Sử dụng tài nguyên vô tuyến bao gồm tất cả các chức năng cho việc điều khiển tài nguyên giao diện vô tuyến của một mạng truy nhập vô tuyến (RAN). Các chức năng này có nhiệm vụ tối ưu hóa mạng như cung cấp vùng phủ tối ưu, bảo đảm chất lượng dịch vụ QoS và đảm bảo hiệu quả sử dụng tài nguyên vật lý và vận chuyển. Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) bao gồm điều khiển công suât (PC), điều khiển chuyển giao (HC), điều khiển tắc nghẽn – thường được chia thành điều khiển truy nhập (AC), điều khiển tải (LC) và lập lịch dữ liệu gói (PS) – và quản lý tài nguyên
2.5.1 Điều khiển công suất trong WCDMA
Hệ thống WCDMA là một hệ thống được giới hạn nhiễu, và cách quan trọng để hạn chế nhiễu hệ thống là điều khiển công suất. Mục đích chính của điều khiển công suất là để giảm thiểu công suất của tín hiệu truyền trong khi vẫn đảm bảo được chất lượng dịch vụ (QoS)
Trên đường lên, một UE phát công suất quá cao sẽ là nguyên nhân không thể tính toán được nhiễu trên nút B trên sự so sánh tín hiệu đến từ các UE tại các cell cạnh. Đây được gọi là hiện tượng gần xa. Để ngăn chặn hiện tượng gần xa, điều khiển công suất đường lên được yêu cầu.
Trên đường xuống, khả năng của hệ thống được xác định bởi công suất mã tổng. Do đó nó cần thiết để giữ công suất tại mức thấp nhất có thể trong khi vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu tại UE.
Điều khiển công suất vòng hở, công suất phát ban đầu được tính toán. Phương pháp này không được chính xác và nó chỉ được ứng dụng tại thời điểm bắt đầu thiết lập kết nối.
Điều khiển công suất vòng kín, công suất phát được tự động điều chỉnh theo công suất phản hồi nhận được từ các trạm khác. Điều khiển công suất vòng kín được phân thành:
• Điều khiển công suất vòng trong trực tiếp điều chỉnh công suất phát của máy phát bởi sử dụng các lệnh điều khiển công suất.
• Điều khiển công suất vòng ngoài trực tiếp điều khiển công suất phát của máy phát.
Mục đích của điều khiển công suất đường lên:
• Đặc tính của truyền dẫn đường lên: hệ thống nhiễu đồng kênh, khả năng đường lên bị giới hạn bởi mức nhiễu, hiện tượng gần xa, pha đinh.
• Chức năng điều khiển công suất đường lên: đảm bảo chất lượng đường lên với công suất phát tối thiểu, giảm nhiễu tới các UE khác và tăng khả năng, giải quyết được hiện tượng gần xa, tiết kiệm công suất phát của UE.
Mục đích của điều khiển công suất đường xuống:
• Đặc tính truyền dẫn đường xuống: nhiễu giữa các thuê bao khác nhau một phần công suất của người dùng này sẽ là nhiễu đối với người khác, nhiễu từ các cell lân cận khác, khả năng đường xuống bị giới hạn bởi công suất phát nút B do công suất phát của nút B bị chia sẻ bởi tất cả các kênh người dùng.
• Chức năng điều khiển công suất đường xuống: đảm bảo chất lượng đường xuống với công suất phát tối thiểu, giảm nhiễu tới các cell khác, tiết kiệm được công suất truyền của nút B.
2.5.1.1 Điều khiển công suất vòng hở
Vì các tần số đường lên và đường xuống của WCDMA đều nằm trong cùng một băng tần, nên tồn tại mối tương quan đáng kể giữa tổn hao đường truyền trung bình giữa hai đường này. Nên UE trước khi truy nhập mạng và nút B trong quá trình thiết lập đường truyền vô tuyến có thể ước tính được các công suất ban đầu cần thiết trên đường lên và đường xuống dựa trên các tính toán tổn hao đường truyền trên đường xuống. Chức năng này đựơc gọi là PC vòng hở. Điều khiển công suất vòng hở bao gồm:
• Điều khiển công suất vòng hở đường lên.
