Mỗi UE điều khiển công suất truyền của nó trong giới hạn cực đại dựa trên thông tin mức công suất của nó và phép đo SIR. Thuật toán DPC điều khiển mức SIR của tất cả các thuê bao để đạt được SIR yêu cầu nếu có thể.
Chúng ta đề xuất thuật toán điều khiển công suất phân tán mới sử dụng tham số thay đổi từ thuật toán truyền thống để cải thiện hiệu quả của nó. Hàm công suất mới là vấn đề chính cần thiết để đạt được mức SIR tối thiểu. Nếu SIR của UE trên mức cực tiểu trong suốt thời gian điều khiển công suất thì ít nhất một kết nối UE – BS sẽ bị cắt. Do vậy, tốc độ hội tụ liên quan đến dung lượng hệ thống.
36 Pi (0) = P0i Pi (n+1) = ek (T - i (n)) * Pi (n) hay Pi (n+1) (dBm)= ek (T - i (n)) (dBm) + Pi (n) (dBm) (2.15) Trong đó, k là tham số dương (được khảo sát kỹ trong [12]) nếu k quá lớn tốc độ hội tụ sẽ chậm, nếu k quá nhỏ SIR sẽ dao động. Chúng ta có thể đạt được tốc độ hội tụ nhanh hơn bằng cách tối ưu hoá k. P0i là công suất truyền ban đầu của thuê bao, Pi
(n+1)
là công suất truyền của thuê bao thứ i trong vòng lặp thứ n, i (n)
(dB) là SIR của thuê bao thứ i tại vòng lặp thứ n.
Có các trường hợp sau :
Trường hợp 1: i(n) < T Pi(n+1) < Pi(n) (2.16) Trường hợp 2: i(n) > T Pi(n+1) > Pi(n) (2.17)
Trường hợp 3: i(n) = T Pi(n+1) = Pi(n) (2.18) Mục đích chính của thuật toán này là tăng hay giảm công suất truyền của UE liên quan SIRi ( i) được nhận bởi trạm M. Bằng cách điều chỉnh thông số k trong hàm điều khiển công suất, hệ thống sẽ thoả mãn các yêu cầu vận hành khác nhau.
Như vậy, thuật toán điều khiển công suất phân tán DPC dựa trên giá trị SIR đích, các giá trị SIR đo được sẽ được hội tụ về giá trị SIR đich đó. Khi đó, công suất phát của UE sẽ không đổi theo thời gian.
2.5. Kết luận
Phương pháp điều khiển công suất theo bước động DSSPC đã tập trung vào điều khiển công suất truyền bằng cách dùng khái niệm ngưỡng nhiều mức, các lệnh điều khiển công suất TPC. Bước động bù cho sự chậm của phương pháp điều khiển công suất cố định nhưng cũng cần sự bù nhanh của công suất truyền trong cửa sổ công suất chấp nhận được, cân bằng sự ổn định của hệ thống.
Phương pháp điều khiển công suất phân tán DPC cũng dùng thông tin về tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa SIR nhưng mức ngưỡng SIRi được điều chỉnh cho phù hợp với từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng đường truyền tốt nhất. Do đó DPC có khả năng đạt được mức SIR yêu cầu và hệ thống hoạt động ổn định hơn các phương pháp điều khiển công suất truyền thống.
37
Chương 3
LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN & TÍNH TOÁN 3.1. Giới thiệu chương
Chương trước đã tập trung tìm hiểu hai thuật toán điều khiển công suất trong hệ thống thông tin di động WCDMA: thuật toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC và điều khiển công suất phân tán DPC. Đó là nền tảng để tiến hành xây dựng lưu đồ thuật toán và tính toán nhằm mục đích kiểm chứng lại lý thuyết điều khiển, đồng thời mang lại cái nhìn trực quan về hai thuật toán này. Ngoài ra, quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên trong hệ thống WCMDA cũng sẽ được khảo sát trong chương này. Đây là bài toán quan trọng giúp cho việc tính toán vùng phủ sóng cũng như quy hoạch dung lượng của hệ thống sau này.
