Điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA SVTH:Đinh Xuân Nhiên CHƢƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG WCDMA 1.1 Giới thiệu chƣơng: Trong hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng WCDMA, mỗi thuê bao khi tham gia vào hệ thống sẽ được cấp một mã để hoạt động trên một kênh tần số. Điều này sẽ làm dung lượng của hệ thống tăng lên đáng kể, nhưng bên cạnh đó, khi có nhiều thuê bao hoạt động trên một kênh tần số sẽ gây ra nhiễu đồng kênh. Ngoài ra, nhiễu còn có thể phát sinh do môi trường hay từ chính các thiết bị trong hệ thống WCDMA. Nhằm duy trì chỉ số cấp độ phục vụ (QoS) của hệ thống ở mức tiêu chuẩn, thì hạn chế nhiễu bằng việc điều khiển công suất trên đường lên và đường xuống là việc làm cần thiết.
Trong chương này chúng ta tìm hiểu một số thông số ảnh hưởng đến việc điều khiển công suất cũng như ý nghĩa của nó. Sau đó ta sẽ đi sâu vào phân tích một số kỹ thuật điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba WCDMA.2 Ý nghĩa việc điều khiển công suất: Trong hệ thống thông tin di động WCDMA những thuê bao sẽ dùng chung một tần số ở cùng thời gian, sẽ được phân biệt bằng một mã (code) riêng biệt và thực hiện trãi phổ trong tần số này nên việc chúng gây nhiễu đồng kênh với nhau là không thể tránh khỏi. Các thuê bao có mức công suất cao hơn những thuê bao khác sẽ gây can nhiễu lên hệ thống. Chất lượng truyền dẫn của đường truyền vô tuyến đối với từng người sử dụng trong môi trường đa người sử dụng phụ thuộc vào giá trị SIR.
Để đảm bảo giá trị SIR không đổi và đảm bảo ngưỡng yêu cầu ta cần điều khiển công suất. Ở hệ thống WCDMA việc điều khiển công suất là bắt buộc và phải nhanh chóng nếu không dung lượng hệ thống sẽ bị giảm. Việc điều khiển công suất sẽ giúp cho công suất thu được ở trạm gốc là như nhau đối với tất cả các thuê bao, dung lượng của hệ thống có thể đạt tới mức cực đại do SNR của tín hiệu thu được vẫn đảm bảo lớn hơn ngưỡng tối thiểu khi có nhiều thuê bao cùng hoạt động. Ngoài ra điều khiển công suất còn tham gia vào quá trình chuyển giao giúp cho thông tin liên lạc được giữ trong suốt quá trình khi thuê bao di chuyển từ GVHD: ThS.
Đặng Ngọc Minh Đức Trang 1 Điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA SVTH:Đinh Xuân Nhiên trạm gốc này qua trạm gốc khác. 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. Nó còn góp phần làm tăng tuổi thọ pin của máy di động vì giúp cho máy di động luôn hoạt động ở công suất thấp nhất mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu. Mục dích chính điều khiển công suất nhằm loại bỏ hiệu ứng gần-xa (near – far effect).
Hiệu ứng này xảy ra khi một thuê bao (ở đường lên) có khoảng cách xa trạm gốc thì công suất tín hiệu sẽ yếu hơn khi đến trạm gốc so với một thuê bao ở gần trạm gốc. Do đó, thuê bao ở gần trạm gốc sẽ gây can nhiễu lên thuê bao ở xa trạm gốc, chúng ta cần phải điều chỉnh công suất phát của hai thuê bao này sao cho công suất phát khi đến trạm gốc là gần như nhau. Mô hình hiệu ứng gần - xa ở đường lên như hình P 1 PR 2 .PR1 d 2 4 1 PR1 PR 2 16 PR2=16PR1 C P 1 f R1 I PR 2 16 5 MHz Hình 1-1 Ảnh hưởng của hiệu ứng gần-xa GVHD: ThS. Đặng Ngọc Minh Đức Trang 2 Điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA SVTH:Đinh Xuân Nhiên Mô hình trên ta thấy MS2 ở gần Node B hơn MS1 do đó công suất Node B thu được từ MS2 sẽ lớn lớn nhiều so với công suất thu được từ MS1.
Nếu không thục hiện điều khiển công suất thì tín hiệu ở MS2 sẽ lấn át ( gây nhiễu ) lên MS1. Để minh hoạ việc điều khiển công suất cần thiết như thế nào trong hệ thống WCDMA chúng ta xem xét một tế bào 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 P1 sẽ lớn hơn thuê bao 2 là P2.
Giả sử rằng vì độ lệch về khoảng cách như vậy mà P1 lớn gấp 10 lần P2 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. Hình (2-5) minh hoạ điều này. 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. 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 tế bào 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.
