chuyển giao mềm trong mạng wcdma

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG 2    ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG HỆ: ĐÀO TẠO CHÍNH QUY NIÊN KHÓA : 2005-2010 Tên đề tài: CHUYỂN GIAO MỀM TRONG MẠNG WCDMA Mã số đề tài: 09405160029 Sinh viên thực hiện : LÊ TRUNG HIẾU MSSV : 405160029 Lớp : Đ05VTA1 Giáo viên hướng dẫn : NGUYỄN HUY HÙNG TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG 11/2009 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN    *V* Tp. Hồ Chí Minh, ngày …tháng……năm 2009 Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Huy Hùng NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN    *V* Tp. Hồ Chí Minh, ngày …tháng……năm 2009 Giáo viên phản biện LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức trong thời gian qua. Đặc biệt, em xin cảm ơn thầy Nguyễn Huy Hùng đã định hướng và chỉ dẫn cho em. Bằng sự nhiệt tình cùng với những góp ý, gợi mở, những kiến thức quý báu từ Thầy, đã giúp em có thể hiểu được một cách sâu sắc và rõ ràng hơn những điều còn vướng mắc trong thời gian làm luận án này. Kế đến, em xin cảm ơn sự giúp đỡ và chỉ dẫn của các bạn lớp Đ05VT, tuy sự giúp đỡ đó không lớn nhưng cũng giúp em giải đáp một số thắc mắc khi làm luận án này. Và cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, ba mẹ cũng như các anh chị em của em, những người đã luôn động viên, củng cố tinh thần cho em trong suốt thời gian làm luận án này. Mặc dù Em đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Tp Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2009 Sinh viên Lê Trung Hiếu Báo cáo tốt nghiệp Mục lục SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 MỤC LỤC HÌNH VẼ 3 MỤC LỤC BẢNG 4 LỜI MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 6 1.1 Sự phát triển của mạng di động 6 1.1.1 Hệ thống di động tương tự thế hệ đầu tiên 6 1.1.2 Hệ thống di động thế hệ thứ 2 và giai đoạn 2 + 6 1.1.3 Hệ thống di động thế hệ thứ 3 và cao hơn nữa 9 a) Cấu trúc mạng thông tin di động thế hệ thứ 3 UMTS 11 b) Hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo: 13 1.2 Tổng quan về công nghệ CDMA 13 1.2.1 Nguyên lý trải phổ (CDMA) 13 1.2.2 Trải phổ và giải trải phổ 14 1.2.3 Đa truy xuất 15 1.2.4 Các đặc điểm chính của công nghệ WCDMA 16 1.3 Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: Radio Resource Management) 17 1.3.1 RRM trong mạng di động 17 1.3.2 Chức năng của RRM 18 a) Điều khiển công suất (Power Control) 18 b) Điều khiển chuyển giao (Handover control) 21 c) Điều khiển thâm nhập (Admission control) 21 d) Điều khiển Tải (Điều khiển tắc nghẽn) 23 CHƯƠNG II: CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG 3G WCDMA 25 2.1 Tổng quan về chuyển giao trong mạng di động 25 2.1.1 Các kiểu chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA 25 2.1.2 Các mục tiêu của chuyển giao 26 2.1.3 Các thủ tục và phép đo chuyển giao 27 2.2 Chuyển giao mềm (SHO) 28 2.2.1 Nguyên lý của chuyển giao mềm 29 2.2.2 Thuật toán chuyển giao mềm 31 2.2.3 Đặc điểm của chuyển giao mềm 34 CHƯƠNG III : PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CẤP ĐƯỜNG DẪN VÀ CẤP HỆ THỐNG 37 3.1 Phân tích hiệu suất cấp đường dẫn 37 3.1.1 Phân tích nhiễu hướng xuống 37 a) Nhiễu intra-Cell và nhiễu inter-Cell 38 b) Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hướng