Mô phỏng hoạt động của HSDPA trong Release99

3.2.1. Hệ thống mô phỏng

Theo [10], hiệu suất sử dụng HSDPA có thể được mô phỏng bằng các hệ thống sau:

• Mô hình kênh (Channel modeling) : kênh sử dụng tương ứng trong model này là kênh vô tuyến, tổn hao đường truyền trong macrocell sẽ được xem xét, phụ thuộc vào khoảng cách giữa Base Station với thiết bị người dùng, shadow fading và fast fading với multiple paths .

• Mô hình HSDPA (HSDPA modeling) : mô tả hiệu suất truyền của HSDPA, hiệu suất mã hóa hay giải mã.Tính toán đường truyền trong mô hình này, ta quan tâm đến tỉ lệ SINR và BLER và CQI.

• Mô hình Release 99 (Release 99 modeling): Lưu lượng trong R’99 sẽ bao gồm cả HSDPA và DCH.

3.2.2. Kế hoạch mô phỏng

Sau khi ta chọn được mô hình cần thiết ta sẽ bắt đầu mô phỏng chi tiết HSDPA (một ngõ vào, một ngõ ra) bao gồm các bước chính:

• Thiết lập thông số : trước khi tiến hành mô phỏng, hàm ‘Load settings’ sẽ được gọi. Nó sẽ thiết lập các thông số cần thiết cho việc mô phỏng như: loại mạng, kênh, người sử dụng….

• Tính toán lại : tính toán lại tổn hao do môi trường cũng như do khoảng cách người sử dụng.

• Mô phỏng thông lượng cell : bước cuối cùng là tính toán thông lượng (throughput) có thể đạt được trong cell.

Hình 3.1. Ba bước chính trong quá trình mô phỏng

3.2.2.1. Thiết lập thông số

Thiết lập các thông số trong mạng, kênh truyền, và thiết bị người sử dụng.

 Thiết lập mạng : bao gồm các thông số

 R’99 : cần các thông số cố định cho R’99, như bandwith (5MHz), chip rate, phần trăm tải trong UMTS, và Eb/No yêu cầu trong UMTS.

 Node B : ở đây ta sẽ thay đổi về khoảng cách và công suất cho Node Bs (như công suất tối đa, công suất CPICH, ….).

 HSDPA : số người sử dụng, hệ số trãi phổ (cố định 16), số mã sử dụng, công suất truyền, TTI (lấy 2ms).

 Thiết lập kênh : có 3 loại được xác định :

 Deterministic fading : sử dụng theo mô hình Hata hay COST231, tần số và chiều cao anten.

 Shadow fading

 Fast fading

 Thiết lập thiết bị người dùng : thông số cần thiết cho loại thiết bị sử dụng được thiết lập ở đây.

 General : các category được xác định theo yêu cầu mô phỏng.

 Movement : tốc độ người sử dụng.

 Receiver.

 Traffic.

 Mô phỏng : R’99 modeling.

3.2.2.2. Mô phỏng

Hình 3.2 mô tả việc tính toán HSDPA.Trước tiên ta phải tìm được SNR, sau đó tìm CQI theo SNR vừa tìm được, tiếp là xác định BLER và Transport block size (TBS), cuối cùng là tính tốc độ của HSDPA.

Hình 3.2. Tổng quát những bước cơ bản trong mô phỏng

 Mô hình hệ thống HSDPA 1. SNR

SNR của hệ thống HSDPA SISO được tính toán như sau:

        + − = 10 10+ 10 int int 10 10 log 10 total er ra I I I TX P SNR (3.1) Khi đó: Ltotal = L (d) + S + M (3.2) Với L (d) = Linit + 10*n*log10(d).

-L (d) là tổn hao do khoảng cách gây ra. -Linit là tổn hao tại 1km.

-n hệ số suy hao.

-d là khoảng cách giữa UE và Node B (km). -S tổn hao Shadowing (dB).

-M là tổn hao do Multipath Fading (dB). -Iintra là nhiễu cell (dBm).

