Quản lý tài nguyên vô tuyến trong WCDMA

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ
CÁC TỪ VIẾT TẮT
3G
A
AMPS
AMR
B
BER
BLER
BPSK
BS
BSC
BSIC
C
CDMA
CN
CPICH
CS
D
DL
DPCH
F
FDD
G
GGSN
GMSC
GSM
Third Generation Cellular
Advanced Mobile Phone System
Adaptive Multi-Rate

Bit Error Rate
Block Error Rate
Binary Phase Shift Keying
Base Station
Base Station Controller
Base Station Identity Code
Code Division Multiple Access
Core Network
Common pilot channel
Channel Switch
Down link
Delicated Physical Channel
Frequency Division Duplex
Gateway GPRS Support Node
Gateway Mobile Switching
Centre
Global System of Mobile
Hệ thống thông tin di động thế
hệ thứ ba
Tỷ số lỗi bit
Tỷ số lỗi block
Điều chế pha nhị phân
Trạm gốc
Bộ điều khiển trạm gốc
Giải mã nhận dạng trạm gốc
Đa truy cập phân chia theo mã
Mạng lõi
Kênh hoa tiêu chung
Chuyển mạch kênh
Đường xuống

Kênh vật lý dành riêng
Song công phân chia theo tần số
Node hỗ trợ cổng GPRS
Trung tâm chuyển mạch cổng di
động
Hệ thống thông tin di động toàn
H
HLR
HO
HSDPA
HSPA
HSUPA
I
IMT-2000
IMTS
ISDN
ITU
M
MAC
ME
MS
MSC
MTS
N
NMT
O
OVSF
P
PDCP
PLMN

PS
P-SCH
PSTN
Q
QoS
QPSK
R
Communication
Home Location Register
Hand Over
High Speed Downlink Packet
Access
High Speed Packet Access
High Speed Uplink Packet Access
International Mobile
Telecommunication 2000
Improved Mobile Telephone
System
Integated Service Digital Network
International Telecomunication
Union
Medium Access Control
Moblile Equipment
Mobile Station
Mobile Switching Centre
Mobile Telephone System
Nordic Mobile Telephone
Orthogonal variable spreading
factor
Packet Data Convergence

Protocol
Public land mobile network
Packet Switch
Primary synchronisation channel
Public Switch Telephone Network
Quality of Service
Quadrature Phase Shift Keying
cầu
Thanh ghi định vị thường trú
Chuyển giao
Truy nhập gói đường xuống tốc
độ cao
Truy nhập gói tốc độ cao
Truy nhập gói đường lên tốc độ cao
Tiêu chuẩn viễn thông di động
toàn cầu 2000
Hệ thống điện thoại di động phát
triển
Mạng số tích hợp đa dịch vụ
Liên minh viễn thông quốc tế
Điều khiển truy nhập trung gian
Thiết bị nhận dạng thuê bao
Máy di động
Trung tâm chuyển mạch di động
Hệ thống điện thoại di động
Điện thoại di động Bắc Âu
Hệ số trải phổ biến đổi trực giao
Giao thức hội tụ dữ liệu gói
Mạng di động mặt đất công cộng
Chuyển mạch gói

Kênh đồng bộ sơ cấp
Mạng điện thoại chuyển mạch
công cộng
Chất lượng dịch vụ
Điều chế pha cầu
RLC
RNC
RNS
RRC
RRM
S
SFN
SGSN
SIR
SNR
S-SCH
SSDT
STTD
T
TACS
TDD
TSTD
U
UE
UL
UMTS
USIM
UTRA
UTRAN
V

VLR
W
WCDMA
Radio Link Control
Radio Network Controler
Radio Network Subsystem
Radio Resource Control
Radio Resouce Management
System frame number
Serving GPRS Support Node
Signal to Interference Ratio
Signal Noise Ratio
Secondary synchronisation
channel
Site selection diversity
transmission
Space-time block coding based
transmit diversity
Total Access Communication
System
Time Division Duplex
Time switched transmi diversity
User Equipment
Up link
Universal Mobile
Telecommunication System
UMTS Subscriber Indentity
Module
Universal Terrestrial Radio
Access

UMTS Terrestrial Radio Access
Network
Visitor Location Register
Wideband Code Division Multiple
Access
Điều khiển kết nối vô tuyến
Điều khiển mạng vô tuyến
Phân hệ mạng vô tuyến
Điều khiển tài nguyên vô tuyến
Quản lý tài nguyên vô tuyến
Số hiệu khung hệ thống
Node hỗ trợ dịch vụ GPRS
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
Kênh đồng bộ thứ cấp
Truyền dẫn phân tập lựa chọn
site
Phân tập phát dựa trên mã khối
thời gian- không gian
Hệ thống thông tin truy nhập
tổng
Song công phân chia theo thời
gian
Phân tập phát chuyển mạch theo
thời gian
Thiết bị người sử dụng
Đường lên
Hệ thống viễn thông di động
toàn cầu
Module nhận dạng thuê bao

UMTS
Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn
cầu
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất
UMTS
Thanh ghi định vị tạm trú
Đa truy cập phân chia theo mã
băng rộng

5
LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu thông tin ngày càng đòi hỏi cấp
bách đối với cuộc sống con người. Hiện tại và trong thời gian tới, yêu cầu phát
triển các loại hình dịch vụ thoại, phi thoại, internet và đặc biệt là các loại hình
dịch vụ di động ngày một tăng và không thể tách rời đời sống xã hội. Để đáp
ứng sự phát triển đó, các hệ thống thông tin di động đòi hỏi phải có cấu trúc hiện
đại, linh hoạt và nhất là thỏa mãn mọi nhu cầu về dịch vụ đa phương tiện. Do đó
mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 đã và đang được phát triển mạnh mẽ tại Việt
Nam để cung cấp dịch vụ truyền thông chất lượng cao. Và một trong những
nhiệm vụ cốt lõi trong triển khai hệ thống thông tin di động thứ 3 là quản lý tài
nguyên vô tuyến (RRM), đó cũng là nội dung của đề tài mà em tìm hiểu trong
đồ án tốt nghiệp của mình.
Các thuật toán RRM chịu trách nhiệm sử dụng 1 cách hiệu quả tài nguyên
giao diện vô tuyến. Cần phải có RRM để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS),
duy trì vùng phủ sóng đã được hoạch định và để cung cấp dung lượng cao.
Trong các mạng 3G, việc phân bố tài nguyên và định cỡ quá tải của mạng
không còn khả thi nữa do các nhu cầu không dự đoán trước và các yêu cầu khác
nhau của các dịch vụ khác nhau. Vì thế, quản lý tài nguyên bao gồm 2 phần :
Đặt cấu hình và đặt lại cấu hình tài nguyên vô tuyến.
Việc đặt cấu hình tài nguyên vô tuyến có nhiệm vụ phân phát nguồn tài