xuống 42 Báo cáo tốt nghiệp Mục lục SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 2 3.1.2 Sự phân bố công suất hướng xuống 43 a) Phân bố công suất không có SHO 43 b) Phân bố công suất với SHO 44 3.1.3 Kết luận 50 3.2 Phân tích hiệu suất câp hệ thống 50 3.2.1 Độ lợi chuyển giao mềm hướng xuống 50 a) Độ lợi chuyển giao mềm 51 b) Những tác động đối với độ lợi chuyển giao mềm 54 3.2.2 Sơ đồ chọn lựa và tái chọn lựa Cell 55 a) Nguyên lý cơ bản của các sơ đồ chọn lựa Cell (CS) khác nhau 56 b) Những tác động của các sơ đồ chọn lựa Cell khác nhau đến độ lợi SHO 58 3.2.3 Các thuật toán chuyển giao mềm 58 a) Các thuật toán SHO khác nhau 59 b) Vùng SHO của các thuật toán chuyển giao mềm khác nhau 62 3.2.4 Điều khiển công suất hướng xuống 62 a) Phân bố công suất dưới 3 điều kiện điều khiển công suất 63 b) Độ lợi SHO dưới những tác động của điều khiển công suất 65 CHƯƠNG IV: CHIẾN LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TỐI ƯU TRONG CHUYỂN GIAO MỀM 67 4.1 Nguyên lý của cách tiếp cận mới 67 4.2 Đánh giá tính khả thi 68 CHƯƠNG V: CHƯƠNG TRÌNH DEMO 72 KẾT LUẬN 73 BẢNG TỪ VIẾT TẮT 74 PHỤ LỤC 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 Báo cáo tốt nghiệp Mục lục hình vẽ SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 3 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình I.1 Sự phát triển của mạng di động 7 Hình I.2 Lộ trình phát triển từ 2G đến 3G 10 Hình I.3 Trải phổ và giải trải phổ 15 Hình I.4 Các công nghệ đa truy xuất 15 Hình I.5 Nguyên lý đa truy xuất trải phổ 16 Hình I.6 Các vị trí điển hình của RRM trong mạng WCDMA 18 Hình I.7 Hiệu ứng gần xa (điều khiển công suất hướng lên) 19 Hình I.8 Bù nhiễu inter-cell (điều khiển công suất hướng xuống) 20 Hình I.9 Thuật toán chung của điều khiển công suất vòng ngoài 21 Hình I.10 Đường cong tải 22 Hình II.1 Các viễn cảnh của các kiểu chuyển giao khác nhau 26 Hình II.2 Các thủ tục chuyển giao 28 Hình II.3 Sự so sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm 30 Hình II.4 Nguyên lý chuyển giao mềm (trường hợp 2 đường) 31 Hình II.5 Thuật toán chuyển giao mềm của IS-95A 32 Hình II.6 Thuật toán chuyển giao mềm WCDMA 33 Hình II.7 Giảm nhiễu hướng lên bằng cách sử dụng SHO 35 Hình III.1 Nhiễu hướng lên 37 Hình III.2 Nhiễu hướng xuống 38 Hình III.3 χ ,Nhiễu inter-Cell hướng xuống tương đối 40 Hình III.4 η, Tỷ số nhiễu inter-Cell và intra-Cell 41 Hình III.5 Độ nhạy của nhiễu hướng xuống tương đối với các thông số vô tuyến 41 Hình III.6 Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hướng xuống 42 Hình III.7 Ý nghĩa của β 1 β 2 β 3 với các vị trí MS khác nhau 47 Hình III.8 Hàm phân bố tích luỹ của β 1 β 2 và β 3 48 Hình III.9 Công suất tổng trung bình đối với vị trí của trạm di động 49 Hình III.10 Công suất kênh lưu lượng hướng xuống 49 Hình III.11 Vùng chuyển giao mềm và vùng phủ sóng hiệu quả của Cell 51 Hình III.12 Sự bố trí Cell 52 Hình III.13 Sơ đồ chọn lựa Cell 56 Hình III.14 Lưu đồ chọn lựa Cell hoàn hảo 57 Hình III.15 Lưu đồ chọn lựa Cell bình thường 58 Hình III.16 Lưu đồ thuật toán chuyển giao mềm IS-95A 60 Hình III.17 Lưu đồ thuật toán chuyển giao mềm UTRA 61 Hình III.18 So sánh vùng SHO của các thuật toán khác nhau 62 Hình IV.1 Điều khiển công suất hướng xuống trong Chuyển giao mềm 67 Hình