Đồ án Nghiên cứu thuật toán điều khiển công suất trong W-CDMA

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn i LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ như điện tử, tin học, công nghệ thông tin di động trong những năm qua đã có những bước phát triển mang tính chất đột phá mạnh mẽ, đủ khả cung cấp các loại hình dịch vụ đa dạng và đáp ứng các nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng. Kể từ khi ra đời vào cuối năm 1940 cho đến nay, thông tin di động đã phát triển qua nhiều thế hệ và đã tiến những bước dài trên con đường công nghệ. Trong thế kỷ XXI, thế giới đã chứng kiến sự phát triển bùng nổ của các hệ thống thông tin vô tuyến trong đó thông tin di động đóng vai trò rất quan trọng. Để đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng về số lượng lẫn chất lượng, đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu đa phương tiện nên công nghệ băng rộng đã ra đời thay thế cho các công nghệ cũ không còn phù hợp với xu thế phát triển của công nghệ thông tin. Với khả năng tích hợp nhiều dịch vụ, công nghệ băng rộng đã dần chiếm lĩnh thị trường viễn thông. Có nhiều chuẩn thông tin di động thế hệ ba được đề xuất, trong đó chuẩn WCDMA đã được ITU chấp nhận và hiện nay đang được triển khai ở một số khu vực. Hệ thống thông tin di động W-CDMA là sự phát triển tiếp theo của các hệ thống thông tin di động thế hệ hai sử dụng công nghệ TDMA như GSM, IS-13. Công nghệ CDMA đang là mục tiêu hướng tới của các hệ thống thông tin di động trên toàn thế giới, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn hóa giao diện vô tuyến công nghệ truyền thông không dây trên toàn cầu. Điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động nói chung và trong W-CDMA nói riêng là một trong những khâu quan trọng nhất nhằm hạn chế được ảnh hưởng của hiệu ứng gần xa đến chất lượng dịch vụ thoại, tăng khả năng chống lại fading, nhiễu vốn là đặc trưng của môi trường di động. Từ đó có thể đảm và tối ưu hóa dung lượng cũng như chất lượng hệ thống. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn ii Xuất phát từ xu thế phát triển cũng như tầm quan trọng của việc điều khiển công suất nên em đã quyết định chọn đề tài ”Nghiên cứu thuật toán điều khiển công suất trong W-CDMA”. Đồ án thực hiện nghiên cứu, phân tích các kỹ thuật điều khiển công suất nhằm tối ưu hoạt động của mạng đồng thời cải thiện chất lượng của hệ thống. Đồ án gồm 4 chương với nội dung chính trong từng chương như sau: Chương 1: giới thiệu các hệ thống thông tin di động Chương này trình bày tổng quan về các hệ thống thông tin di động và sự cần thiết xây dựng hệ thống thông tin di động thế hệ ba. Chương 2: giới thiệu chung về công nghệ di động thế hệ ba W-CDMA Chương này sẽ giới thiệu tổng quan các vấn đề cơ bản về công nghệ W-CDMA, cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến UMTS, sơ lược về những dịch vụ và ứng dụng trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba W-CDMA Chương 3: điều khiển công suất trong W-CDMA Chương này sẽ trình bày về ý nghĩa và phân loại các kỹ thuật điều khiển công suất. Từ đó đi sâu vào phân tích các kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA. Chương 4: phương pháp điều khiển công suất theo bước động và điều khiển công suất phân tán. Chương này nhằm nghiên cứu hai mô hình điều khiển công suất để tối ưu hoạt động của mạng. Trong thời gian làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn và nguồn tài liệu chủ yếu là các bài báo tiếng anh trên mạng nên đồ án còn nhiều sai sót trong quá trình dịch thuật. Em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp chân thành của các thầy cô và các bạn để đồ án được hoàn thiện hơn. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn iii Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Võ Trường Sơn cùng các thầy cô và bạn bè trong khoa đã giúp đỡ để em có thể hoàn thành đồ tài tốt nghiệp. TP H ồ Chí Minh, Ngày........tháng.........n ăm 2010 SVTH: Bùi Quang Dũng. Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU..............................................................................................i MỤC LỤC ..................................................................................................iv THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ...................