3.2. Tổng quan
Chương này sẽ từng bước khảo sát các vấn đề sau đây:
Khảo sát quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên trong WCDMA cho các tốc độ bit khác nhau với các tham số được mặc định sẵn. Đặc biệt, người dùng có thể tùy ý thay đổi các thông số này để tính toán quỹ đường truyền trong một giới hạn cho phép.
Mô hình tính toán điều khiển công suất theo hai thuật toán DSSPC và DPC với giả thiết có từ 1 tới 7 UE đang đồng thời kết nối với trạm gốc trong một cell.
3.3. Quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên trong hệ thống WCDMA
Quỹ đường truyền được sử dụng để tính toán vùng phủ và chất lượng cho trạm gốc và trạm di động. Các thông số quan trọng nhất trong quỹ đường truyền vô tuyến là:
▪ Dự trữ nhiễu: Cần có dự trữ nhiễu trong quỹ đường truyền vì tải của cell, hệ số tải tác động lên vùng phủ sóng. Nếu cho phép tải càng lớn thì càng cần nhiều dự trữ nhiễu ở đường lên và vùng phủ sóng càng nhỏ. Đối với các trường hợp bị giới hạn bởi vùng phủ thì cần đề xuất dự trữ nhiễu nhỏ. Trong khi đó, đối với các trường hợp bị hạn chế bởi dung lượng thì cần có độ dự trữ nhiễu cao. Trong các trường hợp chịu sự hạn chế vùng phủ này thì kích cỡ của cell bị hạn chế bởi tổn hao
38 đường truyền cho phép cực đại trong trong quỹ đường truyền và dung lượng cực đại của giao diện vô tuyến của BS không được sử dụng.
▪ Dự trữ fading nhanh: Cần có một lượng dự trữ fading nhất định ở công
suất phát UE để duy trì điều khiển công suất nhanh vòng kín tương ứng. Điều này đặc biệt áp dụng cho fading chậm khi UE người đi bộ chuyển động chậm có thể bù trừ hiệu ứng fading nhanh. Giá trị điển hình của dự trữ fading nhanh là 2-5 dB cho các UE chuyển động chậm.
▪ Độ lợi chuyển giao mềm: Chuyển giao mềm hay cứng đảm bảo một độ lợi để chống lại fading (fading log chuẩn) bằng cách giảm dự trữ fading log chuẩn. Sở dĩ như vậy vì fading chậm thường không tương quan giữa các trạm gốc và bằng cách chuyển giao, UE có thể chọn BS tốt hơn. Chuyển giao mềm cung cấp độ lợi phân tập vĩ mô bổ sung để chống lại fading nhanh bằng cách giảm liên quan đến một đường truyền đơn nhờ việc kết hợp của phân tập vĩ mô. Tổng độ lợi của chuyển giao mềm được giả thiết rằng bằng 2-3 dB, bao gồm độ lợi chống lại fading chậm và nhanh.
Như vậy, qua hình 3.2 có thể thấy rằng việc tính toán quỹ đường truyền nhằm xác định suy hao đường truyền cực đại cho phép là một yếu tố vô cùng quan trọng để từ đó xây dựng vùng phủ sóng cho hệ thống WCDMA.
