VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: “Chuyển giao - Điều khiển công suất mạng thông tin di động WCDMA” Giảng viên hướng dẫn : TS.Nguyễn Vũ Sơn Sinh viên thực : Vũ Đức Thắng Lớp : K16-ĐTTT Khoá : 2013-2017 Hệ : Đại học quy Hà Nội, tháng /2017 VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CN ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN Độc lập - Tự – Hạnh phúc ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ tên sinh viên: Vũ Đức Thắng Lớp: K16-ĐTTT Khố: 2013-2017 Ngành đào tạo: Cơng nghệ Kỹ thuật điện tử, Truyền thông Hệ đào tạo: ĐHCQ 1/ Tên đề tài: “Chuyển giao - Điều khiển công suất mạng thông tin di động WCDMA” 2/ Nội dung chính: Chương 1: Giới thiệu hệ thống thơng tin di động Chương 2: Cấu trúc mạng thông tin di động WCDMA Chương 3: Chuyển giao mạng thông tin di động WCDMA Chương 4: Điều khiển công suất mạng thông tin di động WCDMA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) Đồ án tốt nghiệp Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1 Hệ thống thông tin di động hệ 1.1.2 Hệ thống thông tin di động hệ 1.1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA 1.1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA 1.1.3 Hệ thống thông tin di động hệ 1.2 Lộ trình phát triển từ mạng GSM lên WCDMA 1.2.1 GSM 1.2.2 GPRS 1.2.3 EDGE 1.2.4 WCDMA 10 1.3 Kết luận chương 14 CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG WCDM 15 2.1 Khái quát 15 2.2 Cấu trúc mạng thông tin di động WCDMA 15 2.3 Cấu trúc mạng truy nhập vô tuyến (UTRAN) 17 2.3.1 Bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) 18 2.3.2 NODE B (Trạm gốc) 19 2.4 Giao diên vô tuyến 19 2.4.1 Giao diện UTRAN – CN, IU 19 2.4.2 Giao diện RNC – RNC, IUr 21 2.4.3 Giao diện RNC – Node B, IUb 21 2.5 Khái quát giải pháp kĩ thuật mạng WCDMA 21 2.5.1 Sóng mang 22 2.5.2 Kênh logic 23 2.5.3 Kênh vật lý 23 2.5.4 Sự trải phổ 27 2.5.5 Gói liệu 28 2.5.6 Chuyển giao 28 2.6 Kết luận chương 29 CHƯƠNG 3:CHUYỂN GIAO TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG WCDMA 31 3.1 Khái quát chuyển giao hệ thống thông tin di động 31 3.2 Các loại chuyển giao mạng thông tin di động WCDMA 31 3.3 Các trường hợp chuyển giao 33 3.4 Trình tự chuyển giao 33 3.5 Các mục đích chuyển giao 35 3.6 Chuyển giao cứng 37 3.7 Chuyển giao mềm tần số 37 GVHD:TS.Nguyễn Vũ Sơn SVTH:Vũ Đức Thắng Đồ án tốt nghiệp Mục lục 3.7.1 Chuyển giao mềm 37 3.7.2 Lợi ích chuyển giao mềm 37 3.7.3 Nguyên lý chuyển giao mềm 38 3.7.4 Các thuật toán chuyển giao mềm 41 3.7.5 Các đặc điểm chuyển giao mềm 43 3.7.6 Tổng phí chuyển giao mềm 44 3.7.7 Độ lợi dung lượng mạng chuyển giao mềm 46 3.8 Chuyển giao mềm Error! Bookmark not defined 3.9 Chuyển giao số WCDMA 48 3.10 Chuyển giao hệ thông WCDMA GSM 49 3.11 Thiết lập vá kêt thúc chuyển giao mềm 51 3.11.1 Thiết lập chuyển giao mềm 51 3.11.2 Kết thúc chuyển giao mềm 52 3.12 Kết luận chương 53 CHƯƠNG : ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG WCDMA 55 4.1 Ý nghĩa điều khiển công suất 55 4.2 Phân loại điều khiển công suất 56 4.3 Điều khiển công suất cho đường lên đường xuống 57 4.3.1 Điều khiển công suất cho đường