nguyên một cách hợp lý cho các yêu cầu mới đang đưa đến hệ thống để cho
mạng không bị quá tải và duy trì tính ổn định. Tuy nhiên, nghẽn có thể xuất hiện
trong mạng 3G vì sự di chuyển của người sử dụng.
Việc đặt lại cấu hình có nhiệm vụ cấp phát lại nguồn tài nguyên trong
phạm vi của mạng khi hiện tượng nghẽn bắt đầu xuất hiện. Chức năng này có
nhiệm vụ đưa hệ thống bị quá tải trở về lưu lượng tải mục tiêu một cách nhanh
chóng và có thể điều khiển được.
6
Các thuật toán RRM có thể được chia thành điều khiển chuyển giao, điều
khiển công suất, điều khiển truy nhập, điều khiển tải, và các chức năng lập lịch
gói.
Phạm vi đồ án sẽ trình bày về điều khiển công suất và chuyển giao.
Chương 1 sẽ trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di động 3G. Điều khiển
công suất giữ cho nhiễu ở mức tối thiểu trong giao diện vô tuyến và đáp ứng các
yêu cầu chất lượng dịch vụ, được mô tả tại chương 2. Chuyển giao trong các hệ
thống di động giúp xử lý vấn đề di chuyển của các thiết bị người dùng (UE) qua
các biên giới tế bào, được trình bày tại chương 3.
7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3G
1.1 Quá trình phát triển hệ thống thông tin di động
Cuối thế kỷ XIX, các thí nghiệm của nhà bác học người Italia Marconi
Guglielmo đã cho thấy thông tin vô tuyến có thể thực hiện giữa các máy thu
phát ở xa nhau và di động. Năm 1902, Marconi thử nghiệm thành công liên lạc
vô tuyến giữa 2 bờ Đại Tây Dương. Năm 1928, sở cảnh sát Detroit đã thành lập
trung tâm liên lạc vô tuyến di động giữa một trạm trung tâm với các máy di
động trên xe, nhưng chất lượng thông tin di động hồi đó rất kém.
Năm 1935 Amstrong phát minh ra kỹ thuật điều tần áp dụng cho thông tin
di động, có khả năng chống nhiễu rất lớn. Năm 1946 tại Mỹ đã triển khai hệ
thống MTS với đặc điểm là trung tâm có công suất lớn và anten đặt rất cao. Tuy
nhiên nó tồn tại một số nhược điểm như là: hạn chế việc sử dụng lại tần số dẫn

đến số cuộc gọi đồng thời hạn chế, ở chế độ bán song công, không có chuyển
giao cuộc gọi. Năm 1960 với sự ra đời của hệ thống IMTS đã cải tiến được cuộc
gọi hoàn toàn tự động, số kênh tăng từ 3 kênh lên 23 kênh.
Khái niệm tế bào do D.H.Ring đề xuất được các kỹ sư của hãng Bell phát
triển với ý tưởng: chia vùng phủ sóng ra thành nhiều khu vực nhỏ, mỗi khu vực
sẽ được đặt một trạm trung tâm với công suất nhỏ hơn. Do vậy sau mỗi khoảng
cách nhất định ta có thể sử dụng lại tần số. Các trạm gốc được nối với nhau qua
đường dây vào trung tâm chuyển mạch di động MSC. Máy di động MS có thể di
chuyển từ tế bào này sang tế bào khác, gọi là quá trình chuyển giao cuộc gọi
HO. Tuy nhiên việc quản lý và chuyển giao cuộc gọi rất phức tạp.
Năm 1978 tại Chicago đã thử nghiệm hệ thống di động tế bào. Năm 1979
hệ thống thông tin di động tế bào đầu tiên mới được triển khai và đưa vào phục
vụ tại Nhật do hãng NTT. Những năm thập kỷ 1980 đã chứng kiến sự ra đời của
một số hệ thống tế bào tương tự thường được gọi là các mạng vô tuyến di động
mặt đất công cộng PLMN, làm việc ở dải UHF, các mạng này cho thấy sự thay
đổi vượt bậc về sự phức tạp của hệ thống thông tin liên lạc dân sự. Chúng cho
8
phép người sử dụng có được các cuộc đàm thoại trong khi di động với bất kỳ đối
tượng nào có nối tới mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PSTN hoặc các
mạng đa dịch vụ số ISDN. Năm 1981 hệ thống NMT được triển khai tại bán đảo
Scanđinavơ. Năm 1983 hệ thống AMPS đã được triển khai tại Mỹ. Năm 1985 hệ
thống TACS được triển khai tại Anh. Nhược điểm cơ bản nhất của hệ thống
thông tin di động tế bào thế hệ một là: dung lượng hệ thống còn thấp, các hệ
thống không tương thích nhau.
Trong những năm 1990 đã có những bước tiến hơn nữa trong thông tin di
động với việc áp dụng các mạng tế bào số và các hệ thống không dây số. Ngoài
các dịch vụ điện thoại truyền thống, các hệ thống vô tuyến di động số thế hệ hai
sẽ cung cấp một mảng các dịch vụ mới khác như tiếng nói, truyền số liệu, truyền
fax, truyền các tin ngắn,…Năm 1991 hệ thống GSM đã được triển khai tại Châu
Âu. Năm 1993 hệ thống IS-95 được đưa vào khai thác tại Mỹ. Tuy nhiên tốc độ