IV.2 Công suất truyền tổng tương đối cho các MS trong chuyển giao mềm. 71 Hình V.1 Mô hình chuyển giao 72 Báo cáo tốt nghiệp Mục lục bảng SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 4 MỤC LỤC BẢNG TABLE I.1 Các thông số kỹ thuật của hệ thống số thế hệ thứ 2 8 TABLE III.1 Bảng liên kết 54 TABLE IV.1 Các thông số hệ thống 71 Báo cáo tốt nghiệp Lời mở đầu SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 5 LỜI MỞ ĐẦU Như ta đã biết, các đầu cuối di động cho phép thuê bao truy xuất các dịch vụ trong khi đang di chuyển, điều này đặc biệt đã thúc đẩy sự phát triển 1 cách nhanh chóng của ngành công nghiệp mạng di động, và thay đổi nó từ một công nghệ mới thành một ngành công nghiệp lớn trong vòng ít hơn hai thập kỷ. Chuyển giao là một chức năng thiết yếu để đối phó với tính di động của các thuê bao di động. So với chuyển giao cứng truyền thống được sử dụng trong mạng di động GSM, thì chuyển giao mềm sử dụng trong IS-95 và được đề xuất cho mạng 3G có hiệu suất tốt hơn trên cả hai cấp độ đường dẫn và hệ thống. Trong hầu hết các phân tích trước đây về chuyển giao mềm đều tập trung vào hướng lên. Tuy nhiên, trong các mạng di động tương lai thì hướng xuống lại cực kỳ quan trọng đối với dung lượng hệ thống bởi tính bất đối xứng của các dịch vụ mới, chẳng hạn như lưu lượng Internet. Hiểu được vấn đề đó, nên luận án này sẽ đi sâu nghiên cứu các đặc tính của chuyển giao mềm cũng như những tác động của nó đến dung lượng hay hiệu suất hướng xuống trong mạng WCDMA. Cụ thể là: Chương 1: sẽ giới thiệu tổng quan về mạng thông tin di động Chương 2 + chương 3: giới thiệu về chuyển giao mềm và những tác động của nó ở cấp độ đường dẫn và hệ thống. Chương 4: sẽ đưa ra chiến lược điều khiển công suất tối ưu suốt trong quá trình chuyển giao mềm. Trong quá trình thực hiện luận án có thể em sẽ không tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được sự phê bình, góp ý của quý thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn. Báo cáo tốt nghiệp Chương I: Tổng quan về mạng thông tin di động SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 6 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Sự phát triển của mạng di động 1.1.1 Hệ thống di động tương tự thế hệ đầu tiên Năm 1980 đã bắt đầu kỷ nguyên mạng điện thoại di động tế bào, và từ đó truyền thông di động đã trải qua những thay đổi đáng kể và phát triển lớn về mặt kinh nghiệm.Hình I.2 cho thấy sự tiến triển của mạng di động. Hệ thống di động thế hệ đầu tiên đã sử dụng phương thức truyền tương tự đối với các dịch vụ thoại. Năm 1979, hệ thống di động đầu tiên trên thế giới đã được đưa vào hoạt động bởi Nippon Telephone and Telegraph (NTT) ở Tokyo, Japan.Hệ thống đã sử dụng 600 kênh hai chiều trên phổ tần 30 MHz ở băng tần 800 MHz, với khoảng cách kênh là 25 kHz. 2 năm sau, kỷ nguyên di động tế bào đã hướng tới Châu Âu. 2 phổ biến nhất của hệ thống tương tự là Nordic Mobile Telephones (NMT) và Total Access Communication Systems (TACS).Năm 1981, hệ thống NMT-450 đã được thương mại hoá bởi NMT ở Scandinavia. Hệ thống hoạt động ở dải tần 450 MHz và 900 MHz với băng thông tổng cộng là 10 MHz. TACS, được ra mắt tại Anh vào năm 1982, hoạt động tại tần số 900 MHz với băng tần dành cho mỗi đường là 25 MHz và băng thông mỗi kênh là 25 kHz. TACS