Chuyển giao mềm trong hệ thống WCDMA luận văn tốt nghiệp đại học

MỤC LỤC Trang MỤC LỤC HÌNH VẼ THUẬT NGỮ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU 1 TÓM TẮT ĐỒ ÁN 2 Chương 1. Tổng quan về thông tin di động thế hệ 3 3 1.1. Giới thiệu 3 1.2. Hệ thống di động thế hệ thứ 3 3 1.2.1. Các đặc điểm cơ bản của công nghệ WCDMA 4 1.2.2. Yêu cầu đối với hệ thống thông tin di động thế hệ 3 5 1.2.3. Cấu trúc của thông tin di động thế hệ 3 6 1.2.3.1. UE (User Equipment: Thiết bị người sử dụng) 6 1.2.3.2. UTRAN 7 1.2.3.3. CN(Core Network: Mạng lõi) 7 1.2.3.4. Các giao diện vô tuyến 10 1.2.4 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA 10 1.3. Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: Radio Resource Management) 12 1.3.1 RRM trong mạng di động 12 1.3.2. Các chức năng của quản lý tài nguyên vô tuyến RRM 12 1.3.2.1. Điều khiển công suất 13 1.3.2.2. Điều khiển chuyển giao 15 1.3.2.3. Điều khiển thâm nhập 15 1.3.2.4. Điều khiển tải (điểu khiển tắc nghẽn) 16 Chương 2. Chuyển giao trong hệ thống WCDMA 18 2.1. Giới thiệu 18 2.2.Kỹ thuật chuyển giao 18 2.2.1.Sự cần thiết của việc chuyển giao trong hệ thống thông tin di động 18 2.2.2.Tiêu chuẩn khi thực hiện chuyển giao 19 2.2.3. Các mục tiêu của chuyển giao 20 2.2.4. Các thủ tục và phép đo đạc chuyển giao 21 2.2.5. Các loại chuyển giao trong hệ thống WCDMA 22 2.2.5.1. Chuyển giao trong cùng hệ thống (Intra-system Handover) 23 2.2.5.2.Chuyển giao ngoài hệ thống (Inter-System Handover) 23 2.2.5.3. Chuyển giao cứng (HHO: Hard Handover) 23 2.2.5.4.Chuyển giao mềm (Soft HO) và mềm hơn (Softer HO) 25 2.3. Kỹ thuật chuyển giao mềm 28 2.3.1.Nguyên lý chuyển giao mềm 28 2.3.2. Đặc điểm của chuyển giao mềm 32 2.3.3. Lợi ích liên kết chuyển giao mềm 35 2.4. Chương trình DEMO 35 Chương 3. Phân tích chất lượng cấp đường dẫn cấp hệ thống 36 1 3.1. Giới thiệu 36 3.2. Nhiễu và những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu 36 3.2.1. Nhiễu intra-Cell và nhiễu inter-Cell 36 3.2.2 Những tác động của chuyển giao mềm đến nhiễu hướng xuống 39 3.2.3. Sự phân bố công suất hướng xuống 41 3.3 Phân tích hiệu suất câp hệ thống 48 3.3.1 Độ lợi chuyển giao mềm hướng xuống 48 3.3.2. Độ lợi chuyển giao mềm 48 3.3.3. Những tác động đối với độ lợi chuyển giao mềm 52 CHƯƠNG 4. Các thuật toán chuyển giao và chiến lược điều khiển công suất tối ưu trong chuyển giao mềm 54 4.1. Giới thiệu 54 4.2.Các thuật toán SHO 54 4.2.1. Thuật toán chuyển giao mềm IS-95A 55 4.2.2. Thuật toán chuyển giao mềm UTRA 57 4.2.3. Vùng SHO của các thuật toán chuyển giao mềm khác nhau 60 4.3. Điều khiển công suất hướng xuống 60 4.3.1. Phân bố công suất dưới 3 điều kiện điều khiển công suất 61 4.3.2. Độ lợi SHO dưới những tác động của điều khiển công suất 63 4.4. Chiến lược điều khiển công suất tối ưu trong chuyển giao mềm 64 4.4.1 Nguyên lý của cách tiếp cận mới 64 4.4.2 Đánh giá tính khả thi 66 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 2 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình1.1 Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G Hình 1.2 Cấu trúc hệ htống thông tin di động UMTS Hình 1.3 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA Hình 1.4 Sơ đồ trải phổ trực tiếp DSSS Hình 1.5 Sơ đồ giải trải phổ trực tiếp DSSS Hình 1.6 Các vị trí điển hình của các chức năng RRM trong mạng WCDMA Hình 1.7 Hiệu ứng gần-xa (điều khiển công suất trên đường lên Hình 1.8 Bù nhiễu bên trong cell (điều khiển