4.3.1. Điều khiển cơng suất cho đường lên
4.3.1.1. Khái quát
Điều khiển cơng suất đường lên tác động lên các kênh truy nhập và lưu lượng. Nĩ được sử dụng để thiết lập đường truyền khi khởi tạo cuộc gọi và phản ứng lên các thăng giáng tổn hao đường truyền lớn. Điều khiển cơng suất đường lên gồm điều khiển cơng suất vịng hở (cịn gọi là điều khiển cơng suất tự quản), điều khiển cơng suất vịng kín (điều khiển cơng suất nhanh), điều khiển cơng suất vịng ngồi và điều khiển cơng suất vịng trong.
4.3.1.2. Điều khiển cơng suất vịng hở
Điều khiển cơng suất vịng hở được sử dụng trong WCDMA cho việc thiết lập năng lượng ban đầu cho MS. Trạm di động sẽ tính tốn suy hao đường truyền giữa các trạm gốc và trạm di động bằng cách đo cường độ tín hiệu nhận sử dụng mạch điều khiển độ tăng ích tự động (AGC). Tuỳ theo sự tính tốn suy
của nĩ. Điều khiển cơng suất vịng hở cĩ ảnh hưởng trong hệ thống WCDMA bởi vì đường lên và đường xuống là tương hỗ.
Quá trình điều khiển cơng suất vịng hở như sau:
a. Bản tin thơng số truy nhập
Sau khi trạm di động đã bật nguồn, nĩ iên lạc với hệ thống bằng cách thu và sử dụng kênh hoa tiêu, kênh đồng bộ và kênh tìm gọi. Kênh tìm gọi cung cấp bản tin thơng số truy nhập trong đĩ định nghĩa các thơng số mà trạm di động cần sử dụng khi phát kênh truy nhập đến trạm gốc. các kênh truy nhập bao gồm:
Số kênh truy nhập.
Độ dịch cơng suất danh định (NOM_PWR). Độ dịch cơng suất ban đầu (INT_PWR). Kích cỡ nấc tăng cơng suất.
Số thăm dị cơng suất trên một chuỗi thăm dị truy nhập. Cửa sổ thời gian thăm dị giữa hai thăm dị truy nhập. Thời gian được ngẫu nhiên hĩa giữa hai thăm dị truy nhập. Thời gian được ngẫu nhiên hĩa giữa hai chuỗi thăm dị.
b. Trạng thái truy nhập
Trong khi ở trạng thái truy nhập trạm di động vẫn chưa được ấn định một kênh lưu lượng nên chưa cĩ điều khiển vịng kín. Khi này bản thân trạm di động khởi tạo một điều chỉnh cơng suất bất kỳ cho phù hợp với hoạt động của mình. (Ở giai đoạn này trạm di động khơng chịu mọi sự điều khiển trực tiếp từ trạm gốc). Tuy nhiên từ các thơng tin nhận được ở các kênh hoa tiêu, đồng bộ, tìm gọi bây giờ trạm di động cĩ thể thử truy nhập hệ thống qua một trong số vài kênh truy nhập hiện cĩ. Cần nhớ rằng mục đích hàng đầu hệ thống WCDMA là chỉ phát đủ cơng suất để đáp ứng được chất lượng cần thiết, vì nếu phát cơng suất hơn mức cần thiết thì trạm di động sẽ gây thêm nhiễu cho các người sử dụng khác trong cùng kênh WCDMA.
Trạm di động truy nhập vào hệ thống và thử phát một cơng suất rất nhỏ đến trạm gốc. Quy tắc chính là trạm di động phải phát cơng suất tỷ lệ nghịch với cơng suất mà nĩ thu được.
Khi thu được một hoa tiêu mạnh từ trạm gốc, trạm di động phát đi một tín hiệu yếu. Vì một tín hiệu thu mạnh tại trạm di động cĩ nghĩa là suy hao đường truyền xuống thấp. Như vậy nếu coi rằng suy hao đường truyền lên cũng như vậy thì cần phát đi một cơng suất thấp.