-Iinter là nhiễu do các cell lân cận gây ra (dBm).

Load settings and Precalculations SNR SNR to CQI mapping Release 99 data rate BLER calculation HSDPA data rate CQI to TBS mapping

Để tìm công suất hao tổn do khoảng cách gây ra, ta sử dụng mô hình suy hao Hata-Okumura. Mô hình thực nghiệm này là những phương tiện cơ bản cho việc tính toán suy hao truyền dẫn.

 Mô hình Hata-Okumura

Mô hình Hata-Okumura là quan hệ thực nghiệm được rút ra từ báo cáo kỹ thuật của Okumura cho phép sử dụng các kết quả vào các công cụ tính toán. Báo cáo của Okumura bao gồm một chuỗi các lưu đồ được sử dụng để lập mô hình thông tin vô tuyến. Dựa trên các đo lường được thực hiện bởi Y.Okumura ở Tokyo tại tần số 1920 MHz, các đo lường này vừa khớp với mô hình toán học của M.Hata.

Trong mô hình này, ban đầu suy hao đường truyền được tính bằng cách tính hệ số điều chỉnh Anten cho các vùng đô thị là hàm của khoảng cách giữa trạm gốc, trạm di động và tần số. Hệ số này được đưa vào suy hao không gian tự do. Kết quả được điều chỉnh bằng các hệ số cho độ cao anten trạm gốc và trạm di động. Ngoài ra, các hệ số điều chỉnh được cấp cho hướng phố, các vùng ngoại ô, các vùng mở và các địa hình không đều.

Biểu thức toán học được sử dụng trong mô hình Hata-Okumura để xác định tổn hao trung bình Lp:

Lp= 69,55 + 26,16lgfc – 13,82lghb – a(hm) + (44,9 – 6,55lghb)lgr [dB] (3.3) Trong đó:

+ fc: tần số hoạt động (MHz); Lp: tổn hao trung bình

+ hb: độ cao anten trạm gốc (m); hm: độcao anten trạm di động (m) + r : bán kính cell (khoảng cách từ trạm gốc) (km)

+ a(hm): hệ số hiệu chỉnh cho độ cao anten di động (dB)

 Dải thông số sử dụng được cho mô hình Hata là:

150 ≤ fc ≤ 1500 MHz; 30 ≤ hb ≤ 200 m; 1 ≤ hm≤ 10 m; 1 ≤ r ≤ 20 km. Với a(hm) tính như sau:

•Đối với thành phố nhỏ và trung bình:

a(hm) = (1,11lgfc -0,7)hm – (1,56lgfc – 0,8)dB (3.4)

•Đối với thành phố lớn:

a(hm) = 8.29(lg1,54hm)2 – 1,1 dB fc ≥ 200 MHz (3.5) hay: a(hm) = 3,2(lg11,75hm)2 – 4,97 dB fc ≥ 400 MHz (3.6)

Như vậy, trong chương trình mô phỏng ta tính được tổn hao do khoảng cách gây ra theo mô hình Hata ở :

 Tần số fc = 1950 Hz.

 Chiều cao của BS hb = 30 m.

 Chiều cao của UE = 1.5 m.

L = 137.4 + 35.2*log10(distanceUEBS/1000) (3.7)

2. SNR to CQI

Bước tiếp theo là tính toán giá trị của CQI dựa vào SNR. 0, SNR ≤ -16

CQI = SNR/1.02 + 16.62 -16≤ SNR ≤ 14 (3.8)

30 14 ≤ SNR Mỗi giá trị của CQI, ta sẽ tìm được TBS tương ứng.

3. CQI to TBS

Sẽ có từng bảng cụ thể cho từng category để từ đó ta có thể sử dụng để xác định đúng các giá trị của TBS .

