Giáo trình Kỹ thuật chuyển giao và điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA

stributed Power Control) chỉ sử dụng thông tin SIR và sử dụng kỹ thuật lặp để điều khiển công suất truyền đến mức tối ưu và đáp ứng các yêu cầu về chất lượng của người sử dụng. 2.2. Một số lý thuyết sử dụng trong thuật toán 2.2.1. Hệ số tái sử dụng tần số (Frequency Reuse Factor) Phổ tần số sử dụng trong hệ thống thông tin di động là có hạn nên người ta phải tìm cách sử dụng lại tần số để có thể tăng dung lượng điện thoại phục vụ. Giải pháp này được gọi là quy hoạch tần số hay tái sử dụng tần số. Việc sử dụng lại tần số được thực hiện bằng cách cấu trúc lại kiến trúc hệ thống thông tin di động theo mô hình tổ ong. Mô hình sử dụng lại tần số dựa trên việc gán cho mỗi cell một nhóm kênh vô tuyến của cell lân cận với nó (cell láng giềng). Trong hệ thống WCDMA, hệ số tái sử dụng tần số là 1. Nguyên lý cơ bản khi thiết kế các hệ thống tổ ong là các mẫu sử dụng lại tần số (các kênh vô tuyến ở cùng một tần số sóng mang ) để phủ sóng cho các vùng địa lý khác nhau. Các vùng này phải khác nhau một cự ly đủ lớn để mọi nhiễu giao thoa đồng kênh có thể xảy ra đều ở mức chấp nhận được. Việc tái sử dụng tần số có nghĩa là hệ thống được chia ra thành nhiều cluster, trong mỗi cluster thì dùng hết số tần số được cấp. Do tần số dùng lặp lại nên các cluster phải được định cỡ và sắp xếp Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 21 sao cho nhiễu đồng kênh giữa hai tần số giống nhau trong hai cluster sát nhau là bé nhất có thể. Hình 2.1 Mẫu sử dụng lại tần số 3/9 Ở hình 2.1 là mẫu sử dụng lại tần số 3/9, có nghĩa là có 9 nhóm tần số được sử dụng để ấn định cho 3 vị trí trạm gốc, mỗi trạm gốc phủ sóng cho 3 cell. Như vậy sẽ có 9 cell/cluster. Ngoài 3/9 ra còn có hai kiểu mẫu tái sử dụng lại tần số thường được dùng, đó là 4/12 và 7/21. Khi số nhóm tần số cell giảm đi tương ứng với 21;12 và 9, nghĩa là số kênh tần số có thể dùng cho mỗi trạm tăng lên và khoảng cách giữa các trạm đồng kênh sẽ giảm tương ứng với tỉ lệ là 7,9 ; 6 và 5,2. Điều này cũng đồng nghĩa với số thuê bao sẽ được phục vụ tăng lên, tương ứng theo tỷ lệ 248; 664 và 883 nhưng đồng thời nhiễu trong hệ thống cũng tăng lên. Như vậy, việc lựa chọn mẫu sử dụng lại tần số phải dựa trên các đặc điểm địa lý vùng phủ sóng, mật độ thuê bao của vùng phủ sóng và tổng số kênh của mạng được cấp. Thông thường mẫu 3/9 sử Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 22 dụng cho những vùng có mật độ lưu lượng cao, 4/12 sử dụng cho những vùng có mật độ lưu lượng trung bình và 7/21 sử dụng cho những vùng có mật độ lưu lượng thấp. 2.2.2. Nhiễu đồng kênh Như đã đề cập ở trên, việc tái sử dụng tần số có nghĩa là trong một vùng phủ cho trước nhiều trạm sử dụng cùng một tập tần số. Các cell này được gọi là các cell đồng kênh và nhiễu giữa các tín hiệu của các cell này được gọi là nhiễu đồng kênh. Nếu đối với tạp âm nhiệt để khắc phục nó ta chỉ cần tăng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) thì đối với nhiễu đồng kênh ta không thể chỉ đơn giản tăng công suất sóng mang của máy phát. Sỡ dĩ như vậy vì việc tăng công suất sóng mang sẽ dẫn đến tăng nhiễu đến các cell đồng kênh khác. Để giảm nhiễu đồng kênh này, các cell đồng kênh phải được đặt phân cách vật lý một khoảng cách tối thiểu để đảm bảo sự cách li cần thiết về truyền sóng. Tỷ số sóng mang trên nhiễu C/I (Carrier to Interference Ratio) được định nghĩa là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu. [ dB ] (2.1) Trong đó : Công suất tín hiệu mong muốn từ trạm gốc cần thiết. Hình 2.2a Nhiễu đường lên Hình 2.2b Nhiễu đường xuống Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 23 : Công suất tín hiệu nhiễu thu được. Nếu ta biết được các mức tín hiệu của các cell đồng kênh thì ta có thể xác định được tỷ số SIR cho kênh đường xuống bằng phương trình trên. 2.2.3. Nhiễu kênh lân cận Nhiễu gây ra do sự tràn tín hiệu của phổ băng bên của các sóng nhiễu vào băng thu khi chúng chiếm kênh lân cận kênh thu. Bởi vậy, ảnh hưởng của nhiễu phụ thuộc phần lớn vào độ chọn lọc máy thu và độ rộng phổ băng bên ngoài băng của các sóng nhiễu. Khoảng cách giữa các kênh lân cận và sự phân định của các kênh tần số trong một khu vực xác định nhằm tránh nhiễu lân cận kênh. Vấn đề này trở nên nghiêm trọng nếu người sử dụng kênh lân cận phát rất gần máy thu của thuê bao đang thu tín hiệu từ trạm gốc mong muốn. Hiện tượng này gọi là “hiện tượng gần xa”, máy thu của thuê bao bắt được máy phát gần (cùng loại được hệ thống tổ ong sử dụng). Một dạng khác xảy ra khi UE gần trạm gốc phát trên gần với kênh mà UE yếu khác đang sử dụng. Trạm gốc có thể gặp khó khăn khi phân biệt người sử dụng di động mong muốn với” sự dò rỉ công suất “ từ UE kênh lân cận ở gần. Ta có thể giảm nhiễu kênh lân cận bằng cách đảm bảo phân cách tần số giữa các kênh trong một cell càng lớn càng tốt. Như vậy, thay vì phân bổ kênh ở một băng tần liên tục cho một cell, các kênh cần được phân bổ sao cho phân cách tần số giữa chúng là cực đại. Bằng cách phân bổ lần lượt các kênh trong băng tần cho các cell khác nhau, ta có rất nhiều sơ đồ phân bổ kênh cho phép phân cách các kênh lân cận trong một cell thành N độ rộng băng tần kênh, trong đó N là kích cỡ cụm. Nhiễu kênh lân cận có thể phân ra hai loại, đó là: nhiễu kênh lân cận “trong băng” và nhiễu kênh lân cận “ngoài băng”. Gọi là nhiễu “trong băng” khi tâm của độ rộng băng tần tín hiệu gây nhiễu nằm trong độ rộng băng tần của tín hiệu mong muốn. Gọi là nhiễu kênh lân cận “ngoài băng” khi tâm của độ rộng băng tần tín hiệu gây nhiễu nằm ngoài độ rộng băng tần của tín hiệu mong muốn. Nhiễu kênh lân cận tập trung chủ yếu vào nhiễu kênh lân cận trong băng vì dạng nhiễu này luôn có một ảnh hưởng dễ nhận thấy đối với tín hiệu mong muốn, trái lại nhiễu ngoài băng là vấn đề không mấy nghiêm trọng. Tỷ số sóng mang trên kênh lân cận C/A (biểu diễn mức tín hiệu ở kênh mong muốn thu trên kênh liền kề): Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 24 [dB] (2.2) Trong đó : Cường độ tín hiệu thu nhận từ kênh mong muốn. : Cường độ tín hiệu nhận được từ kênh lân cận. Giá trị C/A thấp sẽ dẫn đến BER cao . 