• Điều khiển công suất vòng hở đường xuống
2.5.1.2 Điều khiển công suất vòng trong
Điều khiển công suất vòng trong (PC vòng kín nhanh) dựa trên thông tin phản hồi lớp 1 từ đầu cuối phía kia của đường truyền vô tuyến. Điều khiển công suất này cho phép UE/ nút B điều chỉnh công suất phát của mình dựa trên mức SIR thu được tại nút B/UE để bù trừ pha đinh kênh vô tuyến. Chức năng điều khiển công suất vòng trong trong WCDMA UMTS được sử dụng cho các kênh riêng (DCH) trên cả đường lên và đường xuống và cho kênh gói chung (CPCH) trên đường lên. Trong WCDMA, PC nhanh có tần số 1,5kHz. Mô tả các thủ tục điều khiển công suất này được cho trên hình 2.6 và hình 2.7.
Hình 2.6 Nguyên lý điều khiển công suất vòng kín
Hình 2.7 Điều khiển công suất vòng trong và vòng ngoài UL/ DL
a, Điều khiển công suất vòng trong đường lên
PC vòng kín đường lên được sử dụng để thiết lập công suất DPCH và PCPCH đường lên như sau. Nút B nhận SIR đích từ PC vòng ngoài đường lên (xem hình 2.7) đặt trong RNC và so sánh nó với SIR thu được ước tính trên ký hiệu hoa tiêu của DPCCH đường lên trong từng khe thời gian. Nếu SIR lớn SIR đích, nút B phát lệnh TPC ‘giảm’ đến UE trên kênh DPCCH đường xuống. Nếu SIR thu thấp hơn SIR đích, nút B phát lênh TPC ‘tăng’ đến UE. Chu kỳ đo - lệnh - phản ứng này được thực hiện
với tốc độ 1500 lần/s (1,5kHz), tốc độ này sẽ cao hơn mọi sự thay đổi tổn hao đường truyền thậm chí có thể cao hơn pha đinh nhanh khi UE di chuyển với tốc độ thấp.
b, Điều khiển công suất vòng trong đường xuống
PC vòng trong đường xuống thiết lập công suất cho DPCH. Như minh họa trên hình 2.7, UE nhận được BLER đích từ lớp cao hơn do RNC thiết lập cùng với các thông số điều khiển khác, nó ước tính SIR đường xuống từ các ký hiệu hoa tiêu của DPCH đường xuống. Ước tính SIR này được so sánh với SIR đích. Nếu ước tính này lớn hơn SIR đích, thì UE phát lệnh TPC ‘giảm’ đến nút B, trái lại nó phát lênh TPC ‘tăng’. Nếu chế độ DPC=0 (DPC_MODE=0) UE phát cùng một lênh TPC duy nhất trên từng khe, trái lại nó phát lặp cùng một lệnh TPC trên ba khe. Các lệnh TPC được phát trên DPCCH đường lên và đồng thời điểu khiển công suất của DPCCH cùng với DPDCH tương ứng trên đường xuống. Hiệu số công suất giữa DPDCH và các trường TFCI, TPC và hoa tiêu của DPCCH được xác định bởi PO1, PO2 và PO3 (như minh họa trên hình 2.8). Trong SHO, công suất UE giảm nếu nếu chất lượng báo hiệu PC đựơc cải thiện bằng cách thiết lập công suất cho DPCCH cao hơn so với DPDCH đường xuống.
Hình 2.8 Dịch công suất để cải thiện chất lượng báo hiệu đường xuống.
