Nhiễu kết hợp giữa các Femtocell trong mạng LTEAdvanced với tập hợp các sóng mang

Nhiễu kết hợp giữa các Femtocell trong mạng LTEAdvanced với tập hợp các sóng mang Trong phạm vi bài báo này, chúng tôi đề xuất một lược đồ hai bước của nhiễu kết hợp để giải quyết vấn đề nhiễu giữa các Femtocell trong mạng LTE – Advanced với tập hợp các sóng mang. Mỗi Femtocell được gắn với một sóng mang mà không bị chồng lấn với nhiễu của các femtocell hoặc ít nhất là nhiễu trong bước đầu tiên.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI: Nhiễu kết hợp giữa các Femtocell trong mạng

LTE-Advanced với tập hợp các sóng mang.

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS ĐÀO NGỌC CHIẾN

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN KHẮC TÍNH

Lớp : 11B KTTT1

MSSV : CB110920

Môn học : Tương thích điện từ

Hà nội, tháng 1 năm 2012

Nhiễu kết hợp giữa các Femtocell trong mạng LTE-Advanced với tập hợp các sóng mang.

Tóm tắt: Công nghệ Femtocell đã nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn để cung cấp vùng phủ trong các tòa nhà sử dụng cho mạng 3G cũng như mạng LTE và mạng LTE – Advance sau này.

Trong phạm vi bài báo này, chúng tôi đề xuất một lược đồ hai bước của nhiễu kết hợp để giải quyết vấn đề nhiễu giữa các Femtocell trong mạng LTE – Advanced với tập hợp các sóng mang Mỗi Femtocell được gắn với một sóng mang mà không bị chồng lấn với nhiễu của các femtocell hoặc ít nhất là nhiễu trong bước đầu tiên Tiếp theo, trong bước thứ 2, nhiều các sóng mạng được cố gắng sử dụng bởi một Femtocell với yêu cầu cải thiện hiệu suất phổ cho hệ thống dựa vào các chức năng và tiện ích đặc biệt Kết quả nghiên cứu của chúng tôi đã chứng minh được hiệu quả của lược đồ nhiễu kết hợp khi thực hiện trong một giới hạn của thông lượng

I GIỚI THIỆU

Như là một giải pháp hiệu quả cho việc phủ sóng trong các tòa nhà, công nghệ femtocell đã được đề xuất áp dụng trong mạng 3G của tổ chức 3GPP để giải quyết vấn đề gặp phải trong quá trình phủ sóng cho các mạng UMTS, mạng LTE và LTE – advance Không chỉ có các thuê bao (user) được hưởng lợi mà cả các nhà cung cấp dịch vụ cũng nhận được lợi ích từ giải pháp femtocell này Khi chúng ta so sánh với giải pháp macrocell, thì các giải pháp femtocell cung cấp các kết nối vô tuyến có chất lượng tốt hơn tới các user trong khi công suất tiêu thụ của các thiết bị user lại nhỏ hơn trong các môi trường bên trong của tòa nhà Trong giải pháp này, đối với các nhà cung cấp dịch vụ, một

số lượng lớn lưu lượng truy cập từ các thuê bao có thể được cho phép di chuyển từ mạng macrocell sang mạng femtocell, do đó giải pháp sử dụng Femtocell sẽ giúp các nhà cung cấp dịch vụ giảm các chi phí liên quan tới triển khai hạ tầng Tuy nhiên, công nghệ này vẫn đang được phát triển và có nhiều vấn đề cần phải được nghiên cứu thêm như: Điều khiển truy nhập, định thời và đồng bộ, nhiễu kết hợp

Khi mà mạng sử dụng femtocell để phát triển cho khách hàng mà không thực hiện quá trình quy hoạch một cách phù hợp, chính xác thì nhiễu trong mạng femtocell có xu hướng phức tạp hơn rất nhiều so với mạng di động tế bào truyền thống Bởi vậy, nhiễu kết hợp trong mạng femtocell không thể được xử lý bằng các phương án, giải pháp sẵn có mà