được mở rộng triển khai vào năm 1985. Ngoài NMT và TACS, một số hệ thống tương tự khác cũng đã được giới thiệu vào năm 1980 trên toàn Châu Âu. Ví dụ, ở Đức, hệ thống di động tế bào C-450 , hoạt động tại băng tần 450 MHz và 900 MHz (sau này) , được triển khai vào tháng Chín năm 1985. Tất cả các hệ thống này cung cấp khả năng chuyển vùng và chuyển giao nhưng mạng di động tế bào lại không cho phép liên kết nối giữa các quốc gia. Đây là một trong những khó khăn không thể tránh khỏi của mạng di động thế hệ đầu tiên. Tại Hoa Kỳ, mạng điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile Phone System) được đưa ra vào năm 1982. Hệ thống được phân bổ một băng thông 40 MHz trong dải tần từ 800 đến 900 MHz. Năm 1988, AMPS được bổ sung thêm 10 MHz băng thông và gọi là phổ mở rộng Expanded Spectrum (ES). 1.1.2 Hệ thống di động thế hệ thứ 2 và giai đoạn 2 + Hệ thống di động thế hệ thứ 2 được giới thiệu vào cuối những năm 1980.Các dịch vụ dữ liệu tốc độ thấp cũng như các dịch vụ thoại truyền thống được hỗ trợ. Các hệ thống này sử dụng kỹ thuật truyền dẫn số chứ không phải truyền dẫn tương tự. Do vậy, so với hệ thống di động thế hệ thứ nhất, hiệu suất phổ của thế hệ thứ 2 cao hơn, dịch vụ dữ liệu và khả năng chuyển vùng tốt hơn. Ở Châu Âu, hệ thống toàn cầu dành cho truyền thông di động có tên gọi là GSM (Global System for Mobile Communications) được triển khai để cung cấp một tiêu chuẩn mang tính thống nhất. Điều này cho phép các dịch vụ không có đường nối ra khỏi Châu Âu bằng phương thức chuyển vùng quốc tế. Hệ thống GSM sớm nhất hoạt động ở băng tần 900 MHz với băng thông tổng cộng là 50 MHz. Suốt trong quá trình phát triển hơn 20 năm, công nghệ GSM đã liên tục được cải tiến để cung cấp các dịch vụ tốt hơn trên thị trường. [...]... nghĩa là không tổn hao Chuyển giao cứng có thể đặt trong kiểu chuyển giao cùng tần số hoặc khác tần số  Chuyển giao mềm ( SHO ) và chuyển giao mềm hơn ( Softer HO ) Chuyển giao mềm là chuyển giao giữa hai BS khác nhau, còn chuyển giao mềm hơn là chuyển giao giữa ít nhất 2 sector của cùng một BS Trong suốt quá trình chuyển giao mềm, MS giao tiếp một cách tức thì với hai (chuyển giao hai đường) hoặc nhiều... cải tiến quá trình chuyển giao, đó là chuyển giao mềm và đây là công việc trọng tâm trong luận án này 2.1.1 Các kiểu chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA Có 4 kiểu chuyển giao khác nhau trong mạng di động WCDMA Đó là:  Chuyển giao trong cùng một hệ thống ( Intra-system HO ) Chuyển giao trong cùng hệ thống có thể được chia thành chuyển giao cùng tần số và chuyển giao khác tần số Chuyển giao cùng tần số... hoạch tổng phí Chuyển giao mềm (soft handover overhead) là một trong những thành phần cơ bản của việc quy hoạch và tối ưu hoá mạng vô tuyến Trong phần này sẽ trình bày các nguyên lý cơ bản của chuyển giao mềm SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 28 Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA 2.2.1 Nguyên lý của chuyển giao mềm Chuyển giao mềm khác với quá trình chuyển giao cứng truyền... thực hiện của chuyển giao mềm, khi trạm di động vào hoặc rời bỏ trạng thái chuyển giao mềm thì một trạm gốc mới sẽ được đưa vào hoặc giải phóng, các cài đặt tích cực được cập nhật và công suất của mỗi kênh tham gia vào quá trình chuyển giao mềm