truyền dữ liệu thấp 14,4 kb/s. Thông tin di động đã và đang phát triển hết sức
mạnh mẽ trên phạm vi toàn thế giới, càng ngày càng tiến tới chia sẻ thị trường
và thay thế từng mảng các dịch vụ thông tin cố định.
Để khắc phục những hạn chế của hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ
hai, như hạn chế về tốc độ truyền dữ liệu thấp chỉ khoảng 14,4 kb/s, hệ thống
thông tin di động tế bào thế hệ ba đã ra đời trên cơ sở từ hệ thống thế hệ hai. Đó
là hệ thống EDGE phát triển lên từ hệ thống GSM, tốc độ có thể lên tới 473
kb/s. Hệ thống CDMA 2000, 1x, 3x phát triển lên từ IS-95, tốc độ truyền lên tới
2 Mb/s. Từ năm 1997, liên minh viễn thông quốc ITU đã xây dựng tiêu chuẩn
chung cho thông tin di động thứ ba trong dự án IMT-2000. Mục đích của IMT-
2000 là xây dựng tiêu chuẩn chung nhất cho các hệ thống thông tin di động toàn
cầu, phục vụ nhiều loại hình dịch vụ với tốc độ tối đa lên tới 2 Mb/s. Từ năm
2002, các hệ thống IMT 2000 sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo
mã băng rộng (W-CDMA) bắt đầu được khai thác. W-CDMA là công nghệ xây
dựng trên cơ sở kỹ thuật trải phổ, với tốc độ tối đa đạt được là 2 Mbps. Thực tế
hệ thống này chỉ cung cấp được các dịch vụ dữ liệu với chất lượng cao ở 384
9
Kbps. Chính vì vậy, để đáp ứng các yêu cầu về băng thông và chất lượng ngày
càng cao của con người, các hệ thống thông tin di động tiếp theo được nghiên
cứu. Các tổ chức viễn thông quốc tế cũng như một số nhà khai thác di động
hàng đầu trên thế giới tiếp tục nghiên cứu , đề xuất và thử nghiệm các công nghệ
của mình. Điển hình là các công nghệ truy nhập gói tốc độ cao (HSPA), bao
gồm truy nhập gói tốc độ cao đường xuống (HSDPA) và truy nhập gói tốc độ
cao đường lên (HSUPA). Các công nghệ này cho phép nâng cao tốc độ truyền
dẫn dữ liệu của hệ thống UMTS. HSDPA được 3GPP phát triển trong phiên bản
Rel’5, có thể nâng cao tốc độ dữ liệu đường xuống lên tới 14,4 Mbps (về mặt lý
thuyết) và gia tăng đáng kể dung lượng của mạng di động. HSUPA là bước phát
triển mới cho các mạng UMTS được giới thiệu trong phiên bản Rel’6 của 3GPP.
Mục tiêu của HSUPA là tăng tốc độ truyền dẫn gói dữ liệu ở đường lên tới 5,76
Mbps. Hơn nữa, HSUPA cũng sẽ tăng dung lượng và giảm trễ. Sự kết hợp của

cả hai công nghệ HSDPA và HSUPA sẽ mang lại những lợi ích to lớn, cho phép
truyền tải dữ liệu gói tối ưu ở cả đường xuống và đường lên. Truy nhập gói tốc
độ cao (HSPA) là bước phát triển đầu tiên của hệ thống W-CDMA và là một
phần của hướng phát triển cải tiến 3G trong họ công nghệ GSM. Phần lớn các
mạng W-CDMA sẽ tương thích với việc nâng cấp lên HSPA để cung cấp chất
lượng băng rộng di động tốc độ cao.
1.2 Giới thiệu về W-CDMA
1.2.1 Các yêu cầu và mục tiêu thiết kế hệ thống đối với hệ thống vô tuyến
W-CDMA
Các yêu cầu đối với IMT-2000 bao gồm tính linh hoạt, tính kinh tế và các
khả năng truyền số liệu tốc độ cao. Yêu cầu hoạt động tối thiểu về tốc độ truyền
dẫn là 2 Mbps ở môi trường trong nhà, 384 Kbps trong chế độ đi bộ và 144
Kbps ở chế độ di chuyển bằng xe. Đối với hệ thống vô tuyến, phương pháp đa
truy nhập phân chia theo mã băng rộng (W-CDMA)- phương pháp có thể thực
hiện tốt các yêu cầu đã nêu- được đề xuất là giao diện vô tuyến. Điểm đáng chú
10
ý của IMT-2000 là nó mang tính toàn cầu hơn các chuẩn khác và nhiều nỗ lực
nghiên cứu đã được tiến hành để hợp các chuẩn có tính cạnh tranh khác nhau
trong quá trình chuẩn hóa. IMT-2000 có vai trò quan trọng trong việc phát triển
một giao diện vô tuyến chung toàn cầu để đảm bảo sự chia sẻ các thiết bị đầu
cuối. W-CDMA đã được phê chuẩn là một trong các giao diện trong khuyến
nghị của tổ chức viễn thông quốc tế (ITU), trong đó nó được gọi là hệ thống trải
phổ trực tiếp IMT-2000.
Về các dịch vụ, một trong những mục tiêu chính là cung cấp đầy đủ các
chức năng đa phương tiện trong thế giới thông tin di động. Khả năng truyền dẫn
tốc độ cao sẽ biến mục tiêu này thành khả thi đối với hệ thống di động W-
CDMA. Theo các tốc độ truyền số liệu khác nhau, cung cấp đồng thời nhiều
dịch vụ và đáp ứng được cả các dịch vụ chuyển mạch gói (PS) cũng như các
dịch vụ chuyển mạch kênh (CS). W-CDMA là một phương thức hiệu quả để đáp
ứng tốt các yêu cầu này.