đã được thiết kế, áp dụng và triển khai trong mạng macrocell trước đây Thông thường, sẽ

tồn tại hai loại nhiễu truy cập trong phân chia tần số trực giao (OFDMA) là nhiễu giữa các thiết bị mạng macrocell với femtocel và nhiễu giữa các mạng femtocell với femtocell Các nguồn trực giao trong miền tần số và (hoặc) trong miền thời gian khi cung cấp cho các macrocell và femtocell có thể giúp tránh được nhiễu giữa các macrocell và femtocell mặc dù phương pháp này không hiệu quả trong việc tái sử dụng phổ trong giới hạn Như vậy, lược đồ phân chia tần số đã được đề xuất cho các mạng femtocell và từ đó chúng ta

có thể giả sử là đã tránh được nhiễu giữa macrocell và femtocell Mặt khác, vì số lượng và

vị trí của các trạm gốc (base stations) trong mạng femtocell với một nửa là cố định và một nữa là thay đổi, do đó nhiễu giữa femtocell với femtocell, giữa các kênh trong cùng femtocell sẽ được giải quyết bằng quá trình thiết kế phân bố theo lược đồ tài nguyên vô tuyến Tuy nhiên, với thông tin mới nhất mà chúng tôi có, vấn đề chỉ định nguồn tài nguyên cho việc phối hợp nhiễu giữa các femtocell chưa được đề cập một cách rõ ràng trong các tài liệu trước đây và tới tận bây giờ

Trong khi ấy, sự kết hợp giữa các sóng mang nơi mà hai hay nhiều các thành phần sóng mạng được kết hợp, đã được yêu cầu bởi mạng LTE – Advance với mục đích cần phải hỗ trợ băng thông truyền dẫn lớn và phổ tập chung Trong bài báo này, trước tiên chúng tôi đưa ra một công thức về nhiễu kiết hợp giữa các femtocell trong mạng LTE – Advance như một vấn đề để tối ưu hóa Thay vì đó, một biểu đồ CA dựa vào nhiễu kết hợp được đề xuất cho vấn đề nhiễu giữa các femtocell trong mạng LTE – Advance Nơi

mà các trạm đặt các femtocell và các user thường xuyên tham chiếu tới trạm Node B (còn gọi là HeNB- Home evolved NodeB) và các thiết bị của các user (HUE) Dựa vào các kết quả đo được tại các HeNB, mỗi HeNB được chỉ định tới một sóng mang mà nó không chồng lấn với các nhiễu của các HeNB hoặc ít nhất là nhiễu trong bước thứ nhất Bởi vậy, trong yêu cầu để tăng hiệu suất phổ của mạng, các sóng mang đã sử dụng bởi một HeNB

có thể được chia sẽ tới các HeNB khác dựa vào tiện ích đã được tính toán tại HUE trong bước tiếp theo Cuối cùng, các kết quả của giải pháp chứng minh tính hữu dụng của biểu

đồ đề xuất trong giới hạn của thông lượng băng thông

Trong bài báo này được cấu trúc theo từng phần Trong phần II đưa ra một cách tổng quan ngắn gọn của hệ thống và đưa ra các vấn đề Phần III trình bày biểu đồ đề xuất nhiễu kết hơp Phần IV đưa ra kết quả mô phỏng Phần V trình bày kết luận của bài báo

II MÔ HÌNH HỆ THỐNG.

Trong phạm vị bài báo này chúng ta quan tâm tới hướng downlink trong mạng LTE-Advanced với các femtocell Có một số các user rất ít hay thậm trí là không có sự di chuyển trong nhà hoặc trong các văn phòng Bởi vậy để đơn giản, giả định chỉ có một HUE được kết nối tới HeNB trong mỗi cell Phương pháp phân tích cũng có thể dễ dàng

mở rộng với các trường hợp có nhiều hơn một UE trong mỗi cell

Chúng ta xem xét hướng downlink với N người dùng và K sóng mang trong mạng

Để đơn giản, chúng ta giữ cho công suất giống nhau trên mỗi sóng mang của mỗi cell

nguyên giữa các người dùng , nơi mà biểu thị sóng mang k được gán cho

người dùng thứ n Trong trường hợp còn lại thì Do đó, tỉ lệ trên sóng mang k của femtocell được cho bởi công thức

Với W là băng thông của sóng mang, là tổn hao đường (PL) từ khách hành đang

được phục vụ HeNB tới HUE thứ n, và là công suất nhiễu được thêm vào từ nhiễu Gaussian (AWGN)