Khi thu được một hoa tiêu yếu từ trạm gốc, thì trạm di động phát đi một tín hiệu mạnh. Vì một tín hiệu thu yếu tại trạm di động cĩ nghĩa là suy hao đường truyền xuống lớn. Như vậy nếu coi rằng suy hao đường truyền lên cũng như vậy, thì trạm di động cần phát đi cơng suất cao để bù trừ tổn hao đường truyền. Quy tắc quan trọng này được cho ở hình 4.3.
Trạm di động sẽ phát thăm dị đầu tiên ở cơng suất trung bình được xác định theo cơng thức sau:
Tx = - Rx - k + (NOM_PWR - 16 x NOM_PWR_EXT) + INT_PWR [dBm]
trong đĩ: Tx : cơng suất phát trung bình [dBm]. Rx: cơng suất thu trung bình [dBm].
NOM_PWR: điều chỉnh danh định (trong dải -8 đến + 7 dB).
NOM_PWR_EXT: cơng suất danh định cho chuyển giao mở rộng [dB].
INT_PWR: điều chỉnh ban đầu (trong dải từ -16 đến +15dB) k = 72 dB cho tổ ong (băng loại 0)
Hình 4.3: Quy tắc điều khiển cơng suất.
Nếu INT_PWR bằng “0”, thì NOM_PWR-16xNOM_PWR_EXT sẽ là hiệu chỉnh cần để đảm bảo cơng suất thu phù hợp tại BS. NOM_PWR- 16xNOM_PWR_EXT cho phép quá trình đánh giá vịng hở được điều chỉnh cho các mơi trường khai thác khác nhau.
Các giá trị cho NOM_PWR, NOM_PWR_EXT, INT_PWR và kích cỡ bước của một hiệu chỉnh thăm dị PWR_STEP là các thơng số hệ thống được xác định trên bản tin các thơng số truy nhập. MS nhận được các thơng số này trước khi phát. Nếu kết quả của mọt bản tin hướng dẫn chuyển giao mở rộng hay bản tin hướng dẫn chuyển giao chung, các giá trị NOM_PWR và NOM_PWR_EXT thay đổi, MS sử dụng các giá trị NOM_PWR và NOM_PWR_EXT từ bản tin hướng dẫn chuyển giao mở rộng hoặc bản tin hướng dẫn chuyển giao chung.
73 Qui tắc: - Thu lớn, phát nhỏ - Thu nhỏ phát lớn 73 x Rx (dBm) Dung sai
Hình 4.4: Thử truy nhập, chuổi thăm dị ở điều khiển cơng suất.
Tồn bộ dải hiệu chỉnh NOM_PWR-16xNOM_PWR_EXT là -24 đến 7dB. Khi hoạt động tại băng loại “0”, được đặt vào “0” làm cho tồn bộ dải hiệu chỉnh từ -8 đến 7dB. Dải thơng số INIT_PWT là -16 đến 15dB với giá trị danh định là 0dB. Dải thơng số PWR_STEP là 0 đến 7dB. Độ chính xác của điều chỉnh đến cơng suất phát trung bình nhờ NOM_PWER, NOM_PWR_EXT, INT_PWR hay một hiệu chỉnh thăm dị truy nhập PWR_STEP phải là ±5dB hay 20%. Khuyết điểm chủ yếu của tiêu chuẩn này là các thống kê đường truyền lên được đánh giá trên cơ sở các thống kê đường truyền xuống. nhưng hai đường truyền này khơng tương quan, nên cĩ thể xảy ra sai số lớn trong thủ tục này. Tuy nhiên các sai số sẽ được hiệu chỉnh nhờ thực hiện điều khiển cơng suất vịng kín khi MS chiếm một kênh lưu lượng và bắt đầu xử lý các bít điều khiển cơng suất.