2.2.4. Hiệu ứng gần xa (Near-Far Effect) Hiệu ứng gần xa là hiệu ứng mà trong đó một hệ thống nhiều người sử dụng gặp nguy hiểm do sự có mặt của một tín hiệu mạnh. Xét hệ thống đa truy nhập DSSS, giả thiết rằng có k người sử dụng phát tín hiệu trên cùng một kênh. Tín hiệu thu được bị nhiễu do tạp âm và các tín hiệu của (k-1) người sử dụng khác. Giả sử N0/2 là PSD (Tạp âm trắng Gauso) của kênh tạp âm, PS là công suất trung bình của từng tín hiệu thì PSD tín hiệu của từng người sử dụng là: (2.3) Khi đó SNR tương đương là: (2.4) Biểu thức trên cho thấy nhiễu làm tăng xác suất bit. Bây giờ ta khảo sát một trong số (K-1) người gây nhiễu rất gần máy thu. Do luật suy hao đường truyền tỷ lệ nghịch hàm mũ n (ở thông tin di động, N có thể lớn hơn 2) của truyền lan sóng điện từ, tín hiệu của người gây nhiễu đến máy thu khi này sẽ lớn hơn rất nhiều, giả sử , trong đó a tăng bình phương khi người gây nhiễu này tới gần máy thu. Chẳng hạn, nếu người gây nhiễu mạnh này ở gần máy thu 10 lần hơn so với máy phát tín hiệu chủ định thì a là: 102=100. Như vậy, SNR tương đương là: (2.5) Khi a lớn, SNR giảm mạnh và xác suất lỗi trở nên quá lớn. Nói cách khác, ta có thể duy trì xác suất lỗi ở mức cho phép bằng cách giảm số (K-2) người sử dụng và số người sử dụng này có khi phải loại bỏ hoàn toàn khi a lớn. Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 25 Hình 2.3 thể hiện hiệu ứng gần xa ở đường lên. Tín hiệu từ các UE khác nhau được truyền đồng thời trên cùng một băng thông trong hệ thống WCDMA. Nếu không điều khiển công suất, tín hiệu từ UE gần BS nhất có thể chặn tín hiệu từ các UE khác xa BS hơn. Trong tình huống xấu nhất, một UE có công suất quá lớn sẽ chặn tất cả các UE trong cùng cell. Giải pháp là sử dụng điều khiển công suất để đảm bảo tín hiệu đến từ các kết cuối khác nhau có cùng công suất hay cùng SIR (Signal-to-Interference Ratio) khi đến trạm BS. Ở hướng xuống, không có hiện tượng gần xa. Tất cả các tín hiệu đến các UE trong một cell đều bắt nguồn từ một trạm gốc BS. Tuy nhiên, việc điều khiển công suất ở đường xuống là để bù vào sự suy hao do nhiễu ở các kênh lân cận, đặc biệt những máy di động ở gần đường biên của cell được chỉ ra ở hình 3.4. Hơn nữa, điều khiển công suất ở đường xuống để cực tiểu nhiễu tổng cộng và giữ giá trị đích của Q0S. Hình 2.4 Bù nhiễu ở kênh lân cận (điều khiển công suất đường xuống) Ở hình 2.4, UE2 chịu ảnh hưởng của nhiễu kênh lân cận nhiều hơn UE1. Do đó, để đạt được cùng đích chất lượng, công suất lớn hơn sẽ được phân bổ cho kênh đường xuống giữa BS và UE2. Hình 2.3 Vấn đề gần-xa (điều khiển công suất đường lên) Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 26 2.2.5. Tải lưu lượng Trong lý thuyết viễn thông, chúng ta thường sử dụng thuật ngữ lưu lượng để biểu thị cường độ lưu lượng, tức là lưu lượng trong một đơn vị thời gian. Thuật ngữ về lưu lượng có nguồn gốc từ tiếng Ý và có nghĩa là “độ bận rộn”. Theo (ITU- T,1993), lưu lượng được định nghĩa như sau: Cường độ lưu lượng: Mật độ lưu lượng tức thời trong một nhóm tài nguyên dùng chung là số tài nguyên bận tại thời điểm đó. Nhóm tài nguyên dùng chung có thể là một nhóm phục vụ như đường trung kế. Đơn vị của cường độ lưu lượng là Erlang (kí hiệu là Erl). Đây là đơn vị không có thứ nguyên, ra đời năm 1946 để ghi nhớ công ơn của nhà toán học người Đan Mạch A. K. Erlang - người đã tìm ra lý thuyết lưu lượng điện thoại. Chẳng hạn một kênh vô tuyến bị chiếm trong thời gian 30 phút trong một giờ sẽ mang 0,5 Erlang lưu lượng. Lưu lượng của một thuê bao A được xác định bởi mức độ cuộc gọi và thời gian trung bình của mỗi cuộc gọi. )( 3600 . Erl Tn A  (2.6) Trong đó: A: Lưu lượng thông tin trên một người sử dụng (Erlang) n: Số cuộc gọi trung bình trên giờ người sử dụng T: Thời gian trung bình cho một cuộc gọi (s) n, T phụ thuộc vào con số thống kê của từng mạng. Từ A ta có thể tính được số kênh yêu cầu cần thiết trong mạng tế bào. Ví dụ:  Thời gian trung bình của mỗi cuộc gọi: 120 (s)  Số cuộc gọi cho thuê bao vào giờ bận: 1  Số thuê bao: 1000 Từ trên có thể tính dung lượng mỗi thuê bao như sau: A = (1*120)/3600 = 33mErlang Như vậy, cứ 1000 thuê bao di động thì lưu lượng là 33Erl. Con số này dùng để tính toán số kênh yêu cầu trong mạng tổ ong. Hiện nay, tồn tại hai mô hình toán học cơ bản của lý thuyết lưu lượng: mô hình Erlang- B và mô hình Erlang- C. Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 27  Mô hình Erlang-B : là mô hình hệ thống hoạt động theo kiểu suy hao, trong đó những cuộc gọi bị nghẽn sẽ bị bỏ rơi chứ không được lưu giữ lại dưới dạng nào đó để chờ cho đến khi rỗi. Mô hình này áp dụng cho mạng UMTS.  Mô hình Erlang-C : là mô hình hệ thống hoạt động theo kiểu chờ, nếu cuộc gọi bị nghẽn thì hệ thống sẽ giữ lại đợi cho đến khi có kênh được giải phóng. Tồn tại ba khái niệm lưu lượng: lưu lượng phục vụ, lưu lượng được truyền, lưu lượng bị chặn. Lưu lượng phục vụ là tổng lưu lượng phục vụ cho tất cả mọi người sử dụng. Lưu lượng được truyền là lưu lượng được kênh truyền đi, lưu lượng bị chặn là lưu lượng trong quá trình thiết lập cuộc gọi mà không được truyền ngay lập tức. Lưu lượng phục vụ = Lưu lượng được truyền + Lưu lượng bị chặn (2.7) 2.2.6. Cấp độ phục vụ GoS (Grade of Service) Là đại lượng biểu thị số % cuộc gọi không thành công. Hay GoS còn được xác định bằng xác suất nghẽn đường truyền vô tuyến trong vấn đề khởi tạo cuộc gọi trong giờ cao điểm. Giờ cao điểm được chọn theo yêu cầu của khách hàng tại giờ cao điểm nhất trong một tuần, tháng hoặc năm. Cấp bậc phục vụ là dấu mốc được sử dụng để định nghĩa hiệu năng yêu cầu của một hệ thống phân bổ trung kế trên cơ sở đặc tả xác xuất yêu cầu để một người sử dụng đạt được truy nhập kênh khi cho trước số lượng kênh khả dụng trong hệ thống. Nhiệm vụ của người thiết kế hệ thống vô tuyến là ước tính dung lượng yêu cầu cực đại và phân bổ đúng số lượng kênh để đáp ứng GoS. GoS thường được cho ở xác suất cuộc gọi bị chặn hay xác suất mà cuộc gọi phải trễ (đợi) lớn hơn một thời gian sắp hàng nào đó. Để có GoS tốt thì khả năng tắc nghẽn