Phụ thuộc vào DPC_MODE bằng 0 hay 1, nút B ước tính lệnh TPCsest trên một hoặc 3 khe thời gian và cập nhật công suất đường truyền vô tuyến từ một khe hay ba khe một. Kích thước bước PC là một thông số trong quy hoạch mạng vô tuyến có thể nhận các giá trị 0,5; 1; 1,5; 2dB. Bước bắt buộc duy nhất mã nút B cần hỗ trợ là 1dB; các bước khác là tùy chọn. Tuy nhiên nếu UE trong SHO thì tất ca các ô mà UE kết nối đến phải sử dụng cùng một bước PC để tránh trôi công suất. Trong trường hợp
nghẽn, RNC có thể lệnh cho nút B bỏ qua lệnh TPC ‘tăng’ từ UE. Dải động PC đường xuống theo tiêu chuẩn được minh họa trên hình 2.9.
Hình 2.9 Dải động điều khiển công suất đường xuống
PC vòng trong trên các PDCH đường xuống trong chuyển giao mềm hơn hoạt động giống như trong trường hợp liên kết vô tuyến đơn. Chỉ có một DPCCH được phát trên đường lên. Phần báo hiệu và phần số liệu của các tín hiệu thu từ các anten khác nhau được kết hợp tại mức ký hiệu trong nút B. Trên đường xuống, nút B đồng thời điều khiển công suất của tập đường truyền vô tuyến và phân chia luồng số liệu nhận được từ DPC-FP đến tất cả các đoạn ô tham gia HO mềm hơn (SHO).
Trong HO mềm hơn, PC vòng kín trên các DPCH đường xuống có hai vấn đề chính khác với trường hợp đường truyền đơn: trôi các công suất của ô và phát hiện tin cậy các lệnh TPC từ kênh điều khiển đường lên. Chức năng PC vòng trong trong chuyển giao phân tập được minh họa trên hình 2.10 và sẽ được trình bày chi tiết hơn trong mục sau.
Hình 2.10 PC vòng kín đường xuống trong quá trình chuyển giao phân tập
2.5.1.3. Điều khiển công suất vòng ngoài
Mục đích của giải thuật PC vòng ngoài là duy trì chất lượng thông tin tại mức được xác định bởi các yêu cầu chất lượng của dịch vụ kênh mang liên quan bằng cách tạo ra một SIR đích cho PC vòng trong. Thao tác này được thực hiện trên từng kênh DCH thuộc cùng một kết nối RRC (điều khiển tài nguyên vô tuyến). SIR đích cần được điều chỉnh khi tốc độ UE hay môi trường truyền sóng thay đổi. Thay đổi công suất thu càng lớn, thì càng cần SIR đích cao. Nếu sử dụng SIR đích cố định, chất lượng thông tin nhận được sẽ quá thấp hoặc quá cao dẫn đến phải tăng công suất không cần thiết trong hầu hết các trường hợp.
PC vòng ngoài được mô tả trên hình 2.6 cho đường truyền đơn và 2.7 cho SHO. Trong trường hợp sau, chất lượng đường lên được quan sát sau kết hợp chọn lựa của phân tập vĩ mô trong RNC và SIR đích được cung cấp cho tất cả các ô tham giá SHO. Tần số PC vòng ngoài thay đổi từ 10 đến 100 Hz. Như minh họa trên hình 2.7, trong SHO các luồng số liệu DCH Iub và Iur đến từ các ô khác nhau được kết hợp trong SRNC thành một luồng trên đường lên. Trên đường xuống luồng số liệu DCH được chia thành nhiều luồng. Kết hợp và phân chia trong RNC được thực hiện bằng bộ kết hợp phân tập vĩ mô (MDC: Macro-Diversity Combiner). MDC trong RNC được xây dựng dựa trên thông tin nhận được từ nút B trong các khung FP, thực chất là các kết quả CRC đặc thù khối truyền tải và thông tin chấ lượng được ước tính. SHO tin cậy đựơc xây dựng dựa trên thông tin CFN chứa trong các luồng số liệu Iub/Iur. Tại UE kết hợp tỷ lệ cực đại (MRC) các tín hiệu thu được thực hiện tại mức ký hiệu (số liệu và hoa tiêu). Chỉ một DPCH được phát trên đường lên. Trong các phần sau ta sẽ xét một số vấn đề về PC vòng trong áp dụng cho cả đường lên và đường xuống.