Bảng 3.1. Bảng CQI cho category UE từ 12

CQI value Transport Block Size Nr of HS-PDSCH Modulation 0 N/A 4QAM 1 356 1 4QAM 2 356 1 4QAM 3 356 1 4QAM 4 356 1 4QAM 5 699 1 4QAM 6 699 1 4QAM 7 699 2 4QAM 8 936 2 4QAM 9 980 2 4QAM 10 1311 3 4QAM 11 1446 3 4QAM 12 1604 3 4QAM 13 1926 4 4QAM 14 2419 4 4QAM 15 3319 5 4QAM 16 3319 5 4QAM 17 3319 5 4QAM 18 3319 5 4QAM 19 3319 5 4QAM 20 3319 5 4QAM

21 3319 5 4QAM 22 3319 5 4QAM 23 3319 5 4QAM 24 3319 5 4QAM 25 3319 5 4QAM 26 3319 5 4QAM 27 3319 5 4QAM 28 3319 5 4QAM 29 3319 5 4QAM 30 3319 5 4QAM 4. BLER

Block Error Radio (BLER) được dung để tính trực tiếp thông lượng của HSDPA. Theo [6], BLER dưới điều kiện nhiễu AWGN với điều chế mã turbo, được tính xấp xỉ theo công thức:

( 1) 1,03 17,3 log 2 log 3 0,7 10 10 − + − −

≈ CQI BLER− CQI

SNR [dB] (3.9)

 BLER.

5. HSPDA data rate

Tất cả các bước đã xong trong mô phỏng, bây giờ HSDPA data rate sẽ được tính toán. Điều cần phải lưu ý là TTI = 2ms .HSDPA data rate:

( BLER) ms TBS Rf = .1− 2 1 . (3.10)

3.2.2.3. Sơ đồ thuật toán.

a. Sơ đồ thuật toán chương trình chính

58

Y

Y Begin

Tính SNR, CQI

Hiện thị ‘không đúng,yêu cầu nhập lại ’

Tính tổn hao Multiple fading, tổng tổn hao cho đường truyền

Tính BLER, TBS, Thông lượng ( R) CQI < 0

CQI > 30 0

Xác định thông số đầu vào, chọn môi trường làm việc

Xác định thông số đầu vào Multiple fading Xác định thông số đầu vào

tính tổn hao do Shadowing

Xuất kết quả N

b. Sơ đồ thuật toán chương trình con.

1. Chương trình con ‘Xác định thông số đầu vào, chọn môi trường làm việc’. 59 Y Y Y Y Y Y N N N N N N Begin Nhập thông số cố định dung trong mô phỏng

Chọn môi trường multipath

Case -4 Case -3 Case -2 Case -1 Case 0 Case 1 Case 2 Vận tốc của UE (km/h) Tốc độ default = ‘3’ Môi trường = “Ray_cor”

Vận tốc của UE (km/h) Tốc độ default = ‘10’ Môi trường = “Ray_no_cor”

Vận tốc của UE (km/h) Tốc độ default = ‘3’ Môi trường = “Case 1”

Vận tốc của UE (km/h) Tốc độ default = ‘3’ Môi trường = “Case 2”

Vận tốc của UE (km/h) Tốc độ default = ‘3’ Môi trường = “Ind_A” Vận tốc của UE (km/h)

Tốc độ default = ‘3’ Môi trường = “Case 3”

Vận tốc của UE (km/h) Tốc độ default = ‘3’

Y

2. Chương trình con ‘Xác định thông số đầu vào Multiple fading’. 60 Y Y Y Y Y Y Y N End Case 5 Case 6 Case 9 Case 8 Case 4 Case 7 Case 3 Vận tốc của UE (km/h) Tốc độ default = ‘50’ Môi trường = “urban” Vận tốc của UE (km/h)

Tốc độ default = ‘120’ Môi trường = “Rural” Vận tốc của UE (km/h)

Tốc độ default = ‘120’ Môi trường = “Veh_B” Vận tốc của UE (km/h) Tốc độ default = ‘120’ Môi trường = “Veh_A” Vận tốc của UE (km/h) Tốc độ default = ‘3’ Môi trường = “Ped_B” Vận tốc của UE (km/h) Tốc độ default = ‘3’ Môi trường = “Ped_A”

Vận tốc của UE (km/h) Tốc độ default = ‘120’ Môi trường = “Hilly”

Nhập tốc độ, khoảng cách, thời gian

Đổi tốc độ ra m/s, tính tổn hao do khoảng cách, hiển thị kết quả A A N N N N N N Begin

Tính tổng số mẫu trong cả quá trình mô phỏng

Tính số mẫu trên một TTI Tính tần số Dopper.