Vấn đề của nhiễu kết hợp là tìm A như là một hàm mục tiêu được tối ưu hóa Thông thường, những vấn đề tối ưu hóa với các mục tiêu khác nhau cần được giải quyết cho vấn đề nhiễu kết hợp bao gồm:

• Tối đa hóa thông lượng (Max-TP) Giả sử mục tiêu cần đạt được là giá trị lớn

nhất của hiệu suất phổ, hàm mục tiêu của vấn đề này có thể xây dựng như sau

• Tối đa hóa tỉ lệ cân bằng (Max-PF) Giả sử mục tiêu là đạt được thông lượng

hệ thống cao nhất trong khi vẫn đảm bảo sự cần bằng tỷ lệ giữa các femtocell như sau:

Bằng cách kết hợp (1) vào (2) hoặc (3) chúng ta có thể dễ dàng nhận ra rằng vấn

đề để tối ưu hóa là không dễ Để tìm giải pháp tối ưu của nó, cần phải tìm kiếm một cách toàn diện trên tất cả giải pháp khả thi là cần thiết, trong đó tính phức tạp hóa trong tính toán là rất cao Vì vậy, khi xem xét tính khả thi để thực hiện là rất cần thiết để giải quyết các vấn đề nhiễu kết hợp trong mạng LTE – Advance

III NHIỄU KẾT HỢP GIỮA CÁC FEMTOCELL.

Khi mà các hành vi của HeNB trong mạng femtocell được điều kiển bới khách hành, cấu trúc mạng của hệ thống femtocll thay đổi nửa động nữa tĩnh dẫn đến kết quả nhiễu đồng kênh giữa các femtocell tới femtocell ngày càng phức tạp Nhiễu giữa các femtocell phải được kết hợp để đạt được sự cân bằng tốt nhất việc tái sử dụng tài nguyên phổ và nhiễu đồng kênh Một CA được dựa trên biểu đồ nhiễu kết hợp hai bước được đề xuất trong phần này Để đảm bảo sự cân bằng giữa các Femtocell trong bước đầu tiên thì chỉ một sóng mạng được phân bổ cho mỗi femtocell dựa trên sự đo lường nhiễu bên trong một cell Sau đó, nhiều sóng mang được cố gắng sử dụng bởi một femtocell với yêu cầu

để cải thiện hiệu hiệu suất phổ của hệ thống trong bước thứ 2

A. Bước 1: Phân chia tần số trực giao (OFP)

Khi mà một HeNB bật nguồn lên Nó đo công suất tham khảo tín hiêu nhận (RSRP) của các HeNBs xung quanh và quyết định thiết lập tới các HeNB có khả năng và mối quan hệ về nhiễu với nó bằng các kiểm tra liệu RSRP có trên một ngưỡng nhất định

không Ví dụ như Sau đó HeNB sẽ được chỉ định một sóng mang mà nó không chồng chéo với nhiễu của HeNB khác Nếu tất cả các sóng mang đã bị chiếm bới các HeNB khác, HeNB sẽ lựa chọn sóng mang mà có sự can thiệp ít nhất: Ví dụ như sóng mang mà tổng của RSRP từ các HeNB xung quanh là nhỏ nhất Các sóng mang được giao cho HeNB trong bước này được gọi là sóng mang trực giao Sau bước này, một sóng mang chỉ được dùng cho mỗi femtocell mà cung cấp kết nối giữa HeNB với các UE

B. Bước 2: Tái sử dụng lại tần số thích nghi

Dựa vào kết quả đo được tại các HUE, HeNB thứ n được lựa chọn cho nó và có thể chia sẻ các sóng mang được sử dụng bởi nó là nhiễu của các HeNB trong bước này Từ

đó, chúng ta giả sử rằng chỉ có một HUE được kết hợp với một HeNB, HUE và HeNB có

thể chia sẻ cùng một chỉ số để đơn giản ký hiệu HUE thứ n đó không chỉ có RSRP của HUE được chỉ định phục vụ bởi HeNB mà còn có các RSRP của các HeNB khác can thiệp Sau đó, nếu HeNB phục vụ nó, tức là HeNB thứ n sử dụng một sóng mang trực giao k, tỉ số nhiễu trên tạp âm (SIR) của HUE thứ n trên sóng mang k có thể được tính như:

