không xác định cho các hệ thống di động Sự di động của người dùng dẫn đến biến động trong chất lượng kết nối và mức độ nhiễu, đôi khi yêu cầu thay đổi trạm gốc phục vụ Quá trình này được gọi là chuyển giao.
Chuyển giao là yếu tố quan trọng trong việc duy trì sự di động của người dùng cuối, giúp đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người dùng di chuyển qua các ranh giới của các ô tế bào.
Trong các hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất như AMPS, việc chuyển giao diễn ra tương đối đơn giản Tuy nhiên, khi chuyển sang hệ thống thông tin di động thế hệ 2 như GSM và PACS, có nhiều phương pháp đặc biệt hơn, bao gồm các thuật toán chuyển giao được tích hợp chặt chẽ, giúp giảm thiểu độ trễ trong quá trình chuyển giao Đặc biệt, với sự ra đời của công nghệ CDMA, một khái niệm mới mang tên "chuyển giao mềm" đã được đề xuất nhằm cải thiện hiệu quả của quá trình chuyển giao.
3.1.1 Các ki ể u chuy ể n giao trong các h ệ th ố ng WCDMA 3G
Có 4 kiểu chuyển giao trong các mạng di động WCDMA Đó là:
Chuyển giao bên trong hệ thống (Intra-system HO) xảy ra trong phạm vi một hệ thống và được chia thành hai loại: chuyển giao bên trong tần số (Intra-frequency HO) và chuyển giao giữa các tần số (Inter-frequency HO) Chuyển giao bên trong tần số diễn ra giữa các cell thuộc cùng một sóng mang WCDMA, trong khi chuyển giao giữa các tần số xảy ra giữa các cell hoạt động trên các sóng mang WCDMA khác nhau.
Chuyển giao giữa các hệ thống (Inter-system HO) diễn ra giữa các cell thuộc hai công nghệ truy nhập vô tuyến khác nhau (RAT) hoặc các chế độ truy nhập vô tuyến khác nhau (RAM) Trường hợp phổ biến nhất của kiểu chuyển giao này là giữa các hệ thống WCDMA và GSM/EDGE Ngoài ra, chuyển giao giữa hai hệ thống CDMA cũng thuộc loại này Một ví dụ điển hình về chuyển giao Inter-RAM là giữa các chế độ UTRA FDD và UTRA TDD.
Chuyển giao cứng (HHO - Hard Handover) là thủ tục trong đó tất cả các liên kết vô tuyến cũ của một thiết bị di động được giải phóng trước khi thiết lập các liên kết mới Đối với các dịch vụ thời gian thực, điều này dẫn đến một sự gián đoạn ngắn, trong khi với các dịch vụ phi thời gian thực, HHO không gây ảnh hưởng Chuyển giao cứng có thể diễn ra dưới hình thức chuyển giao trong cùng tần số hoặc chuyển giao ngoài tần số.
Chuyển giao mềm (SHO) và chuyển giao mềm hơn (Softer HO) cho phép một máy di động giao tiếp đồng thời với nhiều cell thuộc các trạm gốc khác nhau trong cùng một bộ điều khiển mạng vô tuyến (intra-RNC) hoặc giữa các bộ điều khiển khác nhau (inter-RNC) Trong quá trình này, máy di động nhận tín hiệu trên đường xuống (DL) để kết hợp với tỷ số lớn nhất, trong khi trên đường lên (UL), kênh mã di động được tách sóng bởi cả hai trạm gốc và được định tuyến đến bộ điều khiển vô tuyến cho sự kết hợp lựa chọn Cả hai kiểu chuyển giao đều có hai vòng điều khiển công suất tích cực, mỗi vòng cho một trạm gốc Đối với chuyển giao mềm hơn, máy di động chỉ cần được điều khiển bởi ít nhất hai sector trong cùng một trạm gốc, với chỉ một vòng điều khiển công suất hoạt động Cả hai loại chuyển giao này chỉ xảy ra trong cùng một tần số sóng mang, do đó chúng là các quá trình chuyển giao trong cùng tần số.
Hình 3-13 chỉ ra các kiểu chuyển giao khác nhau
Hình 3-1 Các kiểu chuyển giao khác nhau 3.1.2 Các m ụ c đ ích c ủ a chuy ể n giao
Chuyển giao có thể được khởi tạo từ 3 cách khác khác nhau: máy di động khởi xướng, mạng khởi xướng và máy di động hỗ trợ
Máy di động được sử dụng để đo chất lượng mạng, từ đó lựa chọn các bộ chuyển mạch và BS tốt nhất Tuy nhiên, phương pháp chuyển giao này thường dẫn đến chất lượng kết nối kém, như được chỉ ra bởi các kết quả đo từ máy di động.