phải giảm. Điều này có nghĩa là số người sử dụng thấp, hoặc là số tải đến (lưu lượng phục vụ) phải nằm trong giới hạn phục vụ của kênh. Ngược lại, nếu GoS kém thì khả năng tắt nghẽn sẽ cao, tương ứng với số người sử dụng cao. Chính vì vậy, khi tính toán số kênh trên cơ sở lưu Xử lý thiết lập cuộc gọi Kênh lưu lượng (TCH) Tải đến A(GoS) Tải từ chối Tải phục vụ A(1-GoS) Hình 2.5 Quá trình thiết lập cuộc gọi Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 28 lượng cần thiết đòi hỏi phải có sự thỏa hiệp giữa số lượng người sử dụng và chất lượng phục vụ, có nghĩa là phải chỉ rõ mức nghẽn. Cấp độ phục vụ có thể chấp nhận được thường từ 2-5%, nó có nghĩa là tối đa 2-5% lưu lượng bị nghẽn, 98-95% lưu lượng truyền đi. Cấp bậc phục vụ GoS càng thấp thì hiệu suất sử dụng kênh càng cao. 2.2.7. Hiệu quả sử dụng kênh Hiệu quả sử dụng kênh là hiệu suất sử dụng tối đa một kênh mà không xảy ra nghẽn. Hiệu quả sử dụng kênh có thể định nghĩa là tỷ số tải phục vụ trên tổng số kênh. Nếu gọi A là lưu lượng phục vụ, ta có: Lưu lượng bị chặn = A . GoS. (2.8) Lưu lượng được truyền = A . ( 1- GoS ). (2.9) Hiệu suất đường trục = A . ( 1- GoS )/số kênh của đường trục (2.10) Ví dụ: Nếu số kênh là 6s, lưu lượng của 70 thuê bao A = 2,2759 Erl, GoS = 2% Lưu lượng được truyền = A(1- GoS) = 2,2759 ( 1- 0,02) = 2,2304 Erl. Hiệu suất sử dụng kênh là = 2,2304/6 = 37,17% Nếu cấp bậc phục vụ tồi hơn, 10% chẳng hạn thì đối với 6 kênh, lưu lượng A = 3,7584 Erl thì lưu lượng được truyền = 0,9 . 3,7584 = 3,3826 Erl. Hiệu suất sử dụng kênh là = 3,3826/6 = 56,37% Nếu giảm cấp độ phục vụ GoS thì với cùng một số kênh lưu lượng có thể phục vụ được nhiều thuê bao hơn. Vậy cấp bậc phục vụ càng thấp thì hiệu suất sử dụng kênh càng cao. 2.3. Thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC 2.3.1. Tổng quan Mục đích của thuật toán điều khiển công suất theo bước động là để cải thiện đặc tính của hệ thống thông tin di động tổ ong UMTS/WCDMA. Phương pháp này sử dụng các lệnh điều khiển công suất động, SIR nhận (công suất nhận) và dữ liệu hỗ trợ định vị điện thoại cầm tay. Ngoài ra, sự kết hợp giữa điều khiển công suất, điều khiển cho phép và điều khiển chuyển giao nhằm mục đích cải thiện độ hội tụ của phương pháp điều khiển công suất này. Điều khiển công suất là một cơ chế cần thiết đối với sự vận hành của hệ thống WCDMA. Điều quan trọng trong cơ chế điều khiển công suất chính là làm tối đa hóa tỉ số SIR cực tiểu của các kênh trong hệ thống WCDMA, giải quyết các yêu cầu về chất lượng dịch vụ QoS cho mỗi kênh. Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 29 Thuật toán điều khiển công suất thường chia làm hai nhóm:  Phân tán (Distributed).  Tập trung (Centralized). Đối với các thuật toán điều khiển công suất tập trung, đòi hỏi bộ điều khiển trung tâm phải biết được cường độ tín hiệu của tất cả các đường truyền dẫn vô tuyến đang hoạt động. Đồng thời lờ đi việc xử lý, giải quyết những thay đổi của công suất truyền. Điều này sẽ làm tăng tính phức tạp của mạng hệ thống cũng như việc thực thi sẽ đòi hỏi độ phức tạp cao hơn. Nguyên nhân là do các thuật toán này yêu cầu thông tin chi tiết của các kênh vô tuyến một cách tập trung - điều này không được đáp ứng trong thời gian thực cũng như trong các mạng di động đa tế bào. Các thuật toán điều khiển công suất phân tán không cần yêu cầu thông tin về các kênh vô tuyến độc lập một cách tập trung. Thay vào đó, chúng cho phép thích ứng với các mức công suất khác nhau bằng cách chỉ dùng các đại lượng đo vô tuyến cục bộ. Điều khiển công suất phân tán chú ý tới sự thay đổi của chất lượng dịch vụ - một trong những yếu tố vô cùng quan trọng của các hệ thống thông tin di động tế bào sau này. Tuy nhiên, chúng lại không quan tâm tới việc thực thi các kết nối mới thay cho các kết nối đã tồn tại trong QoS. Các phương thức điều khiển công suất có thể được nhóm thành hai loại chính sau đây:  Điều khiển công suất dựa trên tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR.  Điều khiển công suất dựa trên công suất truyền. Điều khiển công suất dựa trên SIR hay còn gọi là điều khiển công suất dựa trên chất lượng bởi SIR phản ánh xác suất bit lỗi nhận được. Đây cũng chính là tiêu chí dùng để đánh giá chất chất lượng dịch vụ QoS. Đặc biệt ở đường lên, điều khiển công suất dựa trên SIR có đáp ứng dung lượng biến thiên theo nhiễu giao thoa, có thể được nhìn thấy bởi máy cầm tay phía thu đường lên. Tuy nhiên, việc điều khiển các hồi tiếp dương và các ảnh hưởng của nó là điều rất phức tạp bởi một hệ thống thì bao gồm nhiều trạm gốc BS và nhiễu tại mỗi trạm gốc lại có độ sai lệch hoàn toàn độc lập với nhau. Điều khiển công suất dựa trên công suất truyền lại dựa trên sự đo đạc chính xác các thông số của kênh vô tuyến. Nguyên lý cơ bản của các thuật toán loại này là công suất được điều chỉnh tùy theo độ sai lệch kênh vô tuyến đã được đo đạc. 2.3.2. Thuật toán điều khiển công suất bước động DSSPC Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 30 2.3.2.1. Khái niệm và lợi ích của độ dự trữ công suất (cửa sổ công suất) Độ dự trữ SIR nhiều mức là sự giả thiết về biến đổi kênh ban đầu mà cần phải được xác định theo kết quả của phép đo vô tuyến thời gian thực. Những giới hạn trên và dưới của độ dự trữ công suất tuỳ thuộc vào tải/giao thoa của mạng vô tuyến trong truy cập vô tuyến hay tại mức tế bào. Bằng việc xác định độ dự trữ công suất nhằm đảm bảo các chỉ tiêu và độ ổn định của hệ thống. Do mạng vô tuyến là môi trường động nên vùng dự trữ công suất có thể dao động lên trên hoặc xuống dưới khi mức tải và nhiễu giao thoa thay đổi. Khi kênh mang (bearer) vô tuyến được thiết lập, DSSPC sẽ điều khiển kênh mang này (có quan hệ với mức công suất phát) để tối ưu hóa mức công suất phát này nằm trong giới hạn cho phép của độ dự trữ công suất. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng thông tin về QoS của kênh mạng cũng như mức nhiễu giao thoa mà nó gây ra cho mạng và dung lượng của mạng có liên quan tới nhiễu. Để cung cấp chất lượng dịch vụ tốt nhất với mức tối thiểu công suất truyền (hay SIR) thì cần phải cân bằng giữa chất lượng dịch vụ QoS, dung lượng mạng, quản lý cước kênh mang…Tuy nhiên, mức điều khiển công suất không nhất thiết phải là mức nhỏ nhất có thể nhưng lại phụ thuộc vào chiến thuật cân bằng được sử dụng. Đó là cung cấp QoS tốt nhất với công suất truyền (hoặc SIR) ở mức thấp nhất nhằm duy trì một mức tương ứng của dung lượng Hình 2.6 Dự trữ SIR với các chất lượng dịch vụ khác nhau Hình 2.6 đã chỉ rõ mức công suất truyền của trạm di động được điều khiển để nó hội tụ ở mức tối ưu. Thay vì giới hạn một mức cho SIR mà ở đây SIR đa mức sẽ được dùng bao gồm các giới hạn ngưỡng trên và ngưỡng dưới. Vì vậy, ứng với mỗi Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 31 dịch vụ như thoại, dữ liệu hay hình ảnh sẽ có các mức công suất truyền tối ưu riêng mà công suất của UE từ ở mức trên hay mức dưới sẽ được hội tụ về đó. 2.3.2.2.Sự hoạt động của mạng Hình 2.7 Quá trình tạo lập- quyết định TPC trong DSSPC Hình 2.7 là giản đồ hoạt động căn bản của phương pháp DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên. Trong điều khiển công suất đường lên, bên cạnh mạng thì điều khiển truy cập vô tuyến và trạm gốc cũng nằm trong một phần điều khiển của tiến trình điều chỉnh công suất. Sai Sai Đúng Bắt đầu Nhận công suất ban đầu và các thông số SIR_real > SIRmax Tiếp tục Đúng Đúng Sai Đúng SIRoptmax ≤ SIR_real SIRoptmin ≤ SIR_real SIRmin ≤ SIR_real SIR_real < SIRmin Sai Lệnh tăng công suất truyền Công suất nhận tối ưu Lệnh giảm công suất truyền Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 32 Các đối tượng điều khiển cho phép và điều khiển công suất của bộ điều khiển truy nhập vô tuyến sẽ thiết lập các đích chất lượng tín hiệu, bao gồm: SIR_max, SIR_opt_max, SIR_opt_min, SIR_min. Điều này có thể dựa trên thông tin lưu lượng sẵn có trong AC(Admission Control), cường độ tín hiệu, SIR, các độ ưu tiên truy cập, thông tin hỗ trợ định vị… Như đã chỉ ra trong hình 2.7, trạm gốc phát lệnh công suất truyền (TPC: Transmit Power Command) bằng việc so sánh SIR nhận được tương ứng công suất của kênh đường lên với các ngưỡng xác định của SIR tương ứng với độ dự trữ công suất. 2.3.2.4.Sự hoạt động của UE Đầu tiên, UE nhận lệnh điều khiển công suất từ trạm gốc BS. Nó ghi lệnh điều khiển công suất tiếp theo vào thanh ghi bit lệnh. Việc thay đổi dữ liệu gốc được lưu trữ tại đây, bao gồm dữ liệu về những lệnh điều khiển công suất gần đây nhất, các kích thước bước, tọa độ của máy cầm tay. UE kiểm tra giá trị lệnh điều khiển công suất, kích thước bước và thông tin hỗ trợ định vị bao gồm cả sự thay đổi của dữ liệu gốc. Nếu lệnh điều khiển công suất hoặc chuỗi kích thước bước là chẵn, nghĩa là mức công suất không hoàn toàn thay đổi nhưng được giữ ổn định và không có số lượng đáng kể cần thay đổi công suất truyền. Nếu lệnh điều khiển công suất hoặc chuỗi kích thước bước không phải là số chẵn thì tiến trình điều khiển sẽ tiến tới bước kiểm tra lệnh, hay nói cách khác chỉ có duy nhất một tập lệnh điều khiển công suất được lặp lại thường xuyên. Trong trường hợp đó, kích thước bước lớn hơn sẽ được chú ý tới để bù vào sự thay đổi của công suất truyền. Nếu lệnh điều khiển công suất hoặc chuỗi kích thước bước không chẵn cũng không lẻ mà được lặp lại một cách bất quy tắc thì tiến trình điều khiển sẽ tiến thẳng tới bước, nơi mà điều khiển công suất nhanh không nhiễu xảy ra. Trạm di động có khả năng định vị sẽ được dùng để dự đoán sự thay đổi đó. Việc tính toán kích thước bước động DSS (Dynamic Step-Size) dựa trên công thức (2.11). DSS là kết quả kết hợp của hằng số và biến số trong điều khiển công suất. Do đó, UE điều chỉnh công suất truyền của nó bằng cách thêm DSS vào công suất tín hiệu ban đầu Po như sau: Ptrx(dB) = Po(dB) + DSS (dB) Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 33 DSS(dB) = α. β. γ, với γ = 1 khi ∆SIR < 0 -1 khi ∆SIR > 0 (2.11) Trong đó:  α: Kích thước bước cố định đã được xác định trước.  β: Thành phần động của DSS, được định nghĩa dựa trên giá trị SIR thực và SIR đích tương ứng với kết nối vô tuyến. Mục đích của DSS là để bù vào sự suy giảm công suất vì kênh truyền không ổn định. Để xác định giá trị β thì phải có thông số SIR nhận được và SIR đích. Tuy nhiên, các thông tin này chỉ có ở trạm gốc. Vì vậy, đối với việc điều chỉnh công suất truyền đường lên sẽ có hai cách để thực thi phương pháp điều khiển công suất này: 1. Thông tin liên quan đến SIR được truyền đến trạm di động bằng cách dùng tín hiệu kênh riêng hay kênh chung. Bộ phân tích dữ liệu gốc (HDAL: History Data Analyzer Logic) của trạm di động tính toán giá trị của  dựa trên bảng dò tìm (bảng 3.1). 2. Giá trị của  được tính toán tại BS bằng việc dùng tiêu chuẩn được định nghĩa trong bảng dò tìm. Do vậy, thông tin được truyền đến trạm di động là . . Trong trường hợp này UE không cần tính toán tới các tham số liên quan đến SIR nên giảm bớt được độ phức tạp cũng như sự tiêu thụ pin của nó. 2.1 Bảng tra cứu dành cho DSSPC Trong bảng 2.1, Ki = ( 0, …, Kn+1 ) là số nguyên, có thể tối ưu dựa trên những phép đo thực tế liên quan đến mạng vô tuyến. Tiêu chuẩn so sánh SIR   SIRopt_min SIRreal  SIR max 0 X(tùy ý) SIRopt_max SIRreal SIRmax K1 1 SIRreal > SIRmax K2 1 SIRmin SIRreal  SIRopt_min K1 -1 SIRreal < SIRmin K2 -1 Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 34 Do đó, nó có thể thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổi thời gian thực trong chất lượng tín hiệu vì fading và SIR đích cho kênh mang yêu cầu ánh xạ bởi mạng. Trong ví dụ này các giá trị nhiều mức của SIR đích được định nghĩa như: SIR_max, SIRopt_ max, SIRopt_ min, SIR_min. Hình 2.8 là mô hình chung về sơ đồ khối thực hiện phương pháp điều khiển công suất ứng dụng cho đường lên. BS nhận tín hiệu được truyền bởi UE và hướng tới để giữ cường độ tín hiệu nhận được không thay đổi bằng cách gởi lệnh điều khiển công suất đến UE. Hình 2.8 Mô hình chung của DSSPC đối với điều khiển công suất đường lên BS chịu trách nhiệm để đo SIR nhận được và một phần của những phép đo đó yêu cầu thiết lập thông số dự trữ công suất và các SIR đích. Các phép đo được thực hiện sau máy thu phân tập RAKE, nơi kết nối nhiều nhánh khác nhau của tín hiệu nhận được. Tại khối trạm gốc, các giá trị đích và giá trị đo được của SIR được so sánh. Trạm gốc cũng tính toán giá trị tương ứng cho  và  như định nghĩa trong bảng 2.1. Để xác định lệnh công suất truyền, bộ phát BS gởi các lệnh công suất phát (TPCs) đến trạm di động để tăng, giảm hay giữ công suất truyền không thay đổi. Tại UE, các lệnh điều khiển công suất được tập hợp thành một vector mà trạm di động ghi vào bộ phân tích dữ liệu gốc (HDLA). HDLA phân tích vector bit lệnh nhận được khi đưa ra giá trị thích ứng của DSS. HDLA đưa ra đưa ra thành phần thích ứng của DSS dựa trên thông tin nhận được từ trạm gốc dưới dạng luồng bit Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 35 TPC. Cuối cùng, phần tử điều khiển điều chỉnh công suất truyền của trạm di động dựa trên phương trình (2.11). 