a, Điều khiển công suất vòng ngoà i đường lên
PC vòng trong đường lên đặt tại SRNC và chịu trách nhiệm để thiết lập SIR đích trong nút B cho từng PC vòng trong đường lên. SIR đích được cập nhật riêng cho từng UE theo chất lượng đường lên được ước tính (BER hay BLER) đối với kết nối RRC cụ thể. Số đo chất lượng được tính toán theo một giải thuật dựa trên CRC (kiểm tra vòng dư) của luồng số liệu. Nếu CRC tốt, SIR đích giảm một lượng nhất định, trái lại nó sẽ tăng. Giá trị bước tăng trong điều chỉnh SIR là vào khoảng từ 0,1 đến 1 dB.
Kiến trúc logic của chức năng PC vòng ngoài đường lên cho trường hợp dịch vụ đa kênh mang được minh họa trên hình 2.11.
Hình 2.11 Kiến trúc logic giải thuật PC vòng ngoài đường lên
b, Điều khiển công suất vòng ngoài đường xuống
Chức năng PC vòng ngoài đường xuống được thực hiện trong UE. Chức năng này điều chỉnh giá trị SIR đích cho PC vòng trong đường xuống dựa trên một giải thuật riêng để cung cấp chất lượng đo (BLER) bằng với đích chất lượng do RNC thiết lập. Nếu CPCH được sử dụng cho thông tin chất lượng đích thì chất lượng đích được RNC thông báo là BER của kênh DPCCH, trái lại đích chất lượng BLER được cung cấp cho UE. Ngoài ra, khi TrCH BLER được sử dụng làm đích khi thông tin, PC vòng ngoài đường xuống trong UE đảm bảo rằng yêu cầu chất lượng được duy trì cho từng TrCH theo BLER đích đựơc ấn định. Trái lại nếu BER của DPCCH đường xuống được phát như là đích chất lượng, thì vòng điều khiển trong UE sẽ duy trì yêu cầu chất lượng cho từng CPCH để đảm bảo DPCCH BER đích quy định.
Giá trị đích chất lượng PC vòng ngoài đường xuống trong UE được điều khiển bởi AC (bộ cho phép kết nối) trong RNC, AC quyết định giá trị đích BLER cho từng DCH được sắp xếp trêm CCTrCH (kênh truyền tải phức hợp được mã hóa). Khi này UE nhận được đích BLER đường xuống cho từng TrCH trên các bản tin RRC.
2.5.1.4. Điều khiển công suất trong chế độ nén
Chức năng PC của UMTS cho đường xuống/đường lên trong chế độ nén (CM) cung cấp cơ chế để tăng nhanh nhất hội tụ SIR gần đến SIR đích sau mỗi khoảng nghỉ truyền dẫn.
Các thủ tục kênh vật lý bắt buộc để phát PC trong CM đựơc quy định trong chuẩn 3GPP, trong đó đặc tả các khác biệt giữa các giải thuật cho đường lên và đường xuống.
Các chức năng PC vòng ngoài đường lên và đường xuống đều không bị ảnh hưởng bởi CM. Tuy nhiên đích SIR cần được điều chỉnh trong nút B và UE trong các khung nén so với các khung bình thường như sau:
SIRcm-target = SIRtarget+∆SIRpilot+∆SIRcoding
Trong đó ∆SIRpilot và ∆SIRcoding xét đến sự giảm công suất trong các ký hiệu hoa tiêu tại CM và cơ chế tạo khoảng nghỉ phát.