Đặng Ngọc Minh Đức Trang 3 Điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA SVTH:Đinh Xuân Nhiên P Thuê bao 2 có S/N = 1/10 Thuê bao 1 có S/N = 1 f Hình 1-2 Công suất thu từ 2 thuê bao tại trạm gốc Việc điều khiển công suất được đưa vào để giải quyết vấn đề “gần - xa” 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 tế bào, nếu công suất phát của mỗi thuê bao được điều khiển để công suất thu của mỗi thuê bao ở trạm gốc là bằng nhau và bằng P thì nhiều thuê bao hơn có thể sử dụng trong hệ thống. như ví dụ trên, nếu SNR yêu cầu vẫn là (1/10) thì tổng cộng có thể có 11 thuê bao được sử dụng trong tế bào (hình 2-5).
Dung lượng được tăng tối đa khi sử dụng điều khiển công suất.3 Phân loại điều khiển công suất: Có nhiều phương pháp điều khiển công suất trong hệ thống thông tin tế bào. Khi xét đến một hệ thống điều khiển công suất, cần xem xét những mặt sau: - Tiêu chuẩn chất lượng: tiêu chuẩn chất lượng được đánh giá thông qua tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SIR – Signal to Interference) và hệ số lỗi bit (BER – Bit Error Ratio). Cường độ tín hiệu trên nhiễu SIR và hệ số lỗi bit BER bao gồm các thông tin tương đương về chất lượng. - Những phép đo: thông thường những phép đo được đưa ra trong báo cáo bao gồm các chỉ số chất lượng (QI – Quality Indicator) phản ánh chất lượng và chỉ số cường độ tín hiệu nhận được (RRSI – received signal strength indicator) GVHD: ThS.
Đặng Ngọc Minh Đức Trang 4 Điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA SVTH:Đinh Xuân Nhiên phản ánh cường độ tín hiệu thu được của máy thu. Những giá trị này được lượng tử hoá thô để sử dụng ít mẫu. - Thời gian trễ: tín hiệu đo lường và điều khiển cần thời gian dẫn đến làm xuất hiện thời gian trễ trong mạng. Từ những tiêu chí đó ta có thể phân điều khiển công suất như sau: 1.1 Điều khiển công suất phân tán và tập trung: Một bộ điều khiển tập trung có tất cả các thông tin về các kết nối được thiết lập và độ lợi kênh, và điều khiển tất cả các mức công suất trong mạng hay một phần của mạng.
Điều khiển công suất tập trung theo yêu cầu tín hiệu điều khiển phạm vi rộng trong mạng và không thể ứng dụng trong thực tế. Chúng có thể sử dụng để đưa ra giới hạn về hiệu suất của thuật toán phân tán. Bộ điều khiển phân tán chỉ điều khiển công suất của một trạm phát đơn và thuật toán chỉ phụ thuộc vào các tham số nội bộ như SIR hay độ lợi kênh của người sử dụng. Những thuật toán này thực hiện tốt trong trường hợp lý tưởng, nhưng trong các hệ thống thực tế có một số hiệu ứng không thích hợp như: Tín hiệu đo và điều khiển làm mất thời gian dẫn đến thời gian trễ trong hệ thống.
Công suất phát hợp lý của máy phát bị hạn chế bởi giới hạn vật lý và sự lượng tử hóa. Những hạn chế bên ngoài khác như công suất phát cực đại trên một kênh đặc biệt tác động đến công suất ra. Tín hiệu cần thiết điều khiển có thể không có hiệu lực và phải được đánh giá. Chất lượng là một sự đo đạc chủ quan và cần phải tận dụng sự đo đạc khách quan hợp lý.2 Điều khiển công suất cho đƣờng lên và đƣờng xuống: Điều khiển công suất đường lên (từ UE đến RNC) trong hệ thống WCDMA là một yêu cầu quan trọng để chống lại hiệu ứng gần - xa.
Điều khiển công suất đường lên tác động lên kênh truy nhập và lưu lượng. Nó được sử dụng để thiết GVHD: ThS. Đặng Ngọc Minh Đức Trang 5 Điều khiển công suất trong hệ thống WCDMA SVTH:Đinh Xuân Nhiên lập đường truyền khi khởi tạo cuộc gọi và phản ứng lên các thăng giáng tổn hao đường truyền lớn. Ở đường xuống, trong hệ thống thông tin di động thế hệ ba, do dữ liệu đường xuống có tốc độ khác nhau tùy thuộc vào từng loại hình dịch vụ nên yêu cầu điều khiển công suất cũng rất cần thiết để đảm bảo chất lượng, tối đa dung lượng thuê bao có thể phục vụ.
Hơn nữa trong hệ thống đa tế bào, nhiễu giao thoa từ các tế bào lân cận cũng là một yếu tố làm giảm chất lượng. Như vậy, phải sử dụng điều khiển công suất trong trường hợp này để làm giảm sự giao thoa giữa các tế bào.3 Điều khiển công suất theo phƣơng pháp đo: Theo phương pháp đo, kỹ thuật điều khiển công suất được phân thành 3 loại dựa trên ba cơ sở là: trên cơ sở cường độ, trên cơ sở SIR, trên cơ sở BER.