2.4. Phương pháp điều khiển công suất phân tán ( DPC - Distributed Power Control) 2.4.1. Mô hình hệ thống Mô hình hệ thống sử dụng đối với điều khiển công suất đường lên. Giả thiết một BS là M, có (J) UE trong hệ thống. Tại BS M, SIR nhận được của UE thứ i là : iJ j ij MjMj iMi i o ib i PG PG WN RE I S                   1 . . . . (2.12) Trong đó Eb là năng lượng bit thông tin và N0 là mật độ phổ công suất tạp âm. Công suất truyền của thuê bao thứ i là Pi được giới hạn bởi mức công suất cực đại là Pi ≤ Pi_max với 1 ≤ i ≤ J (2.13) Ri là tốc độ dữ liệu của thuê bao thứ i, GMi là độ lợi đường truyền giữa UE thứ i và BS M. Giá trị của GMi được giả thiết là hằng. Việc giả thiết này là hợp lý nếu thuật toán điều khiển công suất có thể hội tụ trong khoảng thời gian ngắn. W độ rộng băng tần trải phổ, M là nhiễu nền. Do vậy, việc chính yếu của điều khiển công suất là tìm ra vector công suất dương P = (P1, P2. . . PJ) thoả mãn: i  T 1  i,j  J (2.14) Trong đó  T là mức SIR tối thiểu yêu cầu được xác định bởi mỗi dịch vụ hay môi trường BER. 2.4.3. Thuật toán điều khiển công suất phân tán ( DPC ) Mỗi UE điều khiển công suất truyền của nó trong giới hạn cực đại dựa trên thông tin mức công suất của nó và phép đo SIR. Thuật toán DPC điều khiển mức SIR của tất cả các thuê bao để đạt được SIR yêu cầu nếu có thể. Chúng ta đề xuất thuật toán điều khiển công suất phân tán mới sử dụng tham số thay đổi từ thuật toán truyền thống để cải thiện hiệu quả của nó. Hàm công suất mới là vấn đề chính cần thiết để đạt được mức SIR tối thiểu. Nếu SIR của UE trên mức cực tiểu trong suốt thời gian điều khiển công suất thì ít nhất một kết nối UE – BS sẽ bị cắt. Do vậy, tốc độ hội tụ liên quan đến dung lượng hệ thống. Thuật toán có thể được mô tả như sau : Chương 2 Điều khiển công suất theo bước động DSSPC và phân tán DPC 36 Pi(0) = P0i Pi (n+1) = ek (T -  i (n)) * Pi (n) hay Pi (n+1) (dBm) = ek (T -  i (n)) (dBm) + Pi (n) (dBm) (2.15) Trong đó, k là tham số dương (được khảo sát kỹ trong [12]) nếu k quá lớn tốc độ hội tụ sẽ chậm, nếu k quá nhỏ SIR sẽ dao động. Chúng ta có thể đạt được tốc độ hội tụ nhanh hơn bằng cách tối ưu hoá k. P0i là công suất truyền ban đầu của thuê bao, Pi (n+1) là công suất truyền của thuê bao thứ i trong vòng lặp thứ n, i (n) (dB) là SIR của thuê bao thứ i tại vòng lặp thứ n. Có các trường hợp sau : Trường hợp 1:  i(n) <  T Pi(n+1) < Pi(n) (2.16) Trường hợp 2:  i(n) >  T Pi(n+1) > Pi(n) (2.17) Trường hợp 3:  i(n) =  T Pi(n+1) = Pi(n) (2.18) Mục đích chính của thuật toán này là tăng hay giảm công suất truyền của UE liên quan SIRi (  i) được nhận bởi trạm M. Bằng cách điều chỉnh thông số k trong hàm điều khiển công suất, hệ thống sẽ thoả mãn các yêu cầu vận hành khác nhau. Như vậy, thuật toán điều khiển công suất phân tán DPC dựa trên giá trị SIR đích, các giá trị SIR đo được sẽ được hội tụ về giá trị SIR đich đó. Khi đó, công suất phát của UE sẽ không đổi theo thời gian. 2.5. Kết luận Phương pháp điều khiển công suất theo bước động DSSPC đã tập trung vào điều khiển công suất truyền bằng cách dùng khái niệm ngưỡng nhiều mức, các lệnh điều khiển công suất TPC. Bước động bù cho sự chậm của phương pháp điều khiển công suất cố định nhưng cũng cần sự bù nhanh của công suất truyền trong cửa sổ công suất chấp nhận được, cân bằng sự ổn định của hệ thống. Phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC cũng dùng thông tin về tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa SIR nhưng mức ngưỡng SIRi được điều chỉnh cho phù hợp với từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng đường truyền tốt nhất. Do đó DPC có khả năng đạt được mức SIR yêu cầu và hệ thống hoạt động ổn định hơn các phương pháp điều khiển công suất truyền thống. Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 37 Chương 3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN & TÍNH TOÁN 3.1. Giới thiệu chương Chương trước đã tập trung tìm hiểu hai thuật toán điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động WCDMA: thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC và điều khiển công suất phân tán DPC. Đó là nền tảng để tiến hành xây dựng lưu đồ thuật toán và tính toán nhằm mục đích kiểm chứng lại lý thuyết điều khiển, đồng thời mang lại cái nhìn trực quan về hai thuật toán này. Ngoài ra, quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên trong hệ thống WCMDA cũng sẽ được khảo sát trong chương này. Đây là bài toán quan trọng giúp cho việc tính toán vùng phủ sóng cũng như quy hoạch dung lượng của hệ thống sau này. 3.2. Tổng quan Chương này sẽ từng bước khảo sát các vấn đề sau đây:  Khảo sát quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên trong WCDMA cho các tốc độ bit khác nhau với các tham số được mặc định sẵn. Đặc biệt, người dùng có thể tùy ý thay đổi các thông số này để tính toán quỹ đường truyền trong một giới hạn cho phép.  