1 2 Trễ lùi Cửa sổ truy nhập(TA) Thời gian ngẫu nhiên (RT) Thăm dị 1 Thăm dị 3 Thăm dị 16 Thăm dị 2
Tiền tố truy nhập Bao bản tin
3
1-16
Khung 3-16Khung
Sau khi kết thúc cửa sổ thời gian cơng nhận (Ta). MS đợi thời gian ngẫu nhiên (RT) và tăng cơng suất phát một nấc. MS lại thủ một lần nữa. Quá trình này được lặp cho đến khi MS nhận được trả lời từ BS. Tuy nhiên tồn tại một số lần thăm dị cực đại trên từng chuỗi thăm dị và chuỗi thăm dị cực đại trên mỗi lần thử truy nhập.
Tồn bộ quá trình phát một bản tin và cơng nhận cho bản tin này được gọi là một thử truy nhập (Access Attempt). Mỗi lần phát trong khi thử truy nhập được gọi là thăm dị truy nhập (Probe Access). MS phát cùng một bản tin trong các lần thăm dị truy nhập ở một lần thử truy nhập. Mỗi lần thăm dị truy nhập chứa một tiền tố kênh truy nhập và bao (Capsule) kênh truy nhập. Trong một thử truy nhập, các thăm dị truy nhập gồm 16 thăm dị truy nhập, tất cả được phát trên cùng một kênh truy nhập.
Cĩ hai lý do cĩ thể dẫn đến MS khơng nhận được cơng nhận sau khi phát một thăm dị:
Mức cơng suất phát cĩ thể khơng đủ. Khi này chiến lược bước cơng suất tăng sẽ hỗ trợ việc giải quyết vấn đề này.
Cĩ thể cĩ va chạm do nhiều MS ngẫu nhiên cùng vào một kênh truy nhập. Lúc này thời gian đợi ngẫu nhiên sẽ giảm thiểu xác suất của các va chạm cĩ thể xảy ra.
d. Các bước thăm dị cơng suất
Nếu trạm gốc khơng cơng nhận hay khơng trả lời thử truy nhập thì sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên trạm di động sẽ phát cơng suất cao hơn. Sau đĩ nếu vẫn chưa được trả lời nĩ thử lại với cơng suất cao hơn và quá trình này được lặp lại nhiều lần cho đến khi đạt được trả lời từ trạm gốc. Mỗi bước tăng cơng suất Pi được gọi là một hiệu chỉnh cơng suất vịng hở. Lúc đĩ cơng suất phát của trạm di động được xác định như sau:
Tx = + + − + − − ) nhập truy dị thăm chỉnh hiệu lần các của suất cơng Tổng ( PWR _ INT ) EXT _ PWR _ xNOM 16 WR P _ NOM ( k Rx Thăm dị truy nhập
Hình 4.5: Các nấc hiệu chỉnh thăm dị truy nhập.
Thời gian trễ lùi (Back-off Delay) được tạo ra ngẫu nhiên giữa các chuỗi thăm dị truy nhập. Định thời giữa các thăm dị truy nhập của một chuỗi thăm dị truy thâm cũng được tạo ra ngẫu nhiên. Sau khi phát một thăm dị truy nhập, MS đợi TA. Nếu thu được cơng nhận, nĩ kết thúc thử truy nhập. Nếu khơng thu được cơng nhận, thăm dị tiếp theo được phát sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên (RT).
Nếu MS khơng thu được cơng nhận trong một lần thử truy nhập, lần thử này coi như thất bại và MS tiến hành lần thứ khác. Nếu MS nhận được cơng nhận từ BS, đăng ký và các thủ tục ấn định kênh lưu lượng được tiến hành.
MS hỗ trợ tồn bộ dải kết hợp các thơng số dịch ban đầu, NOM_PWR và các hiệu chỉnh thăm dị truy nhập ít nhất là ±32 dB cho MS hoạt động ở băng loại 0 và ±40dB cho MS hoạt động ở băng loại 1.
Các nguồn sai số ở điều khiển vịng kín là:
Giả thiết tính đảo lẫn của đường lên và đường xuống.
Sử dụng tổng cơng suất thu được kể cả cơng suất từ các trạm BS khác.