Nơi mà rn,m biểu thị cho RSRP đã đo được tại HUE thứ n từ HeNB thứ n và HeNB thứ m,

biểu thị nhiểu của các HeNb của HeNb thứ n mà hiện tại đang sử dụng sóng mang thứ k Nếu SIR của nó là cao hơn một ngưỡng nhất định (ví dụ như ngưỡng giải điều chế của kênh dữ liệu), HeNB thứ n quyết định nó có thể sử dụng sóng mang thứ k Sau đó nó

sẽ gửi một yêu cầu tái sử dụng tần số cho những HeNB trong mà hiện đang sử dụng sóng mang thứ k Bản tin yêu cầu tái sử dụng tần số mang với một giá trị hữu ích được xác định bởi các mục tiêu khác nhau Tương ứng với một trong hai mục tiêu của Max-TP hoặc Max-PF, tiện ích có thể được tính bằng một trong hai công thức sau đây là

• Kiểu A:

Hình1: Minh họa một ví dụ của phương pháp AFR nơi mà giả thiết tồn tại 3 sóng mang trong mạng

• Kiểu B:

Ở đó là thông lượng khuếch đại của HUE thứ n nếu sóng mang k được hỗ trợ nó

(thông lượng của HUE thứ n trên sóng mang k là hàm chức năng của , là thông

lượng hiện tại của HeNB thứ n mà không sử dụng sóng mang k, và là biểu hiện

kích thước của Trong khi trong phương trình số (5) chỉ quan tâm tới thông lượng lớn nhất cuả tất cả các femtocell Trong khi phương trình (6) thì xem xét vấn đề một cách tổng quan hơn

Khi mà một HeNB thứ m nhận được yêu cầu tái sử dụng tần số, chúng có thể tính

toán được SIR của nó mà đã được kết hợp với UE thứ m trên sóng mang k ví dụ Trong khi chúng ta giả sử rằng sóng mang này cung cấp tới HeNB thứ n Bởi vậy, HeNB thứ m tính toán một giá trị độ lợi với một trong hai công thức sau đây

• Kiểu A:

• Kiểu B:

Chú ý rằng khi so sánh biểu thức (5) và (6), kích thước của nhiễu HeNB không tồn tại trong phần mẫu của biểu thức Điều này là vì nếu sóng mang thứ k được phục vụ cho

HeNB thứ n, tất cả nhiễu của các HeNB sẽ có thông lượng giảm sút trong khi chỉ

có HeNB thứ n là có thông lượng tăng lên

Nếu độ lợi của HeNB thứ m mà ít hơn so với HeNB thứ n, HeNB thứ m quyết định rằng sóng mang thứ k có thể phục vụ cho HeNB thứ n Nó gửi thông tin cho phép tái sử dụng tần số tới HeNB thứ n Còn lại nó sẽ gửi các bản tin từ chối tái sử dụng tần số tới HeNB thứ n Nếu HeNB thứ n nhận được sự cho phép tái sử dụng tần số từ tất các các

HeNB trong miền Nó có thể bắt đầu sử dụng sóng mang thứ k Trong trường hợp còn lại nó sẽ không tái sử dụng sóng mang này

Hình 1 minh họa một ví dụ về quá trình AFR, nơi mà 03 sóng mang được giả sử tồn tại trong mạng “O” là viết tắt cho các sóng mang trực giao trong khi “R” viết tắt cho

sóng mang tái sử dụng Sau khi HeNB g bật nguồn nó sẽ lựa chọn sóng mạng trực giao

của nó Nó sẽ kiểm tra xem có thể tái sử dụng sóng mang với các phần tử láng giềng của

nó Trong ví dụ này chúng ta giả sử rằng sóng mang thứ 2 là sóng mang tái sử dụng của

HeBB g Sau đó HeNB g sẽ gửi một bản tin yêu cầu tái sử dụng tần số tới các HeNB khác

thuộc Mà đang sử dụng sóng mang thứ 2 Trong bản tin yêu cầu, HeNB g gửi giá trị

của nó là hoặc Sau khi nhận được tín hiệu yêu cầu, nếu hoặc

, HeNB m sẽ gửi bản tin cho phép tái sử dụng tần số tới HeNB g Trong trường hợp còn lại, nó sẽ gửi bản tin từ chối cho phép tái sử dụng tần số HeNB g không

thể sử dụng sóng mang thứ 2 khi tất cả các HeNB phúc đáp lại bản tin “Cho phép tái sử dụng tần số”

Hình 2: Các Femtocell được triển khai trong mạng LTE-Advanced.