Băng tần sử dụng theo IMT-2000 là băng tần 2 GHz, do băng tần này là
cao hơn so với băng tần 800 MHz sử dụng trong các hệ thống thông tin di động
thế hệ thứ hai (2G) nên về mặt lý thuyết thì việc thiết kế các ô có bán kính lớn là
khó hơn do suy hao truyền lan sóng. Hơn nữa, các yêu cầu về thiết kế đường
truyền cũng nghiêm ngặt hơn do nhu cầu truyền tin lớn hơn cho các dịch vụ số
liệu tốc độ cao làm tăng các yêu cầu về công suất phát. Do đó, việc xây dựng
một hệ thống có tính kinh tế trở thành một mục tiêu quan trọng trong kế hoạch
phát triển nhằm đảm bảo vùng phủ sóng tương đương với cùng một số trạm gốc
như hệ thống di động 2G hiện có. Để làm được điều này đòi hỏi phải ứng dụng
nhiều công nghệ khác nhau.
1.2.2. Tính năng, tham số của W-CDMA
Có hai chế độ song công là FDD (Frequency Division Duplex - Song
công phân chia theo tần số) và TDD (Time Division Duplex - Song công phân
chia theo thời gian). Trong chế độ song công phân chia theo tần số, thông tin
11
được trải trên dải thông xấp xỉ 5 MHz với tốc độ chíp 3,84 Mchip/s. Trong chế
độ song công phân chia theo thời gian có 2 tùy chọn được xác định. Trong 1 tùy
chọn, thông tin được trải trên dải thông xấp xỉ 5 MHz với tốc độ chíp 3,84
Mchip/s. Trong tùy chọn kia, thông tin được trải trên dải thông xấp xỉ 1,6 MHz
với tốc độ chíp 1,28 Mchip/s và tùy chọn này chủ yếu dựa trên công nghệ anten
thông minh. Chiều dài khung là 10ms, mỗi khung chia thành 15 khe (2560
chip/khe với tốc độ chip 3,84 Mchip/s). Hệ số trải phổ thay đổi từ 256 đến 4 ở
đường lên và từ 512 đến 4 ở đường xuống. Vì thế tốc độ điều chế symbol tương
ứng là từ 960 k symbol/s đến 15 k symbol/s (7,5 k symbol/s) cho FDD đường
xuống. Hệ số trải phổ biến đổi trực giao OVSF mã kênh được sử dụng cho phân
kênh từ nguồn chung. Ở đường xuống, mã Gold với chu kỳ 10ms (38400 chip
với 3,84 Mc/s) được sử dụng để phân biệt các tế bào khác nhau. Ở đường lên,
mã Gold với chu kỳ 10ms, hay lựa chọn mã ngắn với chu kỳ 256 chip, được sử
dụng để phân biệt người dùng khác nhau.
Trong W-CDMA, điều khiển công suất được thực hiện cho cả đường lên

và đường xuống. Điều khiển công suất đường xuống nhằm tối thiểu nhiễu đến
các tế bào khác, bù nhiễu do các tế bào khác gây ra cũng như nhằm đạt được
mức SNR (tỷ số tín/tạp) yêu cầu.
Tuy nhiên, điều khiển công suất đường xuống không thực sự cần thiết như
điều khiển công suất đường lên. Điều khiển công suất đường lên nhằm khắc
phục hiệu ứng xa gần bằng cách duy trì mức công suất truyền dẫn của các máy
di động trong tế bào như nhau tại tại máy thu trạm gốc với cùng một QoS. Hệ
thống W-CDMA sử dụng hai phương pháp điều khiển công suất: Điều khiển
công suất vòng mở và điều khiển công suất vòng kín.
Có 3 lựa chọn cho mã hoá kênh: dùng mã xoắn, dùng mã Turbo hay
không dùng mã kênh. Việc chọn phương pháp mã hóa được quyết định bởi các
lớp cao hơn. Bit chèn được sử dụng để ngẫu nhiên hóa các lỗi truyền dẫn. Điều
chế kết hợp là QPSK. Khoảng cách sóng mang là 200 KHz và có thể nằm trong
12
khoảng từ 4,2 đến 5,4 MHz. W-CDMA thực hiện chuyển giao mềm và chuyển
giao khác tần số.
Bảng 1.1: Các tham số của W- CDMA
Băng thông kênh 5 MHz
Chế độ song công FDD và TDD
Cấu trúc kênh âm tần
đường xuống
Trải phổ trực tiếp
Tốc độ chip 3,84 Mchip/s; 1,28 Mchip/s
Độ dài khung 10 ms
Điều chế trải phổ Điều chế QPSK cân bằng(đường xuống)
Điều chế QPSK (đường lên)
Mạch trải phổ tổ hợp
Điều chế dữ liệu QPSK(đường xuống)
BPSK(đường lên)
Mã kênh Mã xoắn và mã turbo

Tách sóng Coherent Tín hiệu lái được ghép theo thời gian dành cho
người sử dụng (ở cả đường lên và đường xuống), tín
hiệu lái chung ở đường xuống.
Ghép kênh đường
xuống
Ghép theo thời gian cho các kênh điều khiển và
kênh dữ liệu
Ghép kênh đường lên Ghép theo thời gian cho các kênh dẫn đường và
kênh điều khiển.
Ghép kênh I & Q cho các kênh điều khiển và kênh
dữ liệu.
Đa tốc độ Biến đổi mã trải phổ đa mã
Hệ số trải phổ 4-256 (đường lên),4-512 (đường lên)
Điều khiển công suất Điều khiển công suất vòng mở
Điều khiển công suất vòng kín
Trải phổ đường xuống Mã OVSF cho phân kênh (mã dài)
Mã Gold 2
18
-1 cho tế bào và phân biệt kênh người
dùng (chu kỳ 10ms)
Trải phổ đường lên
Mã OVSF , mã Gold 2
41
cho phân biệt kênh người
dùng (dịch thời gian khác nhau ở kênh I và kênh Q,
chu kỳ 10ms)
Chuyển giao Chuyển giao mềm
Chuyển giao khác tần số
13
1.2.3. Mô hình phân lớp

