Quản lý di động trong hệ thống mạng di động nhận thức femtocell

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1G One Generation Hệ thống thông tin di độngthế hệ thứnhất 2G Second Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai 3G Third Generation Hệ thống thôn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THÁI MINH

QUẢN LÝ DI ĐỘNG TRONGHỆ THỐNG

MẠNG DI ĐỘNG NHẬN THỨC FEMTOCELL

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Nam Hoàng

Hà Nội – 2015

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, cho phép tôi xin được gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô ở trường Đa ̣i học Công Nghệ – ĐHQG Hà Nộinói chung, Khoa Điê ̣n tử- Viễn thôngnói riêng,và các thành viên là NCS, sinh viên trong nhómnghiên cứu tại bộ môn Hệ thống viễn thông; các đồng nghiệp tại Trường Đại học Thủ đô Hà Nộiđã giúp đỡ về mặt chuyên môn, tạo điều kiê ̣n về mặt thời gian để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Tôi xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt và sâu sắc đến thầy giáo,TS Nguyễn Nam Hoàng, Khoa Điê ̣n Tử - Viễn Thông, trường Đa ̣i Ho ̣c Công Nghê ̣ , người đã trực tiếp hướng dẫn kiến thức, tận tình chỉ bảocho tôi về mă ̣t chuyên môn cho đề tài luận văn này

Hà Nội, tháng 12 năm 2015

Nguyễn Thái Minh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu khoa học trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc công bố bởi bất kỳ nơi nào khác Mọi nguồn tài liệu tham khảo đều đƣợc trích dẫn một cách rõ ràng

Hà Nội, ngày 26tháng 12 năm 2015

Nguyễn Thái Minh

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 10

LỜI MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ KIẾN TRÚC FEMTOCELL 13

1.1 Tổng quan vê hệ thống thông tin di động 13

1.1.1 Các hệ thống thông tin di động trước 4G 15

1.1.2 Mạng di động thế hệ thứ 4 – 4G 19

1.1.3 Các xu hướng công nghệ sau thế hệ 4G 20

1.2 Kiến trúc mạng Femtocell nhận thức cho hệ thống thông tin di động sau 4G 22

1.2.1 Giới thiệu 23

1.2.2 Tổng quan về Femtocell 23

1.2.3 Mạng di động nhận thức Femtocell 28

Kết luận 36

CHƯƠNG II: QUẢN LÝ DI ĐỘNG VÀ CƠ CHẾ LỰA CHỌN FEMTOCELL CHO QUÁ TRÌNH CHUYỂN GIAO 37

2.1 Quản lý di động 37

2.1.1 Quản lý di động là gì 37

2.1.2 Các vấn đề cần quan tâm đối với quản lý di động 37

2.1.3 Các chức năng quản lý di động 37

2.2 Mô hình di chuyển trong quản lý di động 38

2.2.1 Mô hình di chuyển ngẫu nhiên 39

2.2.2 Thuộc tính ngẫu nhiên của mô hình di chuyển Random Waypoint 41 2.3 Cơ chế lựa chọn Femtocell 43

2.2.1 Cơ chế RSS (Cơ chế dựa trên độ mạnh tín hiệu) 44

2.2.2 Cơ chế Prediction (Cơ chế dự đoán hướng di chuyển) 44

2.2.3 Cơ chế Sensing (Cơ chế cảm nhận) 45

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 47

3.1 Mô hình mô phỏng 48

3.2 Đánh giá hiệu năng 49

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1G One Generation Hệ thống thông tin di độngthế hệ thứnhất

2G Second Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai

3G Third Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

3GPP Third Generation Patnership

4G Fourth Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư

5G Fifth Generation Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm

BDMA Beam Division Multiple Access Phân chia tín hiệu đa truy cập

CDMA Code Division Multiple

Access Đa truy cập phân chia theo mã

CFAP Cognitive Femtocell Access Point Điểm truy nhập Femtocell nhận thức

EDGE Enhance Data rates for GSM Evolution Tốc độ dữ liệu tăng cường cho mạngGSM

cải tiến

E-UTRAN Evolved UMTS Terrestrial

Radio Access Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến

FAP Femtocell Access Point Điểm truy nhập Femtocell

FDMA Frequency Division multipleAccess Đa truy cập phân chia theo tần số

FTR Free Time Rate Tỉ lệ thời gian rảnh

FU Femtocell User Người dùng femtocell

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ gói vô tuyến thông dụng

GSM Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu

HSDPA High Speed Downlink Packet

Access Truy nhập gói đường xuống tốc độ cao

HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao

iDEN Intergrated Digital Enhanced Network Mạng kĩ thuật số nâng cao tích hợp

IEEE Institute of Electrical and Electronics

Engineers Viện kỹ nghệ Điện – Điện tử

IMT International Mobile

Telecommunication Viễn thông di động quốc tế

IP Internet Protocol Giao thức internet

IPv6 Internet Protocel version 6 Giao thức internet phiên bản 6

IS-95B Interim Standard 95B Chuẩn di động nền CDMA phiên bản 95B

ITU International Telecommunication

Union Liên minh Viễn thông quốc tế

LTE Long Term Evolution

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường

OFDMA Orthogonal Frequency Division

Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

PHS Personal Handy Phone System Điện thoại cá nhân cầm tay

QoS Quality of Services Chất lượng dịch vụ

RSS Received Signal Strength Cường độ tín hiệu nhận được

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division

multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số - đơn sóng mang

SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

TDD Time Division Duplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian

UTMS Universal

Telecommunication Mobile System Hệ thống thông tin di động toàn cầu

UTRAN UTMS Terrestrial Radio Access

Networks Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất

WCDMA Wideband Code Division

Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các thông số của hệ thống tương tự 1G Bảng 3.1 Tham số mô phỏng

Bảng 3.2 Kịch bản mô phỏng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động đến năm 2020 Hình 1.2 Mô hình kiến trúc mạng thông tin di động 2G

Hình 1.3 Điểm truy nhập Femtocell

Hình 1.4 Kiến trúc mạng Femtocell hai lớp

Hình 1.5 Kiến trúc mạng Femtocell nhận thức

Hình 2.1Mô hình mạng di động nhận thức Femtocell

Hình 2.2 Một số mô hình di chuyển

Hình 2.3 Mô hình di chuyển ngẫu nhiên Random Waypoint

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng di chuyển theo đường thẳng của tác giả Hoàng Như Đồng

Hình 3.2 Mô hình mô phỏng Random Waypoint

Hình 3.3Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 1 (α=0.5) Hình 3.4Biểu đồ phân phối tích lũy độ trễ gói tin – Kịch bản 1 (α=0.5)

Hình 3.5Biểu đồ phân phối tích lũy thông lượng – Kịch bản 1 (α=0.5)

Hình 3.6Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 2 (α=0.5) Hình 3.7Biểu đồ phân phối tích lũy độ trễ gói tin – Kịch bản 2 (α=0.5)

Hình 3.8Biểu đồ phân phối tích lũy thông lượng – Kịch bản 2 (α=0.5)

Hình 3.9Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 1 (α=0.2) Hình 3.10