BẢNG I: CÁC THAM SỐ GIẢ ĐỊNH TRỌNG MẠNG LTE-ADVACE VỚI CÁC

FEMTOCELL

Tham số Giá trị

Khoảng cách phân chia nhỏ nhất giữa UE

Độ tăng ích của antenna HeNB 5dBi

Tổn hao đường trong mô hình từ HeNB

Độ chênh lệnh chuẩn tại vật chắn LOS:3 dB/NLOS 4 dB

Số lượng User của femtocell 1

IV KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.

Trong phần này, các kết quả mô phỏng được đưa ra để đánh giá sự hoạt động của

đề xuất biểu đồ nhiễu kết hợp trong mạng LTE – Advance với các femtocell Với mục đích là so sánh sự hoạt động của mạng với việc tất cả các sóng mang được tái sử dụng giữa các HeNB mà được đề cập tới

Hình 3: Thông lượng của mạng với các giá trị ngưỡng OFP khác nhau

Chúng tôi đã xem xét chi tiết tới các khu đô thị mà có mật độ dân số cao Nơi mà

sẽ có rất nhiều các ngôi nhà và các trung cư với nhiều các căn hộ có kích thước nhỏ trong các toàn nhà này (tham khảo hình 2) Các tham số chi tiết phục vụ cho mô phỏng bao gồm: Mô hình kênh và các tham số giả định được đưa ra trong bảng I Để đơn giản, chỉ có một khối femtocell được xem xét đến (trong hình 2) Mỗi khối femtocell bao gồm 2 dãy nhà, mỗi khối nhà lại có hai căn hộ áp sát nhau (trong hình vẽ thể hiện mỗi dãy gồm

ND=10 căn hộ kép) Mỗi căn hộ có kích thước là 10mx10m có thể có một femtocell, giữa hai dãy nhà sẽ có một hành lang khoảng 10m Mỗi khối femtocell sẽ có khoảng 1- 10 ngôi nhà như thế và chúng ta có thể chọn ngẫu nhiên ở đây chúng ta chọn là LD = 6 ngôi nhà cho mô phỏng

Để mô phỏng các trường hợp thực tế nơi mà các căn hộ có thể không có các

femtocell, một tham số của tỉ lệ triển khai femtocell là được sử dụng để qyết định xem một căn hộ có cần phải triển khai femtocell hay không Khi mà các femtocell không được triển khai toàn bộ Chúng ta định nghĩa thêm một tham số tỉ lệ nữa gọi là tỉ lệ hoạt động β

để mô tả tỉ lệ phần % active của các femtocell Chỉ khi một femtocell hoạt động (active),

nó sẽ truyền lại lưu lượng của các kênh con Mặt khác, nó sẽ ở trạng thái slient nếu không

có lưu lượng của các kênh con Tỉ lệ hoạt động β có thể biến đổi từ 0- 100% Cả HeNB và

UE đều giảm một cách có hệ thống tại ngẫu nhiên các căn hộ Trong mô phỏng của chúng tôi, tỉ lệ hoạt động của các femtocell β được lấy là 50% trong khi tỉ lệ phát triển các femtocell đặt là 0.2 và 1

Trong hình 3, chúng tôi đưa ra thông lượng hoạt động trung bình của mạng với đề xuất phương pháp phân bổ kênh Trong khi sử dụng các giá trị ngưỡng khác nhau trong bước đầu tiên tức là OFP Với giá trị nhỏ hơn ngưỡng, thông lượng trung bình có thể nhận được bởi vì các sóng mang được tái sử dụng bởi các femtocell thường xuyên hơn Như vậy thông lượng biến đổi ít hơn khi mà giá trị ngưỡng nhỏ hơn 90dB Mặt khác, các femtocell với SINR thấp thì sẽ dễ cảm nhận nhiễu do đó thông lượng nhỏ hơn với mức giảm ngưỡng ngay cả khi có nhiều sóng mang được phân bổ vì vậy việc thực hiện thông lượng tại điểm +5% hàm phân phối tích lũy CDF trở lên ít tồi hơn khi ngưỡng giảm xuống dưới 90dB Bởi vậy chúng tôi lựa chọn giá trị ngưỡng là 90bB trong các bài mô phỏng