lên 58 4.3.1.1 Khái quát 58 4.3.1.2 Điều khiển cơng suất vòng hở 58 4.3.1.3 Điều khiển cơng suất vòng kín 63 4.3.1.4 Điều khiển cơng suất vòng ngồi 68 4.3.1.5 Điều khiển cơng suất vòng 72 4.3.2 Điều khiển công suất đương xuống 73 4.3.2.1 Khái quát 73 4.3.2.2 Điều khiển công suất đường xuống 74 4.4 Kết luận chương 81 KẾT LUẬN 82 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TÀI LIỆU THAM KHẢO GVHD:TS.Nguyễn Vũ Sơn SVTH:Vũ Đức Thắng Đồ án tốt nghiệp Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, với phát triển vượt bậc công nghệ viễn thông công nghệ thông tin, đặc biệt thông tin di động Internet dẫn tới nhu cầu tất yếu kết hợp hai ngành công nghệ mũi nhọn nhằm đáp ứng nhu cầu dịch vụ ngày tăng đa dạng khách hàng Ở Việt Nam mạng thông tin di động WCDMA triển khai rộng rãi Với mong muốn tìm hiểu kỹ công nghệ WCDMA em chọn đề tài: “Chuyển giao - Điều khiển công suất mạng thông tin di động WCDMA” làm đồ án tốt nghiệp Mục tiêu đề tài tìm hiểu kỹ công nghệ chuyển giao mềm điều khiển công suất mạng thông tin di động WCDMA Với mục tiêu nội dung đề tài gồm chương: Chương 1: Giới thiệu hệ thống thông tin di động Chương 2: Cấu trúc mạng thông tin di động WCDMA Chương 3: Chuyển giao mạng thông tin di động WCDMA Chương 4: Điều khiển công suất mạng thông tin di động WCDMA Trong trình tìm hiểu, em cố gắng nhiều kiến thức có hạn thời gian hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót Em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu thầy, cô bạn bè để đồ án tốt nghiệp em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy giáo TS.Nguyễn Vũ Sơn giúp đỡ em hoàn thành đồ án Hà Nội, tháng 05/2017 Sinh viên thực Vũ Đức Thắng GVHD:TS.Nguyễn Vũ Sơn SVTH: Vũ Đức Thắng Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu hệ thống thông tin di động CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1 Hệ thống thông tin di động hệ Hệ thống di động hệ hổ trợ dịch vụ thoại tương tự sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang liệu thoại người dùng, sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Đặc điểm: - Mỗi MS cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến - Nhiễu giao thoa tần số kênh lân cận đáng kể - BTS phải có thu phát riêng làm việc với MS Hệ thống FDMA điển hình hệ thống điện thoại di dộng tiên tiến (Advanced Mobile phone System - AMPS) Hệ thống di động hệ sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày tăng người dùng dung lượng tốc độ.Vì khuyết điểm nguời ta đưa hệ thống di dộng hệ ưu điểm hệ dung lượng dịch vụ cung cấp 1.1.2 Hệ thống thông tin di động hệ Với phát triển nhanh chóng thuê bao, hệ thống thông tin di động hệ đưa để đáp ứng kịp thời số lượng lớn thuê bao di động dựa công nghệ số Tất hệ thống thông tin di động hệ sử dụng điều chế số Và chúng sử dụng phương pháp đa truy cập: - Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) - Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) 1.1.2.1 Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA Phổ quy định cho liên lạc di động chia thành dải tần liên lạc, dải tần liên lạc dùng chung cho N kênh liên lạc, kênh liên lạc khe