3. Chương trình con ‘Xác định thông số đầu vào & tính toán tổn hao do Shadowing’.

3.2.2.4. Giao diện mô phỏng

Tính các hệ số cần thiết cho Shadowing

Tính tổn hao do shadowing gây ra

End Begin

Hình 3.3. Giao diện chọn mode cần mô phỏng

Hình 3.4. Giao diện lựa chọn thông số mô phỏng

3.2.3. Kết quả mô phỏng

Hình 3.5 chỉ ra kết quả mô phỏng thông lượng cell của DCH, HSDPA, tổng thông lượng cell (bằng tổng thông lượng của cả DCH và HSDPA).

Thông số dùng để mô phỏng :

 Khoảng cách từ Node-B đến UE là 500m.

 Công suất của HSDPA từ 3 đến 8 W.

 Công suất max của Node-B là 20 W.

 Type Urban model

 5 code sử dụng trong HS-DSCH.

 Typical Urban (môi trường đô thị), vận tốc UE = 3 km/h, trace length =60s, d = 500m

Hình 3.5. Thông lượng trung bình theo công suất HSDPA trên 1 cell.

Hình 3.6.Thông lượng trung bình theo công suất HSDPA trên 1 cell. Hình 3.6 cho thấy hiệu suất cell trung bình trên HSDPA và DCH đối lập với công suất được cấp, cũng như hiệu suất tổng các cell và đó là tổng hiệu suất trên HSDPA và DCH. Hiệu suất cell HSDPA tăng công suất HSDPA nhiều hơn so với được cấp phát, trong khi đó hiệu suất DCH giảm vào cùng thời điểm đó. Hiệu suất tổng của cell là 1.3 Mbps đối với công suất cấp phát 7-W HSDPA. Vì vậy với HSDPA sử dụng mã 5 HS-PDSCH thì nó mang một dung lượng lớn hơn hơn so với phiên bản 99 là 70%, phiên bản này chỉ mang lại dung lượng kênh là 780 Kbps. Dung lượng tăng như vậy là vì HSDPA có sử dụng hai phương pháp tương quan nhanh và HARQ, thêm vào đó có cơ chế phân tập đa người dùng có sử dụng cơ chế lập lịch cân bằng theo tỷ lệ. Vì vậy đó là một dẫn chứng để nói rằng công suất HSDPA đối lập với DCH dựa trên tài nguyên truyền chung được chia sẻ như thế nào giữa hai loại kênh. Tuy nhiên hiệu suất cell tổng không thay đổi nhiều lắm với công suất truyền HSDPA được cấp phát.

Hình 3.7. Thông lượng trung bình theo công suất HSDPA trên 1 cell. Typical Urban, vận tốc UE = 3km/h, Trace length = 1s, d =400m.

Hình 3.8. Thông lượng trung bình theo công suất HSDPA trên 1 cell. Typical Urban, vận tốc UE = 3km/h, Trace length = 60s, d =200m.

Hình 3.9. Thông lượng trung bình theo công suất HSDPA trên 1 cell.

Nhận xét:

 Ta thấy, khi sử dụng category 12 để mô phỏng thì kết quả nhận được cũng có khác biệt so với lý thuyết. Theo như lý thuyết, thông lượng lớn nhất có thể đạt được khi sử dụng category 12 là 1.8 Mbps [10]. Nhưng qua mô phỏng ta chỉ đạt được thông lượng lớn nhất chỉ đạt 1.7 Mbps cho 7 W công suất HSDPA .Sự sai khác này là do ta xét trong môi trường multifading, 5 mã được sử dụng điều chế [10].