Các thủ tục giao diện vô tuyến thực hiện chức năng thiết lập, duy trì và
giải phóng kết nối vô tuyến trong mạng UTRA (Universal Terrestrial Radio
Access – Truy nhập vô tuyến mặt đất toàn cầu). Chúng thực hiện các chức năng
của 3 lớp đầu (lớp vật lý – L1, lớp liên kết dữ liệu – L2, lớp mạng – L3) trong
mô hình OSI tương ứng. Cấu trúc thủ tục giao diện vô tuyến của hệ thống
UMTS được cho trên hình 1.1.
Hình 1. 1: Mô hình phân lớp.
Trên hình 1.1, lớp liên kết L2 bao gồm các phân lớp: điều khiển truy nhập
trung gian (MAC), điều khiển liên kết vô tuyến (RLC), thủ tục hội tụ gói số liệu
(PDCP) và lớp điều khiển quảng bá (BMC). Lớp cao nhất là lớp điều khiển tài
nguyên vô tuyến (RRC) tương ứng với lớp mạng trong mô hình OSI. Giao diện
giữa các lớp và các phân lớp được thực hiện thông qua các điểm truy nhập dịch
vụ (SAP). Các kênh truyền dẫn được truyền qua các điểm truy nhập dịch vụ giữa
PDCP
PDCP
14
lớp vật lý (L1) và phân lớp điều khiển truy nhập trung gian (MAC) để thực hiện
việc giao tiếp giữa lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu (L2). Các kênh logic thực
hiện việc giao tiếp trong L2 giữa các phân lớp MAC và RLC. Còn các kênh vật
lý được truyền bên trong lớp vật lý.
1.2.4. Cấu trúc mạng
Theo các đặc tả của IMT-2000, ba khối cơ bản tạo thành UMTS là: thiết
bị người dùng (UE); mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) và
mạng lõi (CN). Các phần tử được đấu nối với nhau và với mạng ngoài khi cần
thiết.
Hình 1. 2: Cấu trúc mạng UMTS
RNS
RNS
15
Thiết bị người dùng (UE) cung cấp phương tiện để người dùng truy nhập

vào hệ thống. Nó gồm thiết bị di động (ME) và modul nhận dạng thuê bao
UMTS (USIM).
Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) bao gồm một tập các
phân hệ mạng vô tuyến (RNS), mỗi phân hệ bao gồm bộ điều khiển mạng vô
tuyến (RNC) và một hoặc nhiều thực thể gọi là nút B. RNC hỗ trợ điều khiển
truy nhập vô tuyến, điều khiển kết nối, định vị địa lý và chuyển tiếp kết nối truy
nhập. Nó sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến trong miền của nó, tạo
thành điểm truy nhập dịch vụ cho các tất cả các dịch vụ mà UTRAN cung cấp
cho CN. Về logic nó tương ứng với thực thể đã biết rõ là BSC.
Mạng lõi (CN) có chức năng hỗ trợ liên lạc với UTRAN và với các CN
khác. Nó cung cấp phương tiện để hỗ trợ tính di động người dùng và các dịch vụ
người dùng. Một vài phần tử có thể tạo nên CN. Cụ thể, các phần tử dùng cho
các dịch vụ chuyển mạch kênh là các phần tử của hệ thống 2G, trong khi đó các
phần tử dùng cho dịch vụ chuyển mạch gói là các phần tử của công nghệ GPRS.
Các phần tử cơ bản của CN, là MSC/VLR, HLR, GMSC, nút hỗ trợ dịch vụ
GPRS (SGSN), nút hỗ trợ cổng GPRS (GGSN).
Trong hình 1.2, các kết nối đến mạng ngoài bao gồm kết nối với dịch vụ
chuyển mạch kênh như là PLMN, PSTN, ISDN và các kết nối với dịch vụ
chuyển mạch gói như là Internet. Mặt khác, các giao diện khác nhau giữa các
phần tử này được xác định; các giao diện mở chính là giao diện Cu, Uu, Iu, Iub,
Iur. Các giao diện mở cho phép các nhà khai thác thiết lập thiết bị của họ với các
phần tử từ các nhà sản xuất khác nhau.
Giao diện Cu: Đây là giao diện giữa USIM và ME và được xác địnhtrên cơ sở
các đặc tả vật lý bao gồm kích thước, tiếp điểm, chỉ tiêu điện, giao thức… Giao
diện này tuân theo định dạng tiêu chuẩn đối với các thẻ thông minh.
Giao diện Uu: Đây là giao diện vô tuyến giữa ME và UTRAN.
Giao diện Iu: Đây là giao diện giữa UTRAN và CN, tồn tại trong hai trường
hợp. Cụ thể là chuyển mạch kênh Iu (Iu CS) và chuyển mạch gói Iu (Iu PS). Iu
16
CS nối UTRAN đến miền chuyển mạch kênh của CN, còn Iu PS nối UTRAN

đến miền chuyển mạch gói của CN.
Giao diện Iur: Đây là giao diện giữa các RNC của các RNS khác nhau. Nó có
thể được chuyển chở trên kết nói vật lý trực tiếp giữa các RNC hoặc qua mạng
chuyên chở thích hợp bất kỳ. Iur ban đầu được thiết kế để hỗ trợ chuyển giao
mềm liên RNC.
Giao diện Iub: Đây là giao diện giữa nút B và RNC. Giao diện này hỗ trợ tất cả
các thủ tục vận hành logic và bảo dưỡng (O&M) của nút B, như là cấu hình và
quản lý lỗi. Nó cũng hỗ trợ tất cả các báo hiệu qua các cổng điều khiển dành
riêng để xử lý ngữ cảnh của UE đã cho. Sau khi liên kết vô tuyến đã được thiết
lập cho UE này.
1.2.5. Các công nghệ then chốt trong W-CDMA
Sử dụng chế độ không đồng bộ giữa các BS và phân chia mã đường
xuống
Chế độ không đồng bộ được áp dụng khi không cần duy trì một quá trình
đồng bộ chính xác giữa tất cả các BS. Nó được sử dụng nhằm mục đích đảm bảo
dễ dàng triển khai phủ kín sóng bởi các BS cho cả môi trường truyền sóng trong
nhà và ngoài trời.
Cấu trúc hoa tiêu
Quá trình tách sóng nhất quán nhất quán có sự trợ giúp của ký hiệu hoa
tiêu được áp dụng không chỉ với đường xuống mà với cả đường lên. Các ký hiệu
hoa tiêu trong đường xuống được ghép theo thời gian với các ký hiệu số liệu để
giảm thiểu độ trễ cho quá trình điều khiển công suất phát và đơn giản hóa quá
trình thu trong UE. Ký hiệu hoa tiêu đã sử dụng cho các kênh riêng ghép theo
thời gian trong đường xuống cũng có hiệu quả trong quá trình điều chỉnh công
suát phát nhanh ở đường xuống.
Mặt khác, đối với đường lên các ký hiệu số liệu được ghép vuông pha
(I/Q) với các ký hiệu hoa tiêu. Hay nói cách khác, chúng được điều chế BPSK
17
và được kết hợp ở hai trạng thái pha 0 và
/ 2