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ ...........................................................................xiv DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................xvi CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ..........................................................................................................1 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 ....................................................1 1.2 Hệ thống thống tin di động thế hệ 2 ....................................................3 1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA................................4 1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA.........................................5 1.3 Hệ thống thống tin di động thế hệ 3...................................................6 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo .....................................10 Kết luận chương 1.......................................................................................11 CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ DI ĐỘNG THẾ HỆ 3 W-CDMA.........................................................................................13 2.1 Giới thiệu về W-CDMA...................................................................13 2.2 Đặc điểm..........................................................................................14 2.3 Cấu trúc mạng W-CDMA ................................................................15 2.3.1 Mô hình khái niệm .................................................................15 2.3.2 Mô hình cấu trúc ....................................................................16 2.4 Cấu trúc quản lý tài nguyên...............................................................24 2.5 Cấu trúc phân lớp của WCDMA .......................................................26 2.6 Các loại kênh trong UTRAN.............................................................29 2.6.1 Các kênh logic.........................................................................30 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn v 2.6.2 Các kênh vật lý........................................................................31 2.6.3 Các kênh truyền tải..................................................................34 2.6.3.1 Kênh truyền tải riêng..........................................................34 2.6.3.2 Kênh truyền tải chung ........................................................35 2.7 Trải phổ trong W-CDMA................................................................36 2.8 Chuyển giao ....................................................................................39 2.8.1 Tổng quan về chuyển giao trong mạng di động ....................39 2.8.2 Các loại chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA...............39 Kết luận chương 2.......................................................................................43 CHƯƠNG 3 - ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG W-CDMA ..........44 3.1 Kênh truyền vô tuyến ........................................................................44 3.1.1 Kênh truyền vô tuyến trên phạm vi rộng ..................................46 3.2.2 Kênh truyền vô tuyến trên phạm vi hẹp....................................46 3.2 Ý nghĩa của việc điều khiển công suất ..............................................46 3.3 Phân loại điều khiển công suất .........................................................49 3.3.1 Điều khiển công suất phân tán và tập trung ..............................49 3.3.2 Điều khiển công suất cho đường lên và đường xuống ..............50 3.3.3 Điều khiển công suất theo phương pháp đo ..............................50 3.3.4 Điều khiển công suất đường lên và đường cuống .....................51 3.4 Các thông số ảnh hưởng đến kỹ thuật điều khiển công suất...............53 3.4.1 kích thước của bước điều khiển công suất .................................54 3.4.2 Lỗi khi ước lượng SIR...............................................................54 3.4.3 Trễ trên vòng hồi tiếp ................................................................55 3.4.4 Tần số hoạt động ......................................................................56 3.4.5 Lỗi trên kênh hồi tiếp ................................................................57 3.4.6 Trôi công suất ............................................................................57 3.4.7 Ảnh hưởng của fading sâu..........................................................57 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn vi 3.5 Điều khiển công suất trong W-CDMA ..............................................58 3.5.1 Kỹ thuật điều khiển công suất đường lên..................................58 3.5.1.1 Điều khiển công suất vòng mở đường lên ........................58 3.5.1.2 Điều khiển công suất vòng kín đường lên.........................61 3.5.2 Kỹ thuật điều khiển công suất đường xuống.............................69 3.5.2.1 Điều khiển công suất vòng mở đường xuống....................69 3.5.2.2 Điều khiển công suất vòng kín đường xuống....................70 Kết luận chương 3.......................................................................................74 CHƯƠNG 4 - PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THEO BƯỚC ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT PHÂN TÁN ...............75 4.1 Một số khái niệm sử dụng trong thuật toán.......................................75 4.1.1 Nhiễu đồng kênh....................................................................75 4.1.2 Nhiễu lân cận.........................................................................77 4.1.3 Hiện tượng gần xa .................................................................78 4.1.4 Tải lưu lượng .........................................................................80 4.1.5 Cấp độ phục vụ......................................................................81 4.1.6 Hiệu suất đường trục..............................................................82 4.2 Phương pháp điều khiển công suất theo bước động ..........................83 4.2.1 Khái niệm và độ dự trữ công suất, cửa sổ công suất...............83 4.2.2 Sự hoạt động của mạng..........................................................84 4.2.3 Sự hoạt động của UE .............................................................86 4.2.4 Công thức tính toán ...............................................................89 4.3 Phương pháp điều khiển công suất phân tán ....................................92 4.3.1 Tổng quan...............................................................................92 4.3.2 Mô hình hệ thống...................................................................94 4.3.3 Thuật toán..............................................................................95 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn vii Kết luận chương 4.......................................................................................97 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................98 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ....................................100 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ĐỌC DUYỆT .....................................101 LỜI CẢM ƠN .........................................................................................102 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................103 Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn viii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng việt 2G Second Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 3G Third Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 4G Four Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ 4 A AC Amission Control Điều khiển cho phép AICH Acquisition Indicator Channel Kênh chỉ thị bắt ATM Asynchoronous Transfer Mode Truyền dẫn không đồng bộ AUC Authentication Center Trung tâm nhận thực B BCCH Broadcast Control Chanel Kênh điều khiển quảng bá BCH Broadcast Channel Kênh quảng bá BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc C CCCH Common Control Channel Kênh điều khiển chung CCTrCH Coded Composite Transport Channel Kênh truyền ghép mã CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CLPC Close Loop Power Control điều khiển công suất vòng kín CM Connection Management Quản lý kết nối CN Core Network Mạng lõi COMC Communication Control Điều khiển thông tin CPCH Common Packet Channel Kênh gói chung đường lên CPICH Common Pilot Channel Kênh hoa tiêu chung CS Channel Switch Chuyển mạch kênh CTCH Common Traffic Channel Kênh lưu lượng chung Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn ix D DC Dedicated Control Điều khiển riêng DCCH Dedicate Control Channel Kênh điều khiển riêng DCH Dedicated Channel Các kênh truyền tải dành riêng DPC Distributed Power Control Điều khiển công suấ phân tán DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý dành riêng DPDCH Delicated Physical Data Channel Kênh vật lý số liệu dành riêng DSCH Dedicated Shared Channel Kênh đường xuống dùng chung DSS Dynamic Step Size Kích thước của DSSPC Dynamic Step Size Power Control Điều khiển công suất theo bước động DSSS Direct Sequence Spreading Spectrum Trải phổ dãy trực tiếp DTCH Dedicated Traffic Channel Kênh lưu lượng dành riêng E EDGE Enhanced Data rate for GSM Evolution Tăng tốc độ truyền dẫn cho GSM EIR Equipment Identity Register Thanh ghi nhận dạng thiết bị F FACH Forward Access Channel Kênh truy nhập đường xuống FCCH Frequency Correction Chanel Kênh hiệu chỉnh tần số FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FHSS Frequency Hopping Spreading Spectrum Trải phổ nhảy tần FER Frame Error Ratio Tỷ số lỗi khung G GoS Grade of Service Chỉ số cấp độ phục vụ GC General Control Điều khiển chung GERAN GSM EDGE Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến dưa trên công nghệ EDGE của GSM GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS cổng Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn x GMSC Gateway Mobile Service Switching Center Tổng đài vô tuyến cổng GPRS General Packet Radio Services Dịch vụ vô tuyến gói chung GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu H HDLA History Data Logic Analyzer Bộ phân tích dữ liệu gốc HE Home Environment Môi trường nhà HLR Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú HSPA High Speed Package Access Truy nhập gói tốc độ cao I IMEI International Mobile Equipment Identity Nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMT International Mobile Telecommunication Tiêu chuẩn viễn thông di động toàn cầu IS 136 Interim Standard 136 tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến của Mỹ IS 95 Interim Standard 95 Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến của Mỹ ISDN Integrated Services Digital Network Mạng số đa dịch vụ tích hợp ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế L LC Load Control Điều khiển tải M MAC Medium Access Control Lớp điều khiển truy nhập môi trường MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy cập MDC Macro Diversity Bộ kết hợp phân tập vĩ mô ME Mobile Equipment Thiết bị di động MS Moblie Station Trạm di động MSC Mobile Services Switching Center Trung tâm chuyển mạch di động MM Mobility Management Quản lý di động MOBC Mobile Control Điều khiển di động Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn xi N Nt Notification Thông báo NMS Network Management System Hệ thông quản lý mạng O OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Phân chia theo tần số trực giao OLPC Open Loop Power Control Điều khiển công suất vòng mở P PAWS Power Averaging Window Size Kích thước cửa sổ công suất trung bình PCA Power control Algorithm Thuật toán điều khiển công suất PCCH Paging Control Channel Kênh điều khiển tìm gọi PCCPCH Primary Common Control Physical Channel Kênh điều khiển chung sơ cấp PCPCH Physical Common Packet Channel Kênh gói chung vật lý PDCP Packer Data Convergence Protocol Giao thức hội tụ dữ liệu gói PDSCH Physical Downlink Shared Channel Kênh chia sẽ đường xuống vật lý PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động công cộng mặt đất PN Pseudo Noise Giả ngẫu nhiên PO Power Offset Dịch công suất PRACH Physical Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên vật lý PS Packet Switch Chuyển mạch gói PSTN Public Switched Telephone Network Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Q QI Quality Indicator Chỉ số chất lượng R RACH Random Access Channel Kênh truy nhập ngẫu nhiên RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAT Radio Access Technology Kỹ thuật truy nhập vô tuyến RNC Radio Network Controler Bộ điều khiển mạng vô tuyến Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn xii RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên vô tuyến RRM Radio Resources Management Quản lý nguồn tài nguyên vô tuyến RRSI Received Signal Strength Indicator Chỉ số cường độ tín hiệu nhận được S SCCPCH Secondary Common Control Physical Channel Kênh vật lý điều chung thứ cấp SCH Synchronisation Channel Kênh đồng bộ SHCCH Shared Channel Control Channel Kênh điều khiển kênh chia sẽ SHO Soft Hand Over Chuyển giao mềm SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS dịch vụ SM Session Management Quản lý phiên SMS Short Message Servive Dịch vụ nhắn tin ngắn SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SS Spread Spectrum Trải phổ SIR Signal to Interference Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SIM Subscriber Identity Module Modul nhận dạng thuê bao T TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian TCH Traffic Channel Kênh lưu lượng TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối TFCI Transport Format Combination Indicator Chỉ thị kết hợp định dạng truyền dẫn TTI Transmission Time Interva Khoảng thời gian truyền U UE User Equipment Thiết bị người sử dụng UMTS Universal Mobile Telecommunications Systems Hệ thống viễn thông di động toàn cầu USIM UMTS Subscriber Indentity Module Module nhận dạng thuê bao UTRAN UMTS Terrestrial Radio Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn xiii Network của UMTS V VHE Virtual Home Environment Môi trường thông tin nhà ảo VLR Visitor Location Register Bộ ghi định vị tạm trú VLR Radio link control Điều khiển kết nối vô tuyến W W- CDMA Wide band CDMA Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng nội bộ không dây Đồ án tốt nghiệp SVTH: Bùi Quang Dũng GVHD Th.S: Võ Tr ường Sơn xiv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nguyên lý FDMA ......................................................................... 2 Hình 1.2 Băng tần hệ thống FDMA .............................................................. 2 Hình 1.3 Nguyên lý TDMA .......................................................................... 4 Hình 1.4 Nguyên lý CDMA .......................................................................... 5 Hình 1.5 Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G ................................................