thời gian chu kỳ khung Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen thời gian, thuê bao cấp phát cho khe thời gian cấu trúc khung GVHD:TS.Nguyễn Vũ Sơn SVTH: Vũ Đức Thắng Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu hệ thống thông tin di động Đặc điểm : - Tín hiệu thuê bao truyền dẫn số - Liên lạc song công hướng thuộc dải tần liên lạc khác nhau, băng tần sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến máy di động băng tần sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc Việc phân chia tần cho phép máy thu máy phát hoạt động lúc mà không sợ can nhiễu - Giảm số máy thu phát BTS - Giảm nhiễu giao thoa Hệ thống TDMA điển hình hệ thống thơng tin di động tồn cầu (Global System for Mobile - GSM) Máy điện thoại di động kỹ thuật số TDMA phức tạp kỹ thuật FDMA Hệ thống xử lý số tín hiệu MS tương tự có khả xử lý khơng q 106 lệnh giây, MS số TDMA phải có khả xử lý 50x106 lệnh giây 1.1.2.2 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA Thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nhiều người sử dụng chiếm kênh vô tuyến đồng thời tiến hành gọi, mà không sợ gây nhiễu lẫn Những người sử dụng nói phân biệt với nhờ dùng mã đặc trưng không trùng với Kênh vô tuyến CDMA dùng lại ô (cell) toàn mạng, kênh phân biệt nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên (Pseudo Noise - PN) Đặc điểm: - Dải tần tín hiệu rộng hàng MHz - Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp - Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vơ tuyến sử dụng có cường độ trường hiệu FDMA, TDMA - Việc thuê bao MS ô dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn vô tuyến đơn giản, việc thay đổi kế hoạch tần số khơng vấn đề, chuyển giao trở thành mềm, điều khiển dung lượng ô linh hoạt GVHD:TS.Nguyễn Vũ Sơn SVTH: Vũ Đức Thắng Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu hệ thống thông tin di động 1.1.3 Hệ thống thông tin di động hệ Hệ thống thông tin di động chuyển từ hệ sang hệ qua giai đoạn trung gian hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA kết hợp nhiều khe nhiều tần số sử dụng cơng nghệ CDMA chồng lên phổ tần hệ hai không sử dụng phổ tần mới, bao gồm mạng đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE CDMA2000-1x Ở hệ thứ hệ thống thơng tin di động có xu hồ nhập thành tiêu chuẩn có khả phục vụ tốc độ bit lên đến Mbit/s Để phân biệt với hệ thống thông tin di động băng hẹp nay, hệ thống thông tin di động hệ gọi hệ thống thông tin di động băng rộng Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động hệ IMT-2000 đề xuất, hệ thống W-CDMA CDMA2000 ITU chấp thuận đưa vào hoạt động năm đầu thập kỷ 2000 Các hệ thống sử dụng công nghệ CDMA, điều cho phép thực tiêu chuẩn toàn giới cho giao diện vô tuyến hệ thống thông tin di động hệ - WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) nâng cấp hệ thống thông tin di động hệ sử dụng công nghệ TDMA như: GSM, IS136 - CDMA2000 nâng cấp hệ thống thông tin di động hệ sử dụng công nghệ CDMA: IS-95 Yêu cầu hệ thống thông tin di động hệ 3: Thông tin di động hệ thứ xây dựng sở IMT-2000 đưa vào phục vụ từ năm 2001 Mục đích IMT-2000 