Mô hình tính toán điều khiển công suất theo hai thuật toán DSSPC và DPC với giả thiết có từ 1 tới 7 UE đang đồng thời kết nối với trạm gốc trong một cell. 3.3. Quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên trong hệ thống WCDMA Quỹ đường truyền được sử dụng để tính toán vùng phủ và chất lượng cho trạm gốc và trạm di động. Các thông số quan trọng nhất trong quỹ đường truyền vô tuyến là: ▪ Dự trữ nhiễu: Cần có dự trữ nhiễu trong quỹ đường truyền vì tải của cell, hệ số tải tác động lên vùng phủ sóng. Nếu cho phép tải càng lớn thì càng cần nhiều dự trữ nhiễu ở đường lên và vùng phủ sóng càng nhỏ. Đối với các trường hợp bị giới hạn bởi vùng phủ thì cần đề xuất dự trữ nhiễu nhỏ. Trong khi đó, đối với các trường hợp bị hạn chế bởi dung lượng thì cần có độ dự trữ nhiễu cao. Trong các trường hợp chịu sự hạn chế vùng phủ này thì kích cỡ của cell bị hạn chế bởi tổn hao Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 38 đường truyền cho phép cực đại trong trong quỹ đường truyền và dung lượng cực đại của giao diện vô tuyến của BS không được sử dụng. ▪ Dự trữ fading nhanh: Cần có một lượng dự trữ fading nhất định ở công suất phát UE để duy trì điều khiển công suất nhanh vòng kín tương ứng. Điều này đặc biệt áp dụng cho fading chậm khi UE người đi bộ chuyển động chậm có thể bù trừ hiệu ứng fading nhanh. Giá trị điển hình của dự trữ fading nhanh là 2-5 dB cho các UE chuyển động chậm. ▪ Độ lợi chuyển giao mềm: Chuyển giao mềm hay cứng đảm bảo một độ lợi để chống lại fading (fading log chuẩn) bằng cách giảm dự trữ fading log chuẩn. Sở dĩ như vậy vì fading chậm thường không tương quan giữa các trạm gốc và bằng cách chuyển giao, UE có thể chọn BS tốt hơn. Chuyển giao mềm cung cấp độ lợi phân tập vĩ mô bổ sung để chống lại fading nhanh bằng cách giảm liên quan đến một đường truyền đơn nhờ việc kết hợp của phân tập vĩ mô. Tổng độ lợi của chuyển giao mềm được giả thiết rằng bằng 2-3 dB, bao gồm độ lợi chống lại fading chậm và nhanh. Như vậy, qua hình 3.2 có thể thấy rằng việc tính toán quỹ đường truyền nhằm xác định suy hao đường truyền cực đại cho phép là một yếu tố vô cùng quan trọng để từ đó xây dựng vùng phủ sóng cho hệ thống WCDMA. Hình 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới vùng phủ đường lên Độ nhạy máy thu BS Băng tần thu, máy thu RF, anten… Yêu cầu dung lượng đường lên Tốc độ bit Phân tập: đa đường, anten, macro… Công suất phát MS Dự trữ nhiễu Độ lợi xử lý Dự trữ fading Suy hao đường truyền cực đại cho phép (dB) Mô hình lan truyền Tần suất phủ yêu cầu Cự ly cell cực đại (km) Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 39 Mục này sẽ khảo sát quỹ đường truyền hướng lên cho các dịch vụ UMTS: dịch vụ thoại 12.2 kbit/s sử dụng codec tiếng ARM (thuê bao đi xe ô tô tốc độ 120km/h và có chuyển giao mềm); dịch vụ số liệu thời gian thực 144kbit/s (thuê bao trong nhà có tốc độ 3km/h, được phủ sóng bởi BS ngoài trời, có chuyển giao mềm); dịch vụ số liệu phi thời gian thực 384kbit/s (thuê bao ở ngoài trời có tốc độ 3km/h và không có chuyển giao mềm). Các tham số của quỹ đường truyền được cung cấp ở bảng dưới đây. Giá trị của các tham số này được cho trong [2]. Thông số Công thức 12.2kbit/s 144kbit/s 384kbit/s Máy phát MS Công suất phát cực đại (dBm) a 21 24 24 Hệ số khuyếch đại anten MS (dBi) b 0 2 2 Tổn hao cơ thể (dB) c 3 0 0 EIRP (dBm) d = a + b - c 18 26 26 Máy thu trạm gốc BS Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) e -174 -174 -174 Hệ số tạp âm máy thu trạm gốc (dB) f 5 5 5 Mật độ phổ tạp âm máy thu (dBm/Hz) g = e + f -169 -169 -169 Công suất tạp âm máy thu (dBm) h = g + 10lg(3840000) -103.2 -103.2 -103.2 Dự trữ nhiễu (dB) k 3 3 3 Tổng tạp âm hiệu dụng cộng nhiễu (dBm) i = h + k -100.2 -100.2 -100.2 Độ lợi xử lý (dB) j= 10lg(3840/Rt) 25 14.3 10 yêu cầu (dB) l 5 1.5 1 Độ nhạy máy thu (dBm) m = l – j + i -120.2 -113 -109.2 Các phần tử khác Hệ số khuếch đại anten trạm gốc (dB) n 18 18 18 Tổn hao cáp ở BS (dB) o 2 2 2 Dự trữ fading nhanh p 0 4 4 Tổn hao đường truyền cực đại (dB) q = d – m + n –o - p 154.2 151 147.2 Dự trữ fading log chuẩn (dB) r 7.3 4.2 7.3 Độ lợi chuyển giao mềm (dB) s 3 2 0 Tổn hao trong nhà t 8 15 0 Tổn hao truyền sóng cho phép đối với vùng phủ của cell (dB) u = q –r + s - t 141.9 133.8 139.9 Bảng 3.1 Quỹ đường truyền tham khảo cho các dịch vụ UMTS Từ bảng trên có thể rút ra những nhận xét như sau: Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 40 ▪ Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ thoại 12.2kbit/s ARM không có dự trữ fading nhanh vì tại tốc độ 120km/h điều khiển công suất không bù được fading. Thông thường tốc độ thấp của UE là yếu tố để giới hạn dự trữ fading nhanh. ▪ yêu cầu phụ thuộc vào tốc độ bit, dịch vụ, đặc điểm của tuyến đa đường truyền, tốc độ máy di động, thuật toán thu và cấu trúc anten trạm BS. Đối với các UE có tốc độ thấp thì yêu cầu thấp. ▪ Công suất phát UE trong các trường hợp tốc độ bit lớn thì cao hơn so với tốc độ bit bé. ▪ Độ lợi xử lý trong các trường hợp cũng khác nhau. Tốc độ bit càng thấp thì độ lợi xử lý càng cao và ngược lại. Dưới đây là giao diện của quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên cho tốc độ bit 12.2 kbit/s với các tham số được mặc định sẵn. Hình 3.3 Quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên ứng với tốc độ 12.2 kbit/s Ngoài các tham số được mặc định sẵn thì người dùng có thể tự tạo cho mình các thông số tùy ý bằng cách kích hoạt phím “nhập mới”. Việc nhập mới này phải nằm trong một khoảng giá trị cho phép nhằm đảm bảo tính hợp lý cho chương trình. 3.4. Mô hình tính toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC và điều khiển công suất phân tán DPC trong hệ thống WCDMA Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 41 3.4.1. Thông số đầu vào + Nhập số lượng UE có kết nối với trạm gốc phục vụ: NUE ( 0 < NUE < 8) + Khởi tạo ngẫu nhiên vectơ (P1, P2, …, PNUE)  Pmax là công suất ban đầu của NUE UE. + Nhập tốc độ dữ liệu của UE. + Nhập các thông số của máy phát UE. + Nhập các thông số của máy thu trạm gốc BS. Các thông số đầu vào được người dùng nhập ở form “ Nhập số liệu” trước khi thực hiện điều khiển công suất hệ thống. Trong chương trình này có hỗ trợ ba bộ dữ liệu hệ thống WCDMA tham khảo tương ứng với ba tốc độ dữ liệu khác nhau của UE: 12.2 kbit/s, 144kbit/s, 384kbit/s. Dưới đây là giao diện của form “nhập số liệu” trong chương trình. Hình 3.6 Giao diện của form nhập số liệu để thực hiện việc điều khiển công suất Trong hình 3.6 trên, các thông số đầu vào đã được mặc định sẵn cho tốc độ 144kbit/s và số lượng UE kết nối đồng thời với trạm gốc trong cell là 5. Cũng giống như bài toán quỹ đường truyền hướng lên, ở form “nhập số liệu” này cũng cho phép người dùng có thể tự điều chỉnh các thông số điều khiển. Và các thông số này cũng nằm trong một khoảng giá trị cho phép và buộc người dùng phải Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 42 thiết lập trong khoảng đó. Khi người dùng nhập thông số không đúng như khoảng giá trị giới hạn thì sẽ được yêu cầu nhập lại thông số đó. 3.4.2. Các công thức tính toán trong chương trình [2]  Khuếch đại công suất di động Pma = Pme - Lm + Gm [dBm] (3.1) Trong đó: Pma : Công suất ra của bộ khuếch đại công suất di động [dBm]. Pme : EIRP từ anten phát của UE [dBm]. Lm : Suy hao cáp giữa đầu ra của bộ khuếch đại công suất và đầu vào của anten UE [dB]. Gm : Tăng ích anten phát UE [dBm].  