π
. Điều này làm cho các quá trình
truyền dẫn tốc độ biến thiên ở đường lên được liên tục và không thay đổi bất
thường. Nó cũng giảm thiểu hệ số đỉnh trong dạng sóng truyền dẫn và giảm bớt
các yêu cầu cho bộ khuếch đại phát trong UE. Đối với đường xuống, kênh hoa
tiêu chung CPICH đã được sử dụng để giải điều chế các kênh chung cũng được
sử dụng để giải điều chế các kênh riêng. Các ký hiệu hoa tiêu riêng được ghép
trên các kênh riêng cũng là một giải pháp hữu hiệu để đảm bảo khả năng mở
rộng, khả năng ứng dụng các anten thích nghi và các công nghệ khác để phát
triển hơn nữa.
Phương pháp truyền gói
Khi mà truyền gói trở thành kỹ thuật then chốt đối với các dịch vụ 3G thì
nhiều nghiên cứu khác nhau đã được tiến hành trên các công nghệ truyền. W-
CDMA chọn giải pháp sử dụng hệ thống có khả năng chuyển đổi thích ứng giữa
các kênh chung và các kênh riêng theo lưu lượng số liệu.
Khi lượng số liệu cần truyền lớn thì việc ấn định kênh riêng DPCH là hiệu
quả hơn và công suất sử dụng là thấp nhất nhờ quá trình điều khiển công suất
phát. Ngược lại, khi lượng số liệu cần truyền nhỏ và lưu lượng thay đổi đột ngột
sẽ chuyển đổi thích ứng giữa các kênh chung và kênh riêng theo lưu lượng số
liệu.
Các phương pháp khác cũng được sử dụng, bao gồm phương pháp dùng
kênh chia sẻ (chung) đường xuống, trong đó một kênh đường xuống được chia
sẻ bởi nhiều thuê bao. Các kênh riêng tốc độ thấp được gắn vào kênh chia sẻ
đường xuống. Các kênh điều khiển vật lý trên các kênh riêng này thực hiện việc
điều khiển và chỉ ra thông tin cần để giải mã kênh chia sẻ. Kênh chia sẻ đường
xuống được tin cậy để truyền số liệu tốc độ cao ở đường xuống một cách hiệu
quả.
Phân tập truyền dẫn
Một số công nghệ phân tập truyền dẫn đã được nghiên cứu và sau đó được
áp dụng để nâng cao hiệu suất gồm: phương pháp phân tập anten phát chuyển

18
mạch thời gian (TSTD) và phân tập anten phát dựa trên mã khối thời gian-
không gian (STTD) dạng vòng mở- trong đó không sử dụng vòng hồi tiếp.
TSTD chuyển đổi anten phát trong mỗi khe, ngược lại STTD cải thiện hiệu quả
sửa lỗi nhờ việc ngẫu nhiên hóa các lỗi tại điểm thu bằng cách mã hóa số liệu
giống nhau và gửi đồng thời chúng tới hai anten phát. Dạng vòng kín, được áp
dụng với các kênh riêng sẽ làm giảm ảnh hưởng của pha đinh bằng cách điều
chỉnh pha sóng mang phát ra từ hai anten theo tín hiệu tham chiếu phản hồi từ
UE tại điểm thu.
Với những đặc điểm như vậy, hệ thống truyền thông di động toàn cầu
UMTS (W- CDMA) có tốc độ lý thuyết tối đa đạt được là 2 Mbps, nhưng trên
thực tế, hệ thống này chỉ cung cấp được tốc độ đạt tới 384 Kbps.
1.3 Kết luận chương
Trong chương này, chúng ta đã đi vào giới thiệu sự hình thành và phát
triển của hệ thống thông tin di động và có cái nhìn tổng quan về WCDMA, bao
gồm các yêu cầu và mục tiêu thiết kế hệ thống WCDMA, tính năng và tham số
của WCDMA, mô hình phân lớp, cấu trúc mạng, các công nghệ then chốt trong
WCDMA. Đây sẽ là cơ sở để đi sâu hơn vào 2 kỹ thuật quan trọng trong RRM
WCDMA là điều khiển công suất và chuyển giao, sẽ được trình bày trong hai
chương sau.
19
CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
Trong các phần sau đây sự cần thiết của điều khiển công suất nhanh và
điều khiển công suất ngoài vòng lặp sẽ được biểu diễn qua mô phỏng. Hai khía
cạnh đặc biệt của điều khiển công suất nhanh được trình bày chi tiết tại mục 2.1:
mối quan hệ giữa điều khiển công suất nhanh và phân tập; điều khiển công suất
nhanh trong chuyển giao mềm.
2.1 Ý nghĩa của điều khiển công suất
Để minh hoạ việc điều khiển công suất cần thiết như thế nào trong hệ
thống WCDMA, chúng ta xem xét một ô đơn lẻ có hai thuê bao giả định. Thuê