đưa nhiều khả đồng thời bảo đảm phát triển liên tục thông tin di động hệ Tốc độ hệ thứ ba xác định sau: - 384 Kb/s vùng phủ sóng rộng - Mb/s vùng phủ sóng địa phương Các tiêu chí chung để xây dựng hệ thống thông tin di động hệ ba (3G): - Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz sau: GVHD:TS.Nguyễn Vũ Sơn SVTH: Vũ Đức Thắng Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu hệ thống thơng tin di động • Đường lên : 1885-2025 MHz • Đường xuống : 2110-2200 MHz Là hệ thống thơng tin di động tồn cầu cho loại hình thơng tin vơ tuyến: -Tích hợp mạng thơng tin hữu tuyến vô tuyến -Tương tác với loại dịch vụ viễn thông Sử dụng môi trường khai thác khác như: - Trong cơng sở - Ngồi đường - Trên xe, vệ tinh Có thể hỗ trợ dịch vụ như: - Môi trường thông tin nhà ảo (VHE: Virtual Home Environment) sở mạng thông minh, di động cá nhân chuyển mạng toàn cầu - Đảm bảo chuyển mạng quốc tế - Đảm bảo dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho thoại, số liệu chuyển mạch theo kênh số liệu chuyển mạch theo gói Dễ dàng hỗ trợ dịch vụ xuất 1.2 Lộ trình phát triển từ mạng GSM lên WCDMA WCDMA tiêu chuẩn thông tin di động 3G IMT-2000 phát triển chủ yếu Châu Âu với mục đích cho phép mạng cung cấp khả chuyển vùng toàn cầu để hỗ trợ nhiều dịch vụ thoại, dịch vụ đa phương tiện Các mạng WCDMA xây dựng dựa sở mạng GSM, tận dụng sở hạ tầng sẵn có nhà khai thác mạng GSM Q trình phát triển từ GSM lên CDMA qua giai đoạn trung gian, tóm tắt sơ đồ sau đây: Hình 1.1: Quá trình phát triển từ GSM lên 3G sử dụng công nghệ WCDMA GVHD:TS.Nguyễn Vũ Sơn SVTH: Vũ Đức Thắng Đồ án tốt nghiệp Chương 1: Giới thiệu hệ thống thông tin di động 1.2.1 GSM Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc mạng GSM Ở sơ đồ cấu trúc mạng GSM SS: Switching Subsystem: Hệ thống chuyển mạch MSC: Mobile Service Switching Centre: Tổng đài di động HLR: Home Location Register: Bộ ghi định vị thường trú VLR: Visitor Location Register: Bộ ghi định vị tạm trú AUC: Authentication Centre: Trung tâm nhận thực EIR: Equipment Indentification Register: Thanh ghi nhận dang thiết bị BSS: Base Station System: Hệ thống trạm gốc BSC: Base Station Controller: Đài hệ thống trạm gốc BTS: Base Transceiver Station: Trạm thu phát gốc OSS: Operation & Support Subsystem: Phân hệ khai thác bảo dưỡng OMC: Operation and Maintenance Center: Trung tâm vận hành bảo dưỡng PSPDN: Packet Switch Public Data Network: Mạng số liệu công cộng chuyển mạch gói CSPDN: Circuit Switched Public Data Network: Mạng số liệu công cộng chuyển mạch kênh PSTN: Public Switched Telephone Network: Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng PLMN: Public Land Mobile Network: Mạng di động mặt đất công cộng ISDN: Integrated Service Digital Network: Mạng số đa dịch vụ GVHD:TS.Nguyễn Vũ Sơn SVTH: Vũ Đức Thắng Đồ án tốt nghiệp Chương 4: Điều khiển công suất MTTDĐ WCDMA Khởi đầu E b/l t Điểm đặt E b/l t Đo E b/l t PCG (1,25ms) No Yes (E b/l t) > Điểm đặt Lệnh MS giảm dB Lệnh MS tăng dB No No Số lệnh > ngưỡng Thu khung Yes Yes Phát tin khóa đến tắt bật lại nguồn Tính điểm đặt E b/l t Vòng (1,25 ms) Vòng ngồi (20ms) Hình 4.10: Lưu đồ điều khiển cơng suất vòng đường lên 4.3.2 Điều khiển cơng suất đương xuống 4.3.2.1 Khái quát Điều khiển công suất đường xuống (FLPC: Forward Link Power Control) nhằm giảm nhiễu giao thoa đường xuống FLPC không hạn chế nhiễu ô mã đặc biệt hiệu việc giảm nhiễu ô khác cung ô khác Điều khiển cơng suất vòng ngồi đường xuống hoạt động UE Mạng điều khiển cách hiệu khơng điều khiển thuật tốn vòng ngồi đường xuống - Trước hết, mạng thiết lập mục tiêu chất lượng cho kết nối đường xuống, mục tiêu hiệu chỉnh kết nối - Thứ hai, nút B không cần phải tăng công suất đường xuống kết nối UE gửi lệnh tăng cơng suất (power-up) Mạng điều khiển chất GVHD:TS.Nguyễn Vũ Sơn 73 SVTH: Vũ Đức Thắng Đồ án tốt nghiệp Chương 4: Điều khiển công suất MTTDĐ WCDMA lượng kết nối đường xuống khác nhanh cách không tuân theo lệnh điều khiển công suất từ UE Phương pháp sử dụng trường hợp tải đường xuống để giảm công suất đường xuống kết nối có mức ưu tiên thấp, dịch vụ kiểu Việc giảm công suất đường xuống diễn tần số đường lên công suất nhanh 1.5KHz 4.3.2.2 Điều khiển cơng suất đường xuống Hệ thống WCDMA điều khiển công suất đường xuống dựa báo cáo tỷ lệ lỗi từ trạm di động Để thực điều khiển công suất đường xuống, trạm gốc định kỳ giảm công suất phát đến trạm di động Việc giảm công suất tiếp diễn đến trạm di động yêu cầu tăng công suất nhận thấy tăng tỷ số lỗi khung (FER: Frame Error Rate) Lúc đó, trạm gốc tăng cơng suất lên bước quy định trước (0,5dB chẳng hạn) Tăng/giảm công suất thực lần khung thoại (15 - 20ms) Như điều khiển công suất đường xuống chậm điều khiển cơng suất đường lên Vì FER đo (không phải Eb/It điều khiển cơng suất vòng kín) Nên q trình trực tiếp phản ảnh chất lượng thoại Tuy nhiên trình chậm nhiều Vì mã trực giao Walsh sử dụng cho đường xuống, nên nhiễu giao thoa vấn đề khẩn cấp Vì đo chậm không làm tăng đáng kể giảm chất lượng hệ thống Hình 4.11 cho thấy lưu đồ trình FLPC GVHD:TS.Nguyễn Vũ Sơn 74 SVTH: Vũ Đức Thắng Đồ án tốt nghiệp Chương 4: Điều khiển công suất MTTDĐ WCDMA Đặt (ffer) T định thời Đo ffer (ffer)m No (ffer)m< (ffer) Định thời chạy hết T Yes Yes Báo cáo đo Lặp lại trình Hình 4.11: Lưu đồ điều khiển công suất đường xuống Công suất biểu diễn thông số N, D, U V, thơng số điều chỉnh đến giá trị khác cho hoạt động hệ thống thực tế Đối với RS1, tin báo cáo đo công suất (PMRM) chứa khung thu bị lỗi tổng số khung thu khoảng thời gian báo cáo (sau đếm khung khởi đầu cho khoảng thời gian đo tiếp theo) FER số khung lỗi chia cho tổng số số khung thu khoảng thời gian báo cáo Các bước cho điều khiển công suất đường xuống RS1 thực sau: Hành động MS - MS theo dõi số khung lỗi khoảng thời gian pwr_rep_frame - Nếu số khung lỗi > số quy định, MS phát PMRm chứa: Tổng số khung pwr_rep_frame Số khung lỗi pwr_rep_frame - Nếu khung bị lỗi < số quy định, PMRM không phát - Sau phát PMRM, MS đợi khoảng pwr_rep_delay trước khởi GVHD:TS.Nguyễn Vũ Sơn 75 SVTH: Vũ Đức Thắng Đồ án tốt nghiệp Chương 4: Điều khiển công suất MTTDĐ WCDMA đầu chu kỳ Hành động BS - Khi thu PMRM, BS so sánh FER báo cáo điều chỉnh công suất FER < fer_small: giảm công suất lượng D fer_small