Thời gian phản ứng đối với pha đinh nhanh do nhiều đường chậm: 30ms nhưng khơng ảnh hưởng nhiều trong các hệ thống WCDMA bởi vì các kênh đường lên và đường xuống hoạt động trên các băng tần khác nhau và hiện tượng Phadinh Rayleigh trên đường lên và đường xuống độc lập nhau. Vậy điều khiển cơng suất vịng hở chỉ cĩ thể bù một cách đại khái suy hao do khoảng cách. Đĩ
Cơng suất khởi đầu +hiệu chỉnh vòng hở
Cơng suất khởi đầu Cơng suât khỏi đầu
lập năng lượng ban đầu trong hệ thống FDD.
4.3.1.3. Điều khiển cơng suất vịng kín a. Khái quát
Điều khiển cơng suất vịng khép kín, được gọi là điều khiển cơng suất nhanh trong các hệ thống WCDMA, cĩ nhiệm vụ điều khiển cơng suất phát của MS (đường lên), hay là cơng suất của trạm gốc (đường xuống) để chống lại phadinh của các kênh vơ tuyến và đạt được chỉ tiêu tỷ số tín hiệu trên nhiễu SIR được thiết lập bởi vịng bên ngồi. Chẳng hạn như trên đường lên, trạm gốc so sánh SIR nhận được từ MS với SIR mục tiêu trong mỗi khe thời gian (0,666ms). Nếu SIR nhận được lớn hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC “0” đến MS thơng qua kênh điều khiển riêng đường xuống. Nếu SIR nhận được thấp hơn mục tiêu, BS sẽ truyền một lệnh TPC “1” đến MS. Bởi vì tần số của điều khiển cơng suất vịng kín rất nhanh nên cĩ thể bù được phadinh nhanh và cả phadinh chậm.
Các nguồn pha đinh do nhiều đường truyền địi hỏi điều chỉnh cơng suất phải nhanh hơn nhiêu do với điều chỉnh cơng suất vịng hở. Các điều chỉnh cơng suất bổ sung để bù trừ tổn hại pha đinh được xử lý bởi cơ chế điều chỉnh cơng suất vịng kín đường lên với thời gian phản ứng là 1,25ms cho các bước 2dB và dải rộng 48dB (trong 3 khung). Thời gian phản ứng nhanh hơn cho phép cơ chế điều khiển cơng suất vịng kín vượt trội cơ chế điều khiển cơng suất vịng hở trong các ứng dụng thực tế. Ngồi cả hai cơ chế điều khiển cơng suất cho phép đạt được dải rộng ít nhất 80dB. Điều khiển cơng suất vịng kín đảm bảo hiệu chỉnh cho điều khiển cơng suất vịng hở. Sau khi đã khởi động các kênh lưu lượng, mỗi khi thu được bit điều khiển cơng suất trong kênh con điều khiển cơng suất (được ghép chung với kênh lưu lượng) bằng 1, trạm di động giảm cơng suất bằng “0” trạm di động tăng cơng suất lên một bước định trước (1dB). Các lần điều chỉnh cơng suất này được gọi là hiệu chỉnh cơng suất vịng kín, vì quyết định tăng hay giảm cơng suất được thực hiện trên cơ sở đánh giá cơng suất thu được tại trạm gốc.
thống. Chẳng hạn đối với dịch vụ mơ phỏng cĩ tốc độ 8kb/s với BLER=1% và ghép xen 10ms. Sự mơ phỏng được tạo ra trong trường hợp cĩ hoặc khơng cĩ điều khiển cơng suất nhanh với bước cơng suất là 1dB. Điều khiển cơng suất chậm cĩ nghĩa là cơng suất trung bình được giữ tại mức mong muốn và điều khiển cơng suất chậm hồn tồn cĩ thể bù cho ảnh hưởng của suy hao đường truyền và suy hao do các vật chắn, trong khi đĩ điều khiển cơng suất nhanh cĩ thể bù được cho phadinh nhanh. Phân tập thu hai nhánh được sử dụng trong Nút B. ITU Vehicular A là một kênh 5 nhánh trong WCDMA, và ITU Pedestrian A là một kênh 2 nhánh trong đĩ nhánh thứ hai rất yếu. Tỷ số Eb/N0 , và cơng suất
truyền trung bình yêu cầu trong trường hợp khơng cĩ và cĩ điều khiển cơng suất nhanh được trình bày trong bảng 4.1 và bảng 4.2
Bảng 4.1: Giá trị Eb/N0 yêu cầu trong trường hợp cĩ và khơng cĩ điều khiển cơng suất nhanh.