2.5.1. 5. Điều khiển công suất khi có lỗi lệnh TPC
Tại các tốc độ cao hơn, xẩy ra vấn đề đối với điều khiển công suất vòng kín nhanh là tỷ lệ lỗi cao trong các lệnh TPC. Điều này thường xẩy ra đối với các kênh mang làm việc tại SIR thấp. Để duy trì BLER như nhau tại máy thu, PC vòng ngoài bù trừ khiếm khuyết của PC này bằng cách duy trì Eb/N0 đích cao hơn. Bảng 2.5 trình bày các kết quả mô phỏng cho các giá trị Eb/N0 đích phụ thuộc và xác suất lỗi trong các lệnh TPC.
Bảng 2.5 Eb/N0 đích phụ thuộc vào tỷ lệ lỗi của các lệnh điều khiển công suất phát (tốc độ UE = 3km/giờ)
Tỷ lệ lỗi [%] Eb/N0 đường lên [dB] Eb/N0 đường xuống [dB] Trung bình Lệch chuẩn Trung bình Lệch chuẩn
5 4,05 0,27 6,37 0,48
10 4,08 0,3 6,44 0,5
20 4,33 0,49 6,74 0,47
30 5,36 0,64 7,51 0,57
40 9,5 1.51 10,4 1,38
2.5.1.6 Điều khiển công suất nhanh và tốc độ UE
SIR đích cho PC vòng kín phụ thuộc vào yêu cầu Eb/N0 của dịch vụ (Eb/N0
đích), đến lượt mình thông số này lại phụ thuộc vào tốc độ UE. Vì thế, khi thiết lập Eb/N0 đích cực đại cho phép ta cần xét đến các UE tại các tốc độ cao hơn. Có hai lý do cho sự cần thiết này. Thứ nhất, tại tốc độ thấp, PC nhanh gần như hoàn hảo và có thể thiết lập Eb/N0 thấp hơn. Tại các tốc độ cao hơn, PC nhanh trở nên không hoàn hảo và tại tốc độ 120km/giờ xấy ra phần nào mất tương quan giữa kênh và các lệnh TPC. Để
vẫn đảm bảo các BLER thu cần thiết, cần tăng Eb/N0 đích trung bình. Thứ hai, cũng xẩy ra thay đổi lớn hơn đối với Eb/N0 đích đối với các UE tốc độ cao. Điều này dẫn đến cần phải thiết lập SIR đích cực đại cao hơn trong PC vòng ngoài, nếu ô phải hỗ trợ các UE tốc độ cao hơn. Thí dụ về các giá trị Eb/N0 đích phụ thuộc tốc độ UE được cho trong bảng 2.6
Bảng 2.6 Các Eb/N0 đích tại các tốc độ UE khác nhau (BLER đích = 1%, lưu lượng chuyển mạch kênh 64 kbps)
Tốc độ UE [km/giờ]
Eb/N0 đường lên [dB] Eb/N0 đường xuống [dB] Trung bình Lệch chuẩn Trung bình Lệch chuẩn
3 3,75 1,00 5,72 0,78
20 3,75 1,10 5,09 0,93
50 3,7 1,46 5,87 1,47
120 4,1 1,86 5,99 1,90
2.5.2 Điều khiển chuyển Giao (HO).
Chuyển giao là một phần thiết yếu để đáp ứng tính di động của thuê bao. Nó đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ không dây.
Các mục tiêu của chuyển giao
• Đảm bảo tính liên tục của các dịch vụ không dây khi các thuê bao di động di chuyển qua các ranh giới của Cell.
• Giữ QoS được yêu cầu
• Giảm tối đa mức nhiễu của toàn hệ thống
• Chuyển vùng giữa các mạng khác nhau
• Phân phối tải từ các khu vực điểm nóng (Cân bằng tải)