Mạng khởi xướng thực hiện việc chuyển giao sau khi bác sĩ tiến hành đo đạc và báo cáo với bộ điều khiển mạng RNC RNC sẽ quyết định xem có thực hiện chuyển giao hay không, nhằm mục đích điều khiển phân bố lưu lượng giữa các cell, không chỉ cho việc điều khiển liên kết vô tuyến Một ví dụ cụ thể về trường hợp này là chuyển giao vì lý do lưu lượng (TRHO) được quản lý bởi hệ thống.
Thuật toán BS TRHO điều chỉnh ngưỡng chuyển giao cho việc rời đi giữa các cell dựa trên tải trọng của từng cell Khi tải của một cell vượt quá mức cho phép và cell lân cận có tải dưới mức quy định, cell nguồn sẽ thu hẹp vùng phủ sóng và chuyển lưu lượng sang cell lân cận Điều này giúp giảm tốc độ nghẽn tổng thể và tối ưu hóa việc sử dụng nguồn tài nguyên của các cell.
Hỗ trợ máy di động là một phương pháp trong đó cả mạng lưới và thiết bị di động cùng thực hiện việc đo đạc Thiết bị di động sẽ báo cáo kết quả đo từ các trạm phát sóng gần nhất, và mạng lưới sẽ quyết định xem có nên thực hiện chuyển giao hay không.
Các mục đích của chuyển giao có thể tóm tắt như sau:
• Đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ vô tuyến khi người sử dụng di động di chuyển qua ranh giới của các tế bào
• Giữ cho QoS đảm bảo mức yêu cầu
• Làm giảm nhỏ mức nhiễu trong toàn bộ hệ thống bằng cách giữ cho máy di động được kết nối với BS tốt nhất
• Roaming giữa các mạng khác nhau
Quá trình chuyển giao có thể bắt nguồn từ chất lượng dịch vụ của liên kết (UL hoặc DL), sự thay đổi trong dịch vụ, tốc độ, lý do lưu lượng hoặc các can thiệp cần thiết để vận hành và bảo trì.
3.1.3 Các th ủ t ụ c và phép đ o đạ c chuy ể n giao
Thủ tục chuyển giao có thể chia thành 3 pha : Đo đạc, quyết định, và thực thi chuyển giao
Trong quá trình đo đạc chuyển giao, các thông tin quan trọng được thu thập để hỗ trợ quyết định chuyển giao Các thông số cần đo thường được thực hiện bởi máy móc, trong đó tỷ số là một trong những yếu tố chính.
Ec/I0 2, với E c là năng lượng kênh hoa tiêu trên chip và I 0 là mật độ phổ công suất nhiễu tổng thể, liên quan đến kênh hoa tiêu chung (CPICH) của cell phục vụ máy di động và các cell lân cận Đối với các kiểu chuyển giao xác định, cần đo các thông số khác Trong mạng không đồng bộ UTRA FDD (WCDMA), việc đo các thông số định thời giữa các cell là cần thiết để điều chỉnh định thời truyền dẫn trong chuyển giao mềm, nhằm thực hiện kết hợp thống nhất trong bộ thu Rake Tuy nhiên, việc truyền dẫn giữa các trạm phát sóng (BS) khác nhau gặp khó khăn trong việc kết hợp, đặc biệt là hoạt động điều khiển công suất trong chuyển giao mềm sẽ bị ảnh hưởng bởi độ trễ bổ sung.
Trong quá trình chuyển giao, kết quả đo được sẽ được so sánh với các ngưỡng đã xác định trước đó, từ đó quyết định liệu có nên bắt đầu quá trình chuyển giao hay không Mỗi thuật toán sẽ có những điều kiện khởi tạo chuyển giao riêng biệt.
Chuyển giao trong cùng tần số
Chuyển giao mềm, đặc trưng trong công nghệ CDMA, mang lại nhiều ưu điểm so với chuyển giao cứng thông thường, nhưng cũng đi kèm với một số hạn chế về độ phức tạp và tiêu thụ tài nguyên Quy hoạch chuyển giao mềm là một phần quan trọng trong việc hoạch định và tối ưu hóa mạng vô tuyến Bài viết này sẽ trình bày nguyên lý của chuyển giao mềm.