được điều chỉnh 2.2 Chuyển giao mềm (SHO) Chuyển giao mềm được giới thiệu bởi công nghệ CDMA So với tiêu chuẩn chuyển giao cứng thì chuyển giao mềm có một số... tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA CHƯƠNG II: CHUYỂN GIAO TRONG HỆ THỐNG 3G WCDMA 2.1 Tổng quan về chuyển giao trong mạng di động Trong mạng di động các thuê bao có thể truy nhập dịch vụ khi đang di chuyển hay nói cách khác mạng di động cung cấp tính tự do cho thuê bao trong một phạm di động nhất định Tuy nhiên, tính tự do này mang đến sự không chắc chắn trong hệ thống di động... hiệu đến từ các trạm gốc khác Trong chu kỳ chuyển tiếp của quá trình chuyển giao mềm, trạm di động truyền thông đồng thời với tất cả trạm gốc đang kết nối với nó Sự khác nhau giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm giống như sự khác nhau giữa các cuộc thi bơi tiếp sức và chạy tiếp sức Chuyển giao cứng xảy ra tại một điểm thời gian, trong khi đó chuyển giao mềm kéo dài trong một chu kỳ thời gian Hình... bổ sung 2.2.2 Thuật toán chuyển giao mềm Thuật toán có một tầm ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của quá trình chuyển giao mềm Hình II.5 đưa ra thuật toán chuyển giao mềm của IS-95A (cũng còn được gọi là thuật toán CDMAone cơ bản) SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 31 Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA Hình II.5 Thuật toán chuyển giao mềm của IS-95A Trong hình:  The Active... hệ thống CDMA khác nhau cũng thuộc kiểu chuyển giao này Lấy một ví dụ về chuyển giao giữa các chế độ truy xuất khác nhau đó là giữa UTRA FDD và UTRA TDD  Chuyển giao cứng ( Hard Handover:HHO ) SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 25 Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA Chuyển giao cứng là một thể loại của các thủ tục chuyển giao, trong đó tất cả các kết nối cũ của một... trình chuyển giao trong cùng một tần số Hình II.1 cho thấy một vài viễn cảnh của các loại chuyển khác nhau Hình II.1 Các viễn cảnh của các kiểu chuyển giao khác nhau 2.1.2 Các mục tiêu của chuyển giao Chuyển giao có thể được bắt đầu trong 3 cách khác nhau đó là: bắt đầu từ thuê bao di động, bắt đầu từ mạng và hỗ trợ thuê bao SVTH: Lê Trung Hiếu Lớp Đ05VTA1 Trang 26 Báo cáo tốt nghiệp Chương II: Chuyển giao. .. hiện bởi cả hai BS (chuyển giao hai đường), và được gởi đến RNC cho việc lựa chọn kết hợp Hai vòng điều khiển công suất tích cực tham gia vào quá trình chuyển giao mềm, mỗi vòng cho một BS Trong trường hợp chuyển giao mềm hơn, MS được điều khiển ít nhất bởi hai sector của cùng BS, do đó RNC không được tham gia và chỉ có một vòng điều khiển công suất tích cực Chuyển giao mềm và mềm hơn chỉ sử dụng một . chuyển giao trong mạng di động 25 2.1.1 Các kiểu chuyển giao trong hệ thống 3G WCDMA 25 2.1.2 Các mục tiêu của chuyển giao 26 2.1.3 Các thủ tục và phép đo chuyển giao 27 2.2 Chuyển giao mềm. cảnh của các kiểu chuyển giao khác nhau 26 Hình II.2 Các thủ tục chuyển giao 28 Hình II.3 Sự so sánh giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm 30 Hình II.4 Nguyên lý chuyển giao mềm (trường hợp. dịch vụ chuyển mạch gói.  Các mạng ngoài - Mạng CS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch kênh. - Mạng PS : Mạng kết nối cho các dịch vụ chuyển mạch gói.  Các giao diện vô tuyến - Giao