Điều khiển cơng suất
chậm
Điều khiển cơng suất nhanh tần số 1.5KHz
Độ lợi của điều khiển cơng suất
nhanh ITU PedestrianA 3km/h 11.3dB 5.5dB 5.8dB ITU Vehicular A 3km/h 8.5dB 6.7dB 1.8dB ITU VehicularA 50km/h 7.3dB 6.8dB 0.5dB
Bảng 4.2: Cơng suất phát tương đối yêu cầu trong trường hợp cĩ và khơng cĩ điều khiển cơng suất nhanh.
Điều khiển cơng suất
chậm
Điều khiển cơng suất nhanh tần số
1.5KHz
Độ lợi của điều khiển cơng suất nhanh ITU PedestrianA 3km/h 11.3dB 7.7dB 3.6dB ITU Vehicular A 3km/h 8.5dB 7.5dB 1.0dB ITU VehicularA 50km/h 7.6dB 6.8dB 0.8dB
như sau:
Độ lợi của các UE tốc độ thấp lớn hơn các UE tốc độ cao.
Độ lợi theo tỷ số Eb/I0 yêu cầu lớn hơn độ lợi cơng suất truyền dẫn.
Trong 2 bảng, độ lợi âm tại tốc độ 50km/h cĩ nghĩa là điều khiển cơng suất chậm lý tưởng sẽ đem lại hiệu suất tốt hơn so với điều khiển cơng suất nhanh thực tế. Độ lợi âm do việc tính tốn SIR khơng chính xác, các lỗi báo hiệu điều khiển cơng suất, và trễ trong vịng điều khiển cơng suất.
Độ lợi từ điều khiển cơng suất nhanh cĩ thể được sử dụng để tính tốn độ dự trữ phadinh nhanh yêu cầu trong quỹ đường truyền. Độ dữ trữ phadinh nhanh cần thiết cho cơng suất phát của UE để duy trì điều khiển cơng suất nhanh vịng kín thích hợp. Kích thước cell lớn nhất cĩ thể đạt được khi UE đang phát với đủ lượng cơng suất khơng đổi nghĩa là khơng cĩ độ lợi của điểu khiển cơng suất nhanh. Giá trị thơng thường cho độ dự trữ phadinh nhanh cho các tốc độ di động thấp từ 2 đến 5dB.
c. Phân tập và điều khiển cơng suất
Tầm quan trọng của phân tập sẽ được phân tích cùng với điều khiển cơng suất nhanh. Với các UE tốc độ thấp, điều khiển cơng suất nhanh cĩ thể bù đựơc phadinh của kênh và giữ cho mức cơng suất thu khơng đổi. Các nguyên nhân chính của các lỗi trong cơng suất thu là do việc tính tốn SIR khơng chính xác, các lỗi báo hiệu và trễ trong vịng điều khiển cơng suất. Việc bù phadinh gây ra suy giảm cơng suất truyền dẫn.
Hình 4.6: Cơng suất phát và thu trong 2 nhánh (cơng suất khoảng hở trung bình 0dB - 10dB).
độ của UE là 3km/h. Trong hình 4.6 là trường hợp cĩ ít phân tập, hình 4.7 mơ phỏng trường hợp phân tập nhiều. Sự biến đổi cơng suất phát trong trường hợp hình 4.6 cao hơn trong trường hợp hình 4.7 do sự khác nhau về số lượng phân tập. Các trường hợp phân tập như: phân tập đa đường, phân tập anten thu, phân tập anten phát hay phân tập vĩ mơ.
Với sự phân tập ít hơn thì sự biến động lớn hơn trong cơng suất phát,