bao 1 gần trạm gốc hơn thuê bao 2. Nếu không có điều khiển công suất, cả hai
thuê bao sẽ phát một mức công suất cố định p, tuy nhiên do sự khác nhau về
khoảng cách nên công suất thu từ thuê bao 1 là pr1 sẽ lớn hơn thuê bao 2 là pr2.
Giả sử rằng vì độ lệch về khoảng cách như vậy mà pr1 lớn gấp 10 lần pr2 thì
thuê bao 2 sẽ chịu một sự bất lợi lớn.
Nếu tỷ số SNR yêu cầu là (1/10) thì chúng ta có thể nhận ra sự chênh lệch
giữa các SNR của hai thuê bao. Nếu chúng ta bỏ qua tạp âm nhiệt thì SNR của
thuê bao 1 sẽ là 10 và SNR của thuê bao 2 sẽ là (1/10). Thuê bao 1 có một SNR
cao hơn nhiều và như vậy nó sẽ có được một chất lượng rất tốt, nhưng SNR của
thuê bao 2 chỉ vừa đủ so với yêu cầu. Sự không cân bằng này được xem là bài
toán “xa-gần” kinh điển trong một hệ thống đa truy cập trải phổ.
Hệ thống nói trên được coi như đã đạt tới dung lượng của nó. Lý do là
nếu chúng ta thử đưa thêm một thuê bao thứ 3 phát cùng mức công suất p vào
bất cứ chỗ nào trong ô thì SNR của thuê bao thứ 3 đó sẽ không thể đạt được giá
trị yêu cầu. Hơn nữa, nếu chúng ta cố đưa thêm thuê bao thứ 3 vào hệ thống thì
thuê bao thứ 3 đó sẽ không những không đạt được SNR yêu cầu mà còn làm cho
SNR của thuê bao 2 bị giảm xuống dưới mức SNR yêu cầu.
20
Việc điều khiển công suất được đưa vào để giải quyết vấn đề “xa–gần” và
để tăng tối đa dung lượng hệ thống. Điều khiển công suất là điều khiển công
suất phát từ mỗi thuê bao sao cho công suất thu của mỗi thuê bao ở trạm gốc là
bằng nhau. Trong một ô, nếu công suất phát của mỗi thuê bao được điều khiển
để công suất thu của mỗi thuê bao ở trạm gốc là bằng với Pr thì nhiều thuê bao
hơn có thể sử dụng trong hệ thống. Ví dụ trên, nếu SNR yêu cầu vẫn là (1/10)
thì tổng cộng có thể có 11 thuê bao được sử dụng. Dung lượng được tăng tối đa
khi sử dụng điều khiển công suất.
Điều khiển công suất nhằm mục đích để chống lại hiệu ứng Fading
Rayleigh trên tín hiệu truyền đi bởi việc bù cho Fading nhanh của kênh truyền.
Ngoài ra việc điều khiển công suất còn có tác dụng giảm nhiễu đa đường.
Vì công suất phát của máy di động thấp nên làm tăng tuổi thọ của pin.

2.2 Điều khiển công suất nhanh
Trong WCDMA, cả đường lên và đường xuống đều được hỗ trợ điều
khiển công suất nhanh tại tần số 1,5 kHz. Trong GSM, chỉ có điều khiển công
suất chậm (tần số xấp xỉ 2Hz) được sử dụng. Trong IS-95, điều khiển công suất
nhanh chỉ được hỗ trợ ở đường lên với tần số 800Hz.
2.2.1 Độ lợi của điều khiển công suất nhanh
Phần này sẽ trình bày về lợi ích của việc điều khiển công suất nhanh. Dịch
vụ được mô phỏng có tốc độ 8 kbps với BLER = 1% và ghép xen 10ms. Mô
phỏng được thực hiện với trường hợp có và không có điều khiển công suất
nhanh bước công suất 1 dB. Điều khiển công suất chậm giữ cho công suất trung
bình ở mức mong muốn. Điều khiển công suất chậm cũng có khả năng bù đắp
cho tác động của hiệu ứng suy hao đường truyền và hiệu ứng bóng râm, trong
khi điều khiển công suất nhanh cũng có thể bù đắp cho pha đinh nhanh. Máy
phân tập thu hai nhánh giả định đặt tại Node B. ITU Vehicular A là một kênh 5
nhánh trong WCDMA, và ITU Pedestrian A là một kênh 2 nhánh trong đó kênh
21
thứ hai rất yếu. Tỉ số Eb/N0 và công suất truyền trung bình yêu cầu trong trường
hợp có và không có điều khiển công suất nhanh được thể hiện trong bảng 2.1 và
bảng 2.2.
Bảng 2.1: Giá trị E
b
/N
0
yêu cầu trong trường hợp có và không có điều khiển
công suất nhanh
Điều khiển
công suất
chậm (dB)
Điều khiển công
suất nhanh tần số

1.5KHz (dB)
Độ lợi của điều
khiển công suất
nhanh (dB)
ITU Pedestrian A
3km/h
11.3 5.5 5.8
ITU Vehicular A
3km/h
8.5 6.7 1.8
ITU Vehicular A
50km/h
7.3 6.8 -0.5
Bảng 2.2: Công suất phát tương đối yêu cầu trong trường hợp có và không có
điều khiển công suất nhanh
Điều khiển
công suất
chậm (dB)
Điều khiển công
suất nhanh tần số
1.5KHz (dB)
Độ lợi của điều
khiển công suất
nhanh (dB)
ITU Pedestrian A
3km/h
11.3 7.7 3.6
ITU Vehicular A
3km/h
8.5 7.5 1.0