3.2.1.1 Nguyên lý chuyển giao mềm
Chuyển giao mềm khác biệt hoàn toàn so với chuyển giao cứng truyền thống Trong khi chuyển giao cứng yêu cầu một quyết định rõ ràng về việc thực hiện chuyển giao và máy di động chỉ có thể giao tiếp với một BS tại một thời điểm, chuyển giao mềm lại dựa trên một quyết định có điều kiện Quyết định này phụ thuộc vào sự thay đổi cường độ tín hiệu từ hai hoặc nhiều trạm gốc, và cuối cùng sẽ dẫn đến một quyết định cứng để giao tiếp với một BS duy nhất.
Trong quá trình chuyển giao mềm, tín hiệu từ một trạm phát sóng (BS) thường mạnh hơn so với các BS khác Trong giai đoạn này, thiết bị di động (MS) sẽ giao tiếp đồng thời với các BS trong tập hợp tích cực, tức là danh sách các cell mà MS đang kết nối.
Hình 3-2 chỉ ra sự khác nhau cơ bản của chuyển giao cứng và chuyển giao mềm
Hình 3-2 Sự so sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm
Quá trình chuyển giao mềm diễn ra khác nhau trên các hướng truyền dẫn, như minh họa trong Hình 3-3 Trong quá trình lên, thiết bị di động (MS) phát tín hiệu vào không trung thông qua anten đa hướng Hai trạm gốc (BS) trong tập hợp tích cực có khả năng nhận tín hiệu đồng thời nhờ vào hệ số sử dụng lại tần số của hệ thống CDMA Các tín hiệu sau đó được chuyển đến bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) để thực hiện sự kết hợp có chọn lọc, trong đó khung tốt hơn được lựa chọn và những khung kém hơn sẽ bị loại bỏ Do đó, trên đường lên, không cần thiết phải có kênh mở rộng hỗ trợ cho quá trình chuyển giao mềm.
Trên đường xuống, các tín hiệu được phát ra từ các BS và MS có khả năng kết hợp tín hiệu từ nhiều BS khác nhau, nhờ vào việc nhận diện các thành phần đa đường bổ sung Chiến lược kết hợp với tỷ số lớn nhất giúp tối ưu hóa lợi ích, gọi là phân tập vĩ mô Tuy nhiên, để hỗ trợ chuyển giao mềm, cần ít nhất một kênh đường xuống mở rộng, điều này có thể tạo ra nhiễu cho người dùng khác trên giao diện vô tuyến Do đó, việc hỗ trợ chuyển giao mềm đòi hỏi nhiều tài nguyên hơn, và hiệu suất của chuyển giao mềm trên đường xuống phụ thuộc vào sự cân bằng giữa hệ số tăng ích phân tập vĩ mô và chi phí tài nguyên bổ sung.
Hình 3-3 Nguyên lý của chuyển giao mềm 3.2.1.2 Các thuật toán của chuyển giao mềm
Hiệu suất chuyển giao mềm phụ thuộc vào thuật toán, với thuật toán chuyển giao mềm của IS-95A (còn gọi là cdmaOne) được minh họa trong Hình 3-4.
Hình 3-4 Thuật toán chuyển giao mềm IS-95A
(1) Ec/I0 pilot vượt quá T_ADD, MS gửi thông điệp đo cường độ pilot (PSMM) và truyền tín hiệu pilot đến tập hợp ứng cử
(2) BS gửi một thông điệp điểu khiển chuyển giao (HDM)
(3) MS chuyển tín hiệu pilot đến tập hợp tích cực và gửi thông điệp hoàn thành chuyển giao (HCM- Handover Completion Message)
(4) Ec/I0 pilot xuống dưới mức T_DROP, MS bắt đầu bộ định thời ngắt chuyển giao
(5) Bộ định thời ngắt chuyển giao kết thúc hoạt động MS gửi một PSMM
(7) MS gửi một tín hiệu pilot từ tập hợp tích cực đến tập hợp lân cận và gửi HCM.
Tập hợp tích cực bao gồm các cell đang kết nối với MS, trong khi tập hợp ứng cử chứa các cell không được sử dụng trong kết nối chuyển giao mềm nhưng có giá trị Ec/I0 pilot đủ để bổ sung vào tập hợp tích cực Tập hợp lân cận, hay còn gọi là tập hợp giám sát, là danh sách các cell mà MS liên tục theo dõi và kiểm tra giá trị Ec.