công suất ở đường xuống Hình 1.9 Đường biểu đồ tải Hình 2.1 Các thủ tục chuyển giao Hình 2.2 Các loại chuyển giao trong hệ thống WCDMA Hình 2.3 Chuyển giao cứng cùng tần số Hình 2.4 Chuyển giao cứng khác tần số Hình 2.5 Chuyển giao mềm hai đường Hình 2.6 Chuyển giao mềm ba đường Hình 2.7 Chuyển giao mềm Hình 2.8 Sự khác nhau giữa chuyển giao cứng và chuyển giao mềm Hình 2.9 Nguyên lý của chuyển giao mềm Hình 2.10 Giảm nhiễu hướng lên bằng cách sử dụng HO Hình 2.11 Mô hình chuyển giao mềm Hình 2.12 Kết thúc quá trình chuyển giao mềm 3 Hình 3.1 Nhiễu hướng xuống Hình 3.2 Những tác động của chuyển giao mềm đối với nhiễu hướng xuống Hình 3.3 Ý nghĩa của β1 β2 β3 với các MS khác nhau Hình 3.4 Hàm phân bố tích lũy của β1 β2 và β3 Hình 3.5 Công suất trung bình đối với vị trí của UE Hình 3.6 Công suất kênh lưu lượng hướng xuống Hình 3.7 Vùng chuyển giao mềm và vùng phủ sóng hiệu quả của Cell Hình 3.8 Sự bố trí của Cell Hình 4.1 Thuật toán chuyển giao mềm trong IS 95A Hình 4.2 Thuật toán chuyển giao mềm trong WCDMA Hình 4.3 So sánh vùng SHO của các thuật toán khác nhau Hình 4.4 Điều khiển công suất hướng xuống trong Chuyển giao mềm Hình 4.5 Biểu diễn công suất tổng tương đối trung bình mà UE cần trong chuyển giao mềm 4 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT  AuC Authentication Center- Trung tâm nhận thực BER Bit Error Rate - Tỉ lệ lỗi bit BS Base Station - Trạm gốc BSC Base Station Controller - Bộ điều khiển trạm gốc DMA Code Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo mã CPICH Common Pilot Channel - Kênh hoa tiêu chung CN Core Network - Mạng lõi CS Circuit Switch - Chuyển mạch kênh CDF Cumulative Distribution Function- Hàm phân bố tích lũy DSSS Direct Sequence Spread Spectrum - Trải phổ chuỗi trực tiếp DL Down Link – Đường xuống EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution- Tốc độ bit tăng cường sử dụng cho nhánh tiến hoá GSM EIR Equipment Indentification Register - Thanh ghi nhận dạng thiết bị FDD Frequency Division Duplexing-Ghép kênh song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo tần số FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum - Trải phổ nhảy tần GGSN Gateway GPRS Support Node - Nút hỗ trợ GPRS cổng GSM Global System for Mobile Communication-Hệ thống thông tin di động toàn cầu 5 GMSC Gateway Mobile Switch Center - Trung tâm chuyển mạch di động cổng HE Home Environment- Môi trường nhà HLR Home Location Register- Thanh ghi định vị thường trú HHO Hard Handover- Chuyển giao cứng IMEI International Mobile Equipment Identity-Số nhận dạng thiết bị di động quốc tế IMSI International Mobile Subsscriber Identity- Số nhận dạng thuê bao di động quốc tế ISDN Integrates Service Digital Network - Mạng số liệu đa dịch vụ IS-95 North Amarican version of the CDMA standard-Phiên bản CDMA ở Bắc Mỹ ME Mobile Equipment - Thiết bị di động MSC Mobile Switch Center - Trung tâm chuyển mạch di động PLMN Public Land Mobile Network – Mạng di động mặt đất công cộng PN Pseudo Noise - Nhiễu giả ngẫu nhiên PS Packet Switch - Chuyển mạch gói QoS Quality of Service - Chất lượng dịch vụ RRM Radio Resource Management - Quản lý tài nguyên vô tuyến RNC Radio Network Control - Bộ điều khiển mạng vô tuyến RAM Radio Access Mode- Chế độ truy cập vô tuyến RAT Radio Access Tranmission- Đường truyền truy cập vô tuyến SIR Signal to Interference Ratio - Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SCH Synchronization