Hình 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới vùng phủ đường lên Độ nhạy
máy thu BS Băng tần thu,
máy thu RF, anten…
Yêu cầu dung lượng đường
lên
Tốc độ bit Phân tập: đa
đường, anten, macro… Công suất phát MS Dự trữ nhiễu Độ lợi xử lý Dự trữ fading
Suy hao đường truyền cực đại cho phép (dB) Mô hình lan truyền Tần suất phủ yêu cầu Cự ly cell cực đại (km)
39 Mục này sẽ khảo sát quỹ đường truyền hướng lên cho các dịch vụ UMTS: dịch vụ thoại 12.2 kbit/s sử dụng codec tiếng ARM (thuê bao đi xe ô tô tốc độ 120km/h và có chuyển giao mềm); dịch vụ số liệu thời gian thực 144kbit/s (thuê bao trong nhà có tốc độ 3km/h, được phủ sóng bởi BS ngoài trời, có chuyển giao mềm); dịch vụ số liệu phi thời gian thực 384kbit/s (thuê bao ở ngoài trời có tốc độ 3km/h và không có chuyển giao mềm). Các tham số của quỹ đường truyền được cung cấp ở bảng dưới đây. Giá trị của các tham số này được cho trong [2].
Thông số Công thức 12.2kbit/s 144kbit/s 384kbit/s
Máy phát MS
Công suất phát cực đại (dBm) a 21 24 24
Hệ số khuyếch đại anten MS (dBi) b 0 2 2
Tổn hao cơ thể (dB) c 3 0 0
EIRP (dBm) d = a + b - c 18 26 26
Máy thu trạm gốc BS
Mật độ phổ tạp âm nhiệt (dBm/Hz) e -174 -174 -174
Hệ số tạp âm máy thu trạm gốc (dB) f 5 5 5
Mật độ phổ tạp âm máy thu (dBm/Hz) g = e + f -169 -169 -169
Công suất tạp âm máy thu (dBm) h = g + 10lg(3840000) -103.2 -103.2 -103.2
Dự trữ nhiễu (dB) k 3 3 3
Tổng tạp âm hiệu dụng cộng nhiễu (dBm) i = h + k -100.2 -100.2 -100.2
Độ lợi xử lý (dB) j= 10lg(3840/Rt) 25 14.3 10
yêu cầu (dB) l 5 1.5 1
Độ nhạy máy thu (dBm) m = l – j + i -120.2 -113 -109.2
Các phần tử khác
Hệ số khuếch đại anten trạm gốc (dB) n 18 18 18
Tổn hao cáp ở BS (dB) o 2 2 2
Dự trữ fading nhanh p 0 4 4
Tổn hao đường truyền cực đại (dB) q = d – m + n –o - p 154.2 151 147.2
Dự trữ fading log chuẩn (dB) r 7.3 4.2 7.3
Độ lợi chuyển giao mềm (dB) s 3 2 0
Tổn hao trong nhà t 8 15 0
Tổn hao truyền sóng cho phép đối với vùng phủ của cell (dB)
u = q –r + s - t 141.9 133.8 139.9
Bảng 3.1 Quỹ đường truyền tham khảo cho các dịch vụ UMTS Từ bảng trên có thể rút ra những nhận xét như sau:
40 ▪ Quỹ đường truyền tham khảo cho dịch vụ thoại 12.2kbit/s ARM không có dự trữ fading nhanh vì tại tốc độ 120km/h điều khiển công suất không bù được fading. Thông thường tốc độ thấp của UE là yếu tố để giới hạn dự trữ fading nhanh.
▪ yêu cầu phụ thuộc vào tốc độ bit, dịch vụ, đặc điểm của tuyến đa đường truyền, tốc độ máy di động, thuật toán thu và cấu trúc anten trạm BS. Đối với các UE có tốc độ thấp thì yêu cầu thấp.
▪ Công suất phát UE trong các trường hợp tốc độ bit lớn thì cao hơn so với tốc độ bit bé.
▪ Độ lợi xử lý trong các trường hợp cũng khác nhau. Tốc độ bit càng thấp thì độ lợi xử lý càng cao và ngược lại.
Dưới đây là giao diện của quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên cho tốc độ bit 12.2 kbit/s với các tham số được mặc định sẵn.