ITU Vehicular A
50km/h
7.6 6.8 -0.8
Từ Bảng 2.1 và 2.2 có thể thấy được độ lợi của điều khiển công suất
nhanh:
- độ lợi cho UE có tốc độ thấp lớn hơn so với UE có tốc độ cao;
- độ lợi theo tỷ số Eb/N0 yêu cầu lớn hơn so với độ lợi công suất truyền tải;
22
- các trường hợp trên chỉ có cùng một ít phân tập đa đường, như trong kênh ITU
Pedestrian A. Mối quan hệ giữa điều khiển công suất nhanh và phân tập được đề
cập tại mục 2.2.2.
Trong bảng 2.1 và 2.2 độ lợi âm ở tốc độ 50 km / h chỉ ra rằng điều khiển
công suất chậm lý tưởng sẽ cho hiệu suất tốt hơn so với điều khiển công suất
nhanh thực tế. Những độ lợi âm này là do sự không chính xác trong tính toán
SIR, các lỗi tín hiệu điều khiển công suất nhanh, và trễ của vòng lặp điều khiển
công suất.
Độ lợi của điều khiển công suất nhanh trong bảng 2.1 có thể được sử dụng
để ước tính dự trữ pha đinh nhanh yêu cầu. Công suất truyền của UE cần phải có
dự trữ pha đinh nhanh để duy trì đầy đủ điều khiển công suất nhanh vòng kín.
Kích thước tối đa của tế bào được tính theo công suất không đổi đầy đủ UE
truyền tải, tức là không có độ lợi của điều khiển công suất nhanh. Giá trị điển
hình cho độ dự trữ pha đinh nhanh của điện thoại di động tốc độ thấp là 2-5 dB.
2.2.2 Điều khiển công suất và phân tập
Tầm quan trọng của phân tập sẽ được phân tích cùng với điều khiển công
suất nhanh. Với các UE tốc độ thấp, điều khiển công suất nhanh có thể bù đựơc
pha đinh của kênh và giữ cho mức công suất thu không đổi. Các nguyên nhân
chính của các lỗi trong công suất thu là do việc tính toán SIR không chính xác,
các lỗi báo hiệu và trễ trong vòng điều khiển công suất. Việc bù pha đinh gây ra
suy giảm công suất truyền dẫn. Trong hình 2.1 là trường hợp có ít phân tập. Sự
biến đổi công suất phát trong trường hợp hình 2.1 cao hơn trong trường hợp 2.2

do sự khác nhau về số lượng phân tập. Các trường hợp phân tập như: phân tập
đa đường, phân tập anten thu, phân tập anten phát hay phân tập vĩ mô.
Với sự phân tập ít hơn thì sự biến động lớn hơn trong công suất phát,
nhưng công suất phát trung bình cũng cao hơn. Mức tăng công suất là được định
nghĩa là tỷ số giữa công suất truyền dẫn trung bình trên kênh pha đinh và trên
23
kênh không có pha đinh khi mức công suất thu giống nhau trên cả 2 kênh có pha
đinh và không có pha đinh. Mức tăng công suất được mô tả trong hình 2.3.
Hình 2. 1: Công suất phát và thu trong kênh pha đinh Rayleigh 2 nhánh (công
suất khoảng hở trung bình 0dB,- 10dB) tại 3km/h
.
Hình 2. 2: Công suất phát và thu trong kênh pha đinh Rayleigh 3 nhánh (công
suất khoảng hở như nhau)
24
Hình 2. 3: Công suất tăng trong kênh pha đinh 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 tại các mức UE khác nhau trên kênh
ITU pedestrian 2 đường với công suất thành phần đa đường từ 0 đến -12.5dB.
Trong sự mô phỏng này công suất phát và công suất thu được tập hợp trong từng
khe. Với điều khiển công suất lý tưởng, mức tăng công suất là 2,3 dB. Điều đó
chứng tỏ điều khiển công suất nhanh hoạt động có hiệu quả trong việc bù năng
lượng cho pha đinh. Với các UE tốc độ cao (>100km/h), mức tăng công suất rất
nhỏ do điều khiển công suất nhanh không thể bù được pha đinh.
Bảng 2.3: 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
Mức tăng công suất rất quan trọng đối với hiệu suất của các hệ thống
WCDMA. Trên đường xuống, dung lượng giao diện vô tuyến được xác định
trực tiếp bởi công suất phát yêu cầu, do công suất đó xác định nhiễu truyền. Vì
thế, để làm tăng tối đa dung lượng đường xuống, công suất phát cần cho một
liên kết phải được giảm nhỏ. Trên đường xuống, mức công suất thu trong UE
25
không ảnh hưởng đến dung lượng. Trên đường lên, công suất phát xác định tổng
nhiễu đến các cell lân cận, và công suất thu xác định tổng nhiễu đến các UE
khác trong cùng một cell. Chẳng hạn như chỉ có một cell WCDMA trong một
vùng, dung lượng đường lên của cell này sẽ được tăng tối đa bằng cách giảm tối
thiểu công suất thu yêu cầu, và mức tăng công suất sẽ không ảnh hưởng đến
dung lượng đường lên.
2.2.3 Điều khiển công suất trong chuyển giao mềm
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 là trường hợp xảy ra khi thực hiện chuyển giao mềm mà
UE gửi một lệnh đơn để điều khiển công suất phát đường xuống đến tất cả các
Nút B trong tập hợp “tích cực”. Các Nút B sẽ phát hiện các lệnh này một cách
độc lập, bởi vì các lệnh này sẽ không được kết hợp trong các bộ điều khiển
mạng RNC do sẽ gây ra nhiều trễ và báo hiệu trong mạng. Chính vì các lỗi báo
hiệu trên giao diện vô tuyến, các Nút B sẽ phát hiện các lệnh điều khiển công
suất theo các cách khác nhau. Có thể một Nút B sẽ làm giảm công suất phát của
nó tới UE, một Nút B khác có thể lại tăng mức công suất phát tới UE. Sự khác
nhau đó dẫn đến tình huống công suất đường xuống bắt đầu trôi theo hướng
khác nhau. Hiện tượng đó gọi là trôi công suất.
Hiện tượng trôi công suất là không mong muốn, bởi vì nó làm giảm hiệu

suất chuyển giao đường xuống. Vấn đề này có thể được điều khiển bởi RNC.
Phương pháp đơn giản nhất là thiết lập giới hạn tương đối nghiêm ngặt cho
khoảng biến động công suất đường xuống. Giới hạn này cho công suất phát cụ
thể của các UE. Rõ ràng khoảng biến động điều khiển công suất cho phép càng