Channel - Kênh đồng bộ SGSN Serving GPRS Support Node - Nút hỗ trợ GPRS phục vụ SHO Soft Handover – Chuyển giao mềm SN Serving Network- Mạng phục vụ TDD Time Division Duplexing - Ghép song công phân chia thời gian TDMA Time Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo thời gian THSS Time Hopping Spread Spectrum - Trải phổ nhảy thời gian UE User Equiment – Thiết bị người sử dụng 6 UMTS Universal Mobile Telecommunication System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu USIM Universal Subcriber Identity Module -Module nhận dạng thuê bao UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network Mạng truy cập vô tuyến toàn cầu UL Uplink - Đường lên VLR Visitor Location Register - Bộ định vị tạm trú WCDMA Wideband Code Division Multiple Access-Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng LỜI NÓI ĐẦU Xã hội càng phát triển thì nhu cầu trao đổi thông tin càng thiết yếu. Các hệ thống thông tin di động với khả năng giúp con người trao đổi thông tin mọi lúc, mọi nơi đã và đang trở thành dịch vụ không thể thiếu trong xã hội ngày nay. Bắt đầu từ các hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên ra đời vào năm 1946, thông tin di động đã liên tục phát triển qua các thế hệ từ 1G sang 2G đến 3G và đến nay các hệ thống thông tin di động thứ 4G đã được đưa vào khai thác ở một số nước trên thế giới . Ở Việt Nam, các hệ thống thông tin di động thứ 3 cũng bắt đầu triển khai từ năm 2009. Hệ thống WCDMA đã được Việt Nam lựa chọn cho việc triển khai 3G. Điều này mở ra một bước tiến lớn của Việt Nam trong việc bắt kịp khoa học kỹ thuật hiện đại của thế giới, đặc biệt là Viễn thông . Nắm được tình hình đó đồ án tốt nghiệp của em tìm hiểu tổng quan về hệ thống mạng WCDMA, đặc biệt là nghiên cứu sâu về một kỹ thuật quan trọng đó là kỹ thuật “ Chuyển giao mềm trong hệ thống WCDMA”. Cấu trúc đồ án gồm 4 chương Chương 1: Tổng quan về thông tin di động thế hệ 3 Chương 2: Chuyển giao và chuyển giao mềm trong hệ thống WCDMA Chương 3: Tác động của chuyển giao mềm ở cấp độ đường dẫn và hệ thống. Chương 4: Giới thiệu các thuật toán chuyển giao và chiến lược điều khiển công suất tối ưu suốt trong quá trình chuyển giao mềm. 7 Để hoàn thành được đồ án này lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử- Viễn thông trường Đại học Vinh đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức trong suốt 5 năm học vừa qua. Đặc biệt, em xin cảm ơn cô giáo Ths Nguyễn Thị Kim Thu đã định hướng và tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ em hoàn thành đồ án được tốt hơn. Bằng sự nhiệt tình cùng với những góp ý, gợi mở, những kiến thức quý báu từ Cô đã giúp em có thể hiểu được một cách sâu sắc và rõ ràng hơn những điều còn vướng mắc trong thời gian làm đồ án. Kế đến, em xin cảm ơn sự giúp đỡ của các bạn lớp 47K-ĐTVT, đã giúp em giải đáp một số thắc mắc khi làm đồ án. Và cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình em, những người đã luôn động viên, củng cố tinh thần cho em trong suốt thời gian học tập. TÓM TẮT ĐỒ ÁN 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 (SHO) sử dụng trong IS-95 và được đề xuất cho mạng 3G trong hệ thống WCDMA có hiệu suất tốt hơn trên cả hai cấp độ đường dẫn và hệ thống. Trong các mạng di động hiện đại thì hướng xuống lại cực kỳ quan trọng đối với dung lượng hệ thống bởi tính bất đối xứng của các dịch vụ mới nên đồ 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. Cuối