Hình 3.3 Quỹ đường truyền vô tuyến hướng lên ứng với tốc độ 12.2 kbit/s Ngoài các tham số được mặc định sẵn thì người dùng có thể tự tạo cho mình các thông số tùy ý bằng cách kích hoạt phím “nhập mới”. Việc nhập mới này phải nằm trong một khoảng giá trị cho phép nhằm đảm bảo tính hợp lý cho chương trình. 3.4. Mô hình tính toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC và điều khiển công suất phân tán DPC trong hệ thống WCDMA
41
3.4.1. Thông số đầu vào
+ Nhập số lượng UE có kết nối với trạm gốc phục vụ: NUE ( 0 < NUE < 8) + Khởi tạo ngẫu nhiên vectơ (P1, P2, …, PNUE) Pmax là công suất ban đầu
của NUE UE.
+ Nhập tốc độ dữ liệu của UE.
+ Nhập các thông số của máy phát UE.
+ Nhập các thông số của máy thu trạm gốc BS.
Các thông số đầu vào được người dùng nhập ở form “ Nhập số liệu” trước khi thực hiện điều khiển công suất hệ thống. Trong chương trình này có hỗ trợ ba bộ dữ liệu hệ thống WCDMA tham khảo tương ứng với ba tốc độ dữ liệu khác nhau của UE: 12.2 kbit/s, 144kbit/s, 384kbit/s. Dưới đây là giao diện của form “nhập số liệu” trong chương trình.
Hình 3.6 Giao diện của form nhập số liệu để thực hiện việc điều khiển công suất Trong hình 3.6 trên, các thông số đầu vào đã được mặc định sẵn cho tốc độ 144kbit/s và số lượng UE kết nối đồng thời với trạm gốc trong cell là 5.
Cũng giống như bài toán quỹ đường truyền hướng lên, ở form “nhập số liệu” này cũng cho phép người dùng có thể tự điều chỉnh các thông số điều khiển. Và các thông số này cũng nằm trong một khoảng giá trị cho phép và buộc người dùng phải
42 thiết lập trong khoảng đó. Khi người dùng nhập thông số không đúng như khoảng giá trị giới hạn thì sẽ được yêu cầu nhập lại thông số đó.
3.4.2. Các công thức tính toán trong chương trình [2]
Khuếch đại công suất di động
Pma = Pme - Lm + Gm [dBm] (3.1) Trong đó:
Pma : Công suất ra của bộ khuếch đại công suất di động [dBm]. Pme : EIRP từ anten phát của UE [dBm].
Lm : Suy hao cáp giữa đầu ra của bộ khuếch đại công suất và đầu vào của anten UE [dB].
Gm : Tăng ích anten phát UE [dBm]. Công suất thu ở BS trên người sử dụng
Pr = Pme - Lp - Al + Gt - Lt [dBm]. (3.2) Trong đó:
Pr : Công suất kênh lưu lượng thu tại BS phục vụ từ UE [dBm]. Lp : Tổn hao truyền sóng trung bình giữa UE và BS [dB].
Al : Suy hao fading chuẩn loga [dB]. Gt : Tăng ích anten thu BS [dB].
Lt : Tổn hao conector và cáp thu của BS [dB]. Mật độ công suất của các UE khác ở BS phục vụ
Iutr = Pr + 10*lg(Nt - 1) + 10*lgCa – 10*lgBw [ dBm/Hz ] (3.3) Trong đó:
Iutr : Mật độ nhiễu giao thoa từ các UE khác ở BS phục vụ [dBm/Hz]. Ca : Hệ số tích cực thoại kênh lưu lượng (0,4 ÷ 0,6).
Nt : Số kênh lưu lượng trong cell đang xét . Bw : Độ rộng băng tần [Hz].
Mật độ nhiễu giao thoa từ các trạm di động ở các BTS khác
Ictr = Iutr + 10*lg(1/ fr -1 ) [dBm/Hz] (3.4) Trong đó:
Ictr : Mật độ nhiễu giao thoa từ các UE ở các BS khác. [dBm/Hz] fr : Hệ số tái sử dụng tần số (0,6).