 Nhìn hình vẽ, thông lượng HSDPA của cell tăng khi công suất truyền tăng.Trong khi đó thông lượng DCH lại giảm trong mô phỏng.Vì vậy, ta cần phải điều chỉnh việc sử dụng tài nguyên cho hai loại này để được tốc độ cao nhất.

 Khoảng cách từ Node-B đến UE cũng ảnh hưởng đến thông lượng. Nếu so sánh hai UE ở hai khoảng cách khác nhau thì UE nào có khoảng

cách đến Node-B gần hơn thì tốc độ download đạt được sẽ cao hơn, nhìn lại các hình phía trên.

 Đồng thời, qua mô phỏng thì ta cũng thấy được dường như khoảng cách không ảnh hưởng nhiều đến thông lượng của DCH.

3.5. Kết luận chương

Qua chương này, ta đã tìm hiểu được tốc độ của HSDPA. Qua đó cũng thấy được sự tương quan về thông lượng giữa kênh DCH và kênh HSDPA, để từ đó có thể dễ dàng quản lý cũng như phân phát tài nguyên cho mạng một cách hợp lý nhất.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

trong tương lai tạo ra nhiều cơ hội phát triển cho ngành viễn thông. Trong bối cảnh hội nhập hiện nay ở nước ta, việc nắm bắt và triển khai công nghệ mới này là hết sức cần thiết.

Với đồ án này, em đã đi vào tìm hiểu công nghệ HSDPA .  Sự phát triển và tương lai của công nghệ HSDPA

Chính thức được đưa vào hoạt động lần đầu tiên vào năm 2005, tính đến cuối năm 2011 đã có 405 nhà cung cấp các sản phẩm ứng dụng công nghệ HSDPA, trong đó có rất nhiều sản phẩm điện thoại di động.

Với những cải tiến mang tính đột phá, HSDPA là một công nghệ đang được chú trọng phát triển. Trên thực tế, thị trường của HSDPA phát triển mạnh mẽ nhất, đặc biệt là ở giai đoạn khởi đầu, là ở những nước phát triển, nơi có lượng khách hàng khổng lồ sử dụng điện thoại di động chất lượng cao. Lý do là vì những chiếc điện thoại HSDPA sẽ có giá thành cao hơn hẳn những chiếc điện thoại thông thường – được nhắm vào thị trường những nước phát triển thấp hơn.

Nhu cầu sử dụng điện thoại HSDPA được mong đợi là sẽ đạt con số 150 triệu chiếc, theo phân tích của IDC. Hơn nữa, theo Strategic Analytics, đến năm 2011, 70% điện thoại 3G sẽ sử dụng HSDPA.

Tuy nhiên, sẽ mất nhiều thời gian để HSDPA thực sự trở nên phổ biến. Tính đến cuối năm 2005, hầu hết các nước trên thế giới không có mạng 3G. Rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động đang cố gắng triển khai mạng 3G và có thể được nâng cấp thành mạng 3.5G theo nhu cầu của thị trường.

Xét về lâu dài, tương lai và sự thành công của công nghệ HSDPA vẫn còn khá mù mờ, bởi đây không phải là công nghệ download và truyền tải dữ liệu duy nhất được phát triển tại thời điểm này. Hơn nữa, những công nghệ truyền thống như CDMA2000 1xEV-DO và WiMax đang là những chuẩn công nghệ có nhiều triển vọng hơn. Do là một phiên bản nâng cấp của W- CDMA, HSDPA không có nhiều khả năng thành công tại những nơi mà W- CDMA đã được phát triển. Do đó, thành công cuối cùng của HSDPA như một

sản phẩm của công nghệ 3.5G sẽ phụ thuộc rất nhiều vào sự thành công của W-CDMA với tư cách là một sản phẩm của công nghệ 3G [13].

 Đồ án đã tìm hiểu cơ bản những vấn đề lý thuyết như sau:

- Tình hình phát triển của các hệ thống thông tin di động WCDMA

- Mô tả tổng quan về mạng thông tin di động HSDPA, dựa trên nền công