cùng đồ án sẽ tìm hiểu về chiến lược điều khiển công suất tối ưu trong chuyển giao mềm. ABSTRACT Handover is an important technique to maintain a good quality channel when a remote subscriber moving away the base station. Comparing to conventional hard handover employing in GSM mobile network, soft handover using in IS-95 and proposing in 3G WCDMA system has better performance on both link and system side. 8 In new mobile network downlink is very important to the capacity of network due to the asymmetry of new service. Hence, this project will analyze properties of soft handover and it’s impact to the capacity or downlink performance in WCDMA network. Finally this project will introduce some approach to control performance in soft handover optionally. Chương 1. Tổng quan về thông tin di động thế hệ 3 1.1 Giới thiệu Viễn thông nói chung và thông tin di động nói riêng là một lĩnh vực rất quan trọng trong đời sống xã hội. Xã hội càng phát triển, nhu cầu về thông tin di động của con người càng tăng lên. Thông tin di động càng khẳng định được sự cần thiết và tính tiện dụng của nó trong việc phục vụ liên lạc cũng như nhiều tiện ích khác. Cho đến nay, hệ thống thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ thế hệ di động thế hệ 1 đến thế hệ 3 và thế hệ đang phát triển trên thế giới - thế hệ 4. Trong chương một sẽ tìm hiểu về cấu trúc thông tin di động thế hệ 3 cũng như phương pháp đa truy cập được sử dụng trong thế hệ này và cuối cùng tìm hiểu về vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM: Radio Resource Management). 1.2 Hệ thống di động thế hệ thứ 3 Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất, ở thế hệ này sử dụng công nghệ WCDMA( Wideband Code Division Multiple Access) là phương pháp đa truy cập mã băng rộng. 9 WCDMA là công nghệ thông tin di động thế hệ ba giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM (Global System Mobile Communication: Hệ thống thông tin di động toàn cầu) bằng cách dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã (CDMA :Code Division Multiple Access) hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA: Time Division Multiple Access). Từ thế hệ 1G đến 2G sang 2.5G và sau đó lên 3G có rất nhiều công nghệ đã được sử dụng. Ở mỗi nước, mỗi khu vực sử dụng một công nghệ phát triển riêng song WCDMA nhận được sự ủng hộ lớn nhất nhờ vào tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình. Hình 1.1 mô tả lộ trình phát triển của các hệ thống thông tin di động từ 1G lên 2G sang 2.5G và sau đó đến 3G. Hình 1.1 Lộ trình phát triển từ 2G lên 3G 1.2.1 Các đặc điểm cơ bản của công nghệ WCDMA - Là hệ thống đa truy cập phân chia theo mã trải phổ trực tiếp (CDMA/DSSS: Code Division Multiple Access/Direct Sequence Spread Spectrum), có tốc độ bit lên cao (lên đến 2 Mbps). 10 UMTS WCDMA GPRSGSM EDGE TDMA cdmaOne CDMA 2000 Thoại, số liệu 14,4 kbps Thoại, số liệu 9.6 kbps Thoại, số liệu 9.6 kbps Dữ liệu 115 kbps Dữ liệu 384 kbps Thoại, dữ liệu 384 kbps- 2M Thoại 2X, Dữ liệu 153 kbps / 3,09 M 3G2G 2,5G GSM 1X 1980 1990 2000 2001 2002 2003 2004 2005 FDMA 1G Thoại<10kbps . của chuyển giao 20 2.2.4. Các thủ tục và phép đo đạc chuyển giao 21 2.2.5. Các loại chuyển giao trong hệ thống WCDMA 22 2.2.5.1. Chuyển giao trong cùng hệ. 2.2.5.4 .Chuyển giao mềm (Soft HO) và mềm hơn (Softer HO) 25 2.3. Kỹ thuật chuyển giao mềm 28 2.3.1.Nguyên lý chuyển giao mềm 28 2.3.2. Đặc điểm của chuyển giao