Mật độ nhiễu giao thoa từ các UE khác tại BS đang phục vụ và từ các BS khác
43 Trong đó:
Itr : Mật độ nhiễu giao thoa từ các UE khác đến BS đang phục vụ và từ các BS khác [dBm/Hz].
Mật độ tạp âm nhiệt
N0 = 10* lg (290 * 1,38 . 10 -23) + Nf + 30 [dBm/Hz] (3.6) Trong đó:
N0 : Mật độ tạp âm nhiệt tại nhiệt độ tham khảo 290 oK. Nf : Hệ số tạp âm của máy thu BS [dB].
Mật độ phổ công suất nhiễu
I0 = 10*lg ( 10 0,1* Itr + 10 0,1* N0 ) [dBm/Hz] (3.7) Tính SIR w o r .B I P SF SIR (3.8) với: I = I0 * Bw hay SIR = SF (dB) +Pr (dBm) – Io – 10*lg(Bw) [dB]
3.4.3. Tính toán điều khiển công suất theo bước động DSSPC 3.4.3.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển
Lưu đồ thuật toán điều khiển (hình 3.8) với các thông số được giả thiết khởi tạo ban đầu là:
SIRmax = 33 dB SIRopt_max = 27 dB SIRopt_min = 19 dB SIRmin = 8 dB alpha( ) = 0.5 petamax(βmax) =2 petamin(βmin) = 1 gamma () = 1
số bước lặp điều khiển là số lần lặp của bộ timer1. Các giá trị trên tham khảo trong [5].
Những thông số này có thể được thiết lập lại ở Form “Nhập số liệu” theo tuỳ chọn của người điều khiển đối với hệ thống cần điều khiển. Chương trình mô phỏng sẽ nhận các thông số đầu vào, áp dụng các công thức tính toán trong mục (3.4.2) vào lưu đồ thuật toán để điều khiển công suất.
44 Việc điều khiển theo bước động DSSPC phải luôn đảm bảo theo nguyên tắc sau: Pmin ≤ Pđk ≤ Pmax. Dưới đây là lưu đồ thuật toán của điều khiển công suất theo bước động DSSPC.
Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán của phương pháp DSSPC Sai
Sai
Sai
Lệnh giảm công suất truyền Pdki = Poi - .min
Đúng
lap NL
Kết thúc
Lệnh giảm công suất truyền Pdki = Poi - .max
Công suất nhận là tối ưu Pdki = Poi
Đúng Đúng
SIRopt_min SIR_reali
Đúng SIR_reali > SIR _max
SIRopt_max SIR_reali Pmin Pđki Pmax Đúng Sai Đúng lap = lap +1 Sai i = i + 1 Poi = Pdki i NUE
Lệnh tăng công suất truyền Pdki = Poi + .max
Sai
Đúng
Lệnh tăng công suất truyền Pdki = Poi + .min Sai SIR_min SIR_reali * Các thông số: + Pmax, NUE, NL(Nlap) + SIR_max, SIR_min,SIRopt_max, SIRopt_min. + (Po1,Po2,…,PoNUE) Pmax + , max, min lap = 1 Bắt đầu Các thông số i = 1 SIR_reali
45
3.4.3.2. Kết quả tính toán
Hình 3.9 Bảng thông số điều khiển công suất theo DSSPC
Đây là bảng tính toán các thông số trước và sau quá trình điều khiển công suất theo bước động DSSPC.
Thông số trước khi điều khiển công suất
+ Số lượng UE kết nối đồng thời với trạm gốc phục vụ là 5, được đánh theo số thứ tự từ UE1 tới UE5.
+ Công suất phát của mỗi UE được lấy ngẫu nhiên trong khoảng [-30,18]. Công suất này chính là Pme được dùng trong công thức (4.1) và (4.2).
+ Giá trị SIR trước điều khiển được tính theo các công thức trong mục (4.5.2).
+ SIRmax = 33 dB, SIRopt_max = 27 dB, SIRopt_min = 19 dB, SIRmin = 8 dB, α =