/I0 pilot của chúng không đủ để bổ sung vào tập hợp tích cực
Trong IS-95A, ngưỡng chuyển giao là giá trị cố định của Ec/I0 mà pilot nhận được, dễ thực hiện nhưng gặp khó khăn trong việc xử lý thay đổi tải động Dựa trên thuật toán của IS-95A, một số thuật toán cdmaOne đã được điều chỉnh cho IS-95B và cdma2000, cho phép sử dụng biến đổi động thay vì ngưỡng cố định.
Trong hệ thống WCDMA, sử dụng thuật toán phức tạp hơn nhiều, được minh hoạ trong hình 3-5
Hình 3-5 Thuật toán chuyển giao mềm trong WCDMA
Reporting_range là ngưỡng cho chuyển giao mềm
Hysteresis_event1A refers to the additional delay, while Hysteresis_event1B indicates the removal delay, and Hysteresis_event1C signifies the replacement delay The Reporting_range for Hysteresis_event1A is known as Window_add, whereas Reporting_range plus Hysteresis_event1B is referred to as Window_drop ΔT represents the initiation time, and the quality of the filtered signal is measured by Ec/I0 of CPICH, denoted as pilot_E c/I0.
Best_pilot_E c /I 0 là cell được đo và có cường độ mạnh nhất trong tập hợp tích cực;
Best_candidate_pilot_E c /I 0 là cell được đo có cường độ mạnh nhất trong tập hợp giám sát
Worst_candidate_pilot_E c /I 0 là cell được đo có cường độ yếu nhất trong tập hợp tích cực
Tập hợp tích cực “Active Set” : Là tập hợp các cell có kết nối chuyển giao mềm với
Tập hợp lân cận hay tập hợp giám sát là danh sách các cell mà UE liên tục đo, tuy nhiên, giá trị pilot_Ec/I0 không đủ mạnh để được thêm vào tập hợp tích cực.
Trong thuật toán chuyển giao mềm của WCDMA, ngưỡng tương đối được sử dụng thay vì ngưỡng tuyệt đối, mang lại lợi ích lớn nhất so với IS-95A Điều này cho phép dễ dàng tham số hoá mà không cần điều chỉnh các thông số cho các vùng nhiễu thấp và cao nhờ vào việc áp dụng ngưỡng tương đối.
3.2.1.3 Các đặc điểm của chuyển giao mềm
Chuyển giao mềm mang lại nhiều ưu điểm so với phương thức chuyển giao cứng truyền thống, bao gồm việc loại trừ hiệu ứng “ping-pong” và đảm bảo sự liên tục trong quá trình truyền dẫn Việc không có hiệu ứng “ping-pong” giúp giảm tải cho mạng báo hiệu, trong khi chuyển giao mềm không gặp phải tình trạng suy hao dữ liệu do ngắt quãng trong truyền dẫn, như thường thấy ở chuyển giao cứng.
Chuyển giao mềm trong WCDMA không chỉ phục vụ mục đích điều khiển di động mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc giảm nhiễu, bên cạnh điều khiển công suất Hình 3-6 minh họa hai mô hình khác nhau: mô hình (a) chỉ sử dụng điều khiển công suất, trong khi mô hình (b) kết hợp cả điều khiển công suất và chuyển giao mềm để tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Hình 3-6 Sự suy giảm nhiễu do có chuyển giao mềm trong UL
Khi MS di chuyển từ BS1 đến BS2, tín hiệu pilot từ BS2 mạnh hơn so với BS1 Điều này cho thấy BS2 có chất lượng tín hiệu tốt hơn BS1.
Trong quá trình chuyển giao mềm, cả BS1 và BS2 đồng thời lắng nghe MS để đảm bảo QoS khi MS di chuyển ra xa khỏi BS phục vụ Tín hiệu từ MS được gửi đến RNC để kết hợp, trong đó khung khỏe hơn được chọn lựa và khung yếu hơn bị loại bỏ Do BS2 có chất lượng tốt hơn BS1, công suất phát từ MS được yêu cầu thấp hơn so với mô hình truyền thống, dẫn đến việc giảm thiểu nhiễu trên đường lên Tuy nhiên, tình huống trên đường xuống phức tạp hơn, mặc dù việc kết hợp theo hệ số lớn nhất mang lại lợi ích phân tán, nhưng vẫn cần các kênh đường xuống mở rộng để hỗ trợ hiệu quả cho chuyển giao mềm.