Công suất thu ở BS trên người sử dụng Pr = Pme - Lp - Al + Gt - Lt [dBm]. (3.2) Trong đó: Pr : Công suất kênh lưu lượng thu tại BS phục vụ từ UE [dBm]. Lp : Tổn hao truyền sóng trung bình giữa UE và BS [dB]. Al : Suy hao fading chuẩn loga [dB]. Gt : Tăng ích anten thu BS [dB]. Lt : Tổn hao conector và cáp thu của BS [dB].  Mật độ công suất của các UE khác ở BS phục vụ Iutr = Pr + 10*lg(Nt - 1) + 10*lgCa – 10*lgBw [ dBm/Hz ] (3.3) Trong đó: Iutr : Mật độ nhiễu giao thoa từ các UE khác ở BS phục vụ [dBm/Hz]. Ca : Hệ số tích cực thoại kênh lưu lượng (0,4 ÷ 0,6). Nt : Số kênh lưu lượng trong cell đang xét . Bw : Độ rộng băng tần [Hz].  Mật độ nhiễu giao thoa từ các trạm di động ở các BTS khác Ictr = Iutr + 10*lg(1/ fr -1 ) [dBm/Hz] (3.4) Trong đó: Ictr : Mật độ nhiễu giao thoa từ các UE ở các BS khác. [dBm/Hz] fr : Hệ số tái sử dụng tần số (0,6).  Mật độ nhiễu giao thoa từ các UE khác tại BS đang phục vụ và từ các BS khác Itr = 10 *lg (10 0,1* I utr + 10 0,1* I ctr ) [dBm/Hz] (3.5) Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 43 Trong đó: Itr : Mật độ nhiễu giao thoa từ các UE khác đến BS đang phục vụ và từ các BS khác [dBm/Hz].  Mật độ tạp âm nhiệt N0 = 10* lg (290 * 1,38 . 10 -23) + Nf + 30 [dBm/Hz] (3.6) Trong đó: N0 : Mật độ tạp âm nhiệt tại nhiệt độ tham khảo 290 oK. Nf : Hệ số tạp âm của máy thu BS [dB].  Mật độ phổ công suất nhiễu I0 = 10*lg ( 10 0,1* I tr + 10 0,1* N0 ) [dBm/Hz] (3.7)  Tính SIR wo r .BI P SFSIR  (3.8) với: I = I0 * Bw hay SIR = SF (dB) +Pr (dBm) – Io – 10*lg(Bw) [dB] 3.4.3. Tính toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC 3.4.3.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển Lưu đồ thuật toán điều khiển (hình 3.8) với các thông số được giả thiết khởi tạo ban đầu là:  SIRmax = 33 dB  SIRopt_max = 27 dB  SIRopt_min = 19 dB  SIRmin = 8 dB  alpha( ) = 0.5  petamax(βmax) =2  petamin(βmin) = 1  gamma ( ) =  1  số bước lặp điều khiển là số lần lặp của bộ timer1. Các giá trị trên tham khảo trong [5]. Những thông số này có thể được thiết lập lại ở Form “Nhập số liệu” theo tuỳ chọn của người điều khiển đối với hệ thống cần điều khiển. Chương trình mô phỏng sẽ nhận các thông số đầu vào, áp dụng các công thức tính toán trong mục (3.4.2) vào lưu đồ thuật toán để điều khiển công suất. Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 44 Việc điều khiển theo bước động DSSPC phải luôn đảm bảo theo nguyên tắc sau: Pmin ≤ Pđk ≤ Pmax. Dưới đây là lưu đồ thuật toán của điều khiển công suất theo bước động DSSPC. Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán của phương pháp DSSPC Sai Sai Sai Lệnh giảm công suất truyền Pdki = Poi - .min Đúng lap NL Kết thúc Lệnh giảm công suất truyền Pdki = Poi - .max Công suất nhận là tối ưu Pdki = Poi Đúng Đúng SIRopt_min  SIR_reali Đúng SIR_reali > SIR _max SIRopt_max SIR_reali Pmin  Pđki  Pmax Đúng Sai Đúng lap = lap +1 Sai i = i + 1 Poi = Pdki i  NUE Lệnh tăng công suất truyền Pdki = Poi + .max Sai Đúng Lệnh tăng công suất truyền Pdki = Poi + .min Sai SIR_min  SIR_reali * Các thông số: + Pmax, NUE, NL(Nlap) + SIR_max, SIR_min,SIRopt_max, SIRopt_min. + (Po1,Po2,…,PoNUE)  Pmax + , max, min lap = 1 Bắt đầu Các thông số i = 1 SIR_reali Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 45 3.4.3.2. Kết quả tính toán Hình 3.9 Bảng thông số điều khiển công suất theo DSSPC Đây là bảng tính toán các thông số trước và sau quá trình điều khiển công suất theo bước động DSSPC.  Thông số trước khi điều khiển công suất + Số lượng UE kết nối đồng thời với trạm gốc phục vụ là 5, được đánh theo số thứ tự từ UE1 tới UE5. + Công suất phát của mỗi UE được lấy ngẫu nhiên trong khoảng [-30,18]. Công suất này chính là Pme được dùng trong công thức (4.1) và (4.2). + Giá trị SIR trước điều khiển được tính theo các công thức trong mục (4.5.2). + SIRmax = 33 dB, SIRopt_max = 27 dB, SIRopt_min = 19 dB, SIRmin = 8 dB, α = 0.5, βmin = 1, βmax = 2, γ = .  Thông số sau khi điều khiển công suất Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 46 + Có thể thấy giá trị thông số của UE5 hầu như không thay đổi ngay cả trước và sau khi điều khiển. Sở dĩ như vậy là do giá trị SIR_tính được trước khi điều khiển công suất (cũng chính là giá trị SIR đo đạc trong thực tế) nằm trong khoảng SIR_opmin ≤ SIR_tính ≤ SIR_opmax. Theo như thuật toán DSSPC thì khi đó SIR_tính sẽ đạt giá trị tối ưu và công suất phát của UE sẽ được giữ nguyên, không thay đổi. Đây là điều mà BS phục vụ luôn mong muốn nhận được. + UE2, UE3, UE4 lại có giá trị SIR_tính nhỏ hơn giá trị SIR_opmin. Khi đó, BS sẽ điều khiển cho UE tăng công suất phát để đạt được SIR nằm trong vùng tối ưu. Và khi SIR đạt được giá trị tối ưu rồi thì công suất phát của UE sẽ không tăng nữa, luôn giữ ở mức ổn định. Tuy nhiên, việc tăng giá trị công suất này đến một mức nào đó phải thỏa mãn điều kiện cho phép. Đó là phải luôn đảm bảo nằm trong khoảng (Pmin, Pmax). + UE1 có giá trị SIR_tính lớn hơn SIR_opmax nên BS phục vụ sẽ điều khiển cho UE giảm công suất phát để giảm SIR. Khi SIR giảm tới một mức nào đó để đạt đến giá trị tối ưu thì công suất phát của UE lúc đó cũng sẽ không giảm nữa, mà được duy trì ổn định. Và cũng giống như trường hợp trên, việc giảm giá trị công suất này cũng phải nằm trong điều kiện (Pmin, Pmax). Hình 3.10 là đồ thị biểu diễn giá trị SIR và Pdk sau khi đã được điều khiển theo thuật toán DSSPC đã phản ánh tương đối chính xác các thông số. Trong khoảng thời gian rất ngắn đầu tiên (cỡ 0.5s) thì giá trị SIR thăng giáng khá mạnh, phá vỡ mối quan hệ tỷ lệ giữa SIR và Pdk. Tuy nhiên, ngay sau đó, SIR và Pdk đã phản ánh đúng quan hệ tỷ lệ thuận của mình như trong công thức (3.8). Các SIR càng gần với giá trị tối ưu bao nhiêu thì thời gian hội tụ của SIR càng ngắn bấy nhiêu. Và khi SIR đã nằm trong vùng hội tụ này thì công suất phát của UE dường như không thay đổi theo thời gian. Ngược lại, đối với các UE có SIR_tính nằm xa giá trị tối ưu thì thời gian để SIR đạt được giá trị hội tụ càng lâu. Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 47 Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn SIR và Pdk theo phương pháp DSSPC Nhận xét: - Sự biến đổi của Pđk (Công suất điều khiển), SIR của mỗi UE (để tiến vào vùng tối ưu là khoảng giá trị (SIRoptmin, SIRoptmax)) tại mỗi bước lặp trên đồ thị là quan hệ tỷ lệ thuận với nhau phản ánh đúng với mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa Pr và SIR. - Khi SIR của mỗi UE đã hội tụ vào vùng tối ưu thì hệ thống đạt được trạng thái ổn định tức SIR, Pđk dường như không đổi theo thời gian. Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 48 3.5.3. Tính toán điều khiển công suất phân tán 3.5.3.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển [6] SIR đích được thiết lập ban đầu, trong mô phỏng này chọn SIRđích = 7 dB đối với tín hiệu thoại, hệ số hội tụ k có tác động trực tiếp đến sự hội tụ của SIR và Pđk của mỗi UE, k càng lớn thì tốc độ hội tụ nhanh và ngược lại. Tuy nhiên k lớn quá gây dao động hệ thống, theo nhiều lần thực nghiệm nên chọn k = 0.04 là hợp lý đối với chương trình tính toán. Thuật toán DPC với các thông số ban đầu được thiết lập như sau: + Nhập số lượng UE kết nối đồng thời tới trạm gốc phục vụ nó sao cho NUE nằm trong khoảng giá trị [1,7]. + Số lần điều khiển công suất của hệ thống mặc định là 300 lần. Giá trị này có thể thay đổi khác nhau tùy theo người dùng. + Khởi tạo ngẫu nhiên vecto công suất phát ban đầu có độ dài tương ứng với NUE . Tuy nhiên, các giá trị công suất phát ngẫu nhiên của UE này phải luôn thỏa mãn điều kiện: Pmin ≤ Po ≤ Pmax. + SIRđích =7 (dB). + Hệ số hội tụ k = 0.04. + Pmin = -50 (dBm). + Pmax = 21 (dBm). + Pdki = Poi + e k*(SIRđích - SIRi) (3.9) [dBm] [dBm] [dBm] Điều kiện: Pmin ≤ Pdk ≤ Pmax Dưới đây là lưu đồ thuật toán của phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC trong hệ thống. Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 49 Đúng Poi = Pdki i  NUE i = i + 1 Sai Đúng i  Nlap Kết thúc Sai Đúng Bắt đầu NUE,Nlap,SIRđích,Pmax Pmin ≤ (Po1,Po2,…,PoNUE)  Pmax i = 1 lap = 1 SIRi Pdki = Poi + e k*(SIRđích - SIRi) [dBm] [dBm] [dBm] lap = lap + 1 Sai Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán phương pháp DPC Pmin  Pdki  Pmax Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 50 3.5.3.2. Kết quả tính toán Hình 3.12 Bảng thông số trong điều khiển công suất theo DPC  Thông số trước khi điều khiển công suất + Số lượng UE kết nối đồng thời với BS là 5, thỏa mãn NUE nằm trong khoảng [1,7]. + Giá trị công suất phát mỗi UE được lấy ngẫu nhiên trong khoảng [-50,21] dBm. + SIR_tính trước khi điều khiển công suất được tính theo các công thức (3.4.2).  Thông số sau khi điều khiển công suất + Giá trị SIR_tính của các UE khác nhau cùng hội tụ về một giá trị SIRđích. Vì SIRđích thiết lập bằng 7 dB nên các SIR_tính cũng phải tiến tới giá trị tối ưu đó. + Giá trị công suất điều khiển Pdk sẽ tiến tới không thay đổi theo thời gian khi SIR được hội tụ về giá trị SIRđich. Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 51 Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn SIR và Pdk theo phương pháp DPC Nhận xét: - Ở giai đoạn đầu điều khiển SIR biến đổi nhanh trong tích tắc trong khi sự biến đổi tương ứng Pđk của mỗi UE chậm hơn nên quan hệ tỷ lệ thuận giữa chúng không được phản ánh rõ nét. Tuy nhiên ở ngay giai đoạn sau, SIR hội tụ dần về SIRđích và Pđk không đổi theo thời gian và Pmin ≤ Pđk ≤ Pmax . - Đồ thị SIR và Pđk phản ánh đúng với thuật toán điều khiển: đồ thị biến thiên dạng hàm số e mũ, đúng với công thức (3.9). - Tốc độ hội tụ của SIR và Pđk nhanh hơn so với phương pháp DSSPC. 3.6. Kết luận Kỹ thuật điều khiển công suất theo bước động DSSPC dựa trên tham số tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa SIR để điều khiển công suất truyền bằng cách dùng Chương 3 Lưu đồ thuật toán và tính toán mô phỏng 52 khái niệm ngưỡng nhiều mức. Tốc độ điều chỉnh công suất cũng rất nhanh. Do đó phương pháp này có khả năng chi phối linh hoạt sự thay đổi fading của tín hiệu truyền. Kỹ thuật điều khiển công suất phân tán DPC không yêu cầu thông tin trạng thái tập trung tất cả các kênh riêng lẻ. Thay vào đó, nó có thể thích nghi các mức công suất nhờ sử dụng các phép đo vô tuyến cục bộ, chú ý tới thay đổi chất lượng dịch vụ đồng thời giải quyết hiệu ứng tồn tại trong hệ thống tế bào. Tuy nhiên, phương pháp này không xét đến sự liên quan giữa các kết nối mới cho QoS của các kết nối hiện hữu và cần nhiều thời gian hơn để tối ưu hoá mức SIR. Phụ lục 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO  [1]. Đinh Thị Thái Mai, “Hệ thống thông tin hiện đại”, ĐH Công nghệ Hà Nội [2]. Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Thông tin di động thế hệ 3”, Nhà xuất bản Bưu điện 2001. [3]. Harri Holma, Antti Toskala, “ WCDMA for UMTS- Radio access for third generation mobile communications”, John Wiley & Sons. Ltd, 2004 [4]. Yue Chen,“Soft Handover Issues in Radio Resource & Management for 3G WCDMA Networks”, Doctor of Thesis. [5]. Siamak Naghian, Matti Rintamaki, Ramin Baghaie, “ Dynamic Step-Size power control”, Nokia Group, Finland. [6]. S. Zhu, S. Dong, “Fast convergence distributed power control algorithm for WCDMA systems”, IEE Proc. Commun., Vol. 150, No.2, April 2003 [7]. Tham khảo trên nhiều Website :www.google.com, Wikipedia.org [8]. Nhiều tài liệu tham khảo khác.