Chuyển giao giữa các hệ thống WCDMA và GSM
Các chuẩn WCDMA và GSM cho phép chuyển giao giữa hai hệ thống nhằm mục đích phủ sóng và cân bằng tải Trong giai đoạn đầu triển khai WCDMA, việc chuyển giao sang hệ thống GSM giúp giảm tải cho các tế bào GSM Khi lưu lượng mạng WCDMA gia tăng, việc chuyển giao cho cả đường lên và xuống trở nên cần thiết Chuyển giao giữa các hệ thống được khởi xướng tại RNC/BSC và tương tự như chuyển giao giữa các RNC hoặc BSC, mặc dù thuật toán và quy trình khởi xướng chưa được chuẩn hóa.
Hình 3-10 Chuyển giao giữa các hệ thống GSM và WCDMA
Thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống, như quy định trong 3-11, không diễn ra thường xuyên nhưng sẽ được khởi động khi cần thiết Việc khởi xướng chuyển giao do RNC thực hiện, dựa vào chất lượng (BLER) hoặc công suất phát yêu cầu Đầu tiên, UE sẽ đo công suất tín hiệu của các tần số GSM trong danh sách lân cận Sau khi gửi kết quả đo đạc tới RNC, UE sẽ giải mã nhận dạng trạm gốc (BSIC) của cell ứng cử GSM tốt nhất Cuối cùng, khi RNC nhận được BSIC, một lệnh chuyển giao sẽ được gửi tới UE, và quá trình đo đạc có thể hoàn thành trong vòng 2 giây.
(1) RNC ra lệnh cho UE bắt đầu đo đạc chuyển giao giữa các hệ thống ở chế độ nén
(2) UE ủo coõng suaỏt tớn hieọu baờng taàn GSM trong danh sách cell lân cận
(3) RNC ra lệnh cho UE giải mã BSIC của cell ứng cử GSM tốt nhất
(4) RNC gửi lệnh chuyển giao đến UE
Hình 3-11 Thủ tục chuyển giao giữa các hệ thống
WCDMA hoạt động dựa trên việc thu phát liên tục, tuy nhiên không thể thực hiện đo đạc với bộ nhận đơn nếu không có các khoảng gián đoạn do tín hiệu WCDMA tạo ra.
Chế độ nén là yếu tố quan trọng trong việc đo đạc giữa các tần số và hệ thống Trong thời gian gián đoạn của chế độ nén, việc điều khiển công suất nhanh không khả thi, dẫn đến mất mát một phần độ lợi ghép chèn Do đó, trong khung nén, cần có Ec/N0 cao hơn, điều này gây ra sự giảm dung lượng.
Chế độ nén ảnh hưởng đến vùng phủ sóng của các dịch vụ thời gian thực, yêu cầu tốc độ bit không được giảm trong quá trình nén Do đó, việc chuyển giao giữa các hệ thống cần được bắt đầu sớm tại biên giới các cell nhằm tránh suy giảm chất lượng dịch vụ.
Chuyển giao từ GSM sang WCDMA bắt đầu tại BSC của GSM Việc đo đạc WCDMA từ GSM không cần chế độ nén do GSM sử dụng chế độ thu phát không liên tục.
Thời gian ngắt dịch vụ trong quá trình chuyển giao giữa các hệ thống tối đa là 40ms, được tính từ thời điểm block chuyển vận thu cuối cùng trên tần số cũ đến khi UE bắt đầu phát trên kênh đường lên mới Tổng khoảng hở dịch vụ thường lớn hơn thời gian ngắt, vì UE cần nhận được kênh riêng hoạt động trong mạng GSM Khoảng hở dịch vụ thường dưới 80ms, tương tự như trong chuyển giao GSM, và không ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ.
Chuyển giao giữa các tần số trong WCDMA
Hầu hết các bộ vận hành UMTS sử dụng 2 hoặc 3 tần số FDD để tối ưu hóa hiệu suất Việc vận hành bắt đầu với một tần số, sau đó có thể thêm tần số thứ hai và thứ ba để tăng dung lượng Một số tần số được chỉ ra trong hình 3-29 có thể được sử dụng đồng thời tại cùng một site, giúp nâng cao dung lượng cho các lớp micro và macro với các tần số khác nhau Phương pháp chuyển giao giữa các tần số sóng mang WCDMA là cần thiết để đảm bảo hiệu quả vận hành.
Tổng kết chuyển giao
Các kiểu chuyển giao được tổng kết trong Bảng 3-2, trong đó báo cáo chuyển giao thường khởi xướng cho sự kiện RNC ra lệnh thực hiện chuyển giao dựa vào các báo cáo đo đạc Đối với chuyển giao trong cùng tần số, UE được kết nối với Nút B tốt nhất nhằm tránh hiệu ứng gần xa, và RNC luôn phải hoạt động để lựa chọn các cell mục tiêu.
Bảng 3-2 Tổng kết chuyển giao
Ki ể u chuy ể n giao Đ o đạ c chuy ể n giao Báo cáo đ o đạ c chuy ể n giao t ừ UE đế n RNC
M ụ c đ ích chuy ể n giao Chuyển giao trong tần số WCDMA Đo trong toàn bộ thời gian sử dụng bộ lọc kết hợp
Báo cáo khởi xướng sự kiện
- Sự di động thông thường
Chuyển giao giữa các hệ thống WCDMA -GSM
Việc đo chỉ bắt đầu khi cần thiết, sử dụng chế độ nén
Báo cáo định kỳ trong suốt chế độ nén
Chuyển giao giữa các tần số WCDMA
Việc đo chỉ bắt đầu khi cần, sử dụng chế độ nén
Báo cáo định kỳ trong suốt chế độ nén
Việc chuyển giao giữa các hệ thống và tần số thường bắt đầu khi cần thiết để thực hiện chuyển giao Chuyển giao tần số là cần thiết để cân bằng tải giữa các sóng mang WCDMA và các lớp cell, cũng như mở rộng vùng phủ sóng khi tần số khác không đủ Ngoài ra, việc chuyển giao tới hệ thống GSM cũng giúp mở rộng vùng phủ sóng WCDMA, cân bằng tải giữa các hệ thống và định hướng dịch vụ đến các hệ thống phù hợp nhất.
Quản lý tài nguyên vô tuyến là yếu tố then chốt trong thiết kế hệ thống thông tin di động, đặc biệt là với công nghệ CDMA trong hệ thống WCDMA Chương này nêu rõ các chức năng cơ bản của quản lý tài nguyên vô tuyến và những khác biệt trong thuật toán so với các hệ thống khác, đặc biệt là điều khiển công suất và điều khiển chuyển giao Các thuật toán điều khiển công suất trong WCDMA phức tạp hơn nhằm khắc phục hiệu ứng gần-xa, bao gồm điều khiển công suất vòng mở trong quá trình thiết lập kết nối, điều khiển công suất vòng kín để giảm thiểu hiệu ứng phadinh nhanh trên kênh vô tuyến, và điều khiển công suất vòng ngoài để thiết lập giá trị mục tiêu cho điều khiển công suất nhanh Chương cũng phân tích các vấn đề và lợi ích liên quan đến điều khiển công suất trong hệ thống này.
Một trong những đặc điểm nổi bật của WCDMA là thuật toán điều khiển chuyển giao, cho phép người dùng di chuyển giữa các cell trong mạng di động Chuyển giao không chỉ giúp duy trì kết nối khi di chuyển mà còn hỗ trợ cân bằng tải trong mạng Chuyển giao mềm có thể cải thiện dung lượng và vùng phủ sóng, trong khi chuyển giao cứng vẫn được áp dụng, nơi kết nối cũ sẽ bị cắt trước khi kết nối mới được thiết lập Chuyển giao cứng thường được sử dụng để thay đổi tần số trong hệ thống đa sóng mang hoặc trong các tình huống không hỗ trợ phân tập macro và khi chuyển đổi giữa các chế độ FDD và TDD.
Chương này thảo luận chi tiết về chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn khi máy di động nằm trong vùng phủ sóng chồng lấn của hai cell Trong trường hợp chuyển giao mềm hơn giữa các cell thuộc cùng một trạm gốc, hai tín hiệu sẽ được kết hợp tại Nút B thông qua bộ xử lý RAKE Trong quá trình này, tín hiệu thu từ các trạm gốc khác nhau được định tuyến đến RNC để so sánh theo từng khung Độ lợi chuyển giao mềm, hay độ lợi phân tập macro, được cung cấp bởi sự kết hợp nhiều tín hiệu, giúp tăng cường hiệu năng hệ thống khi sử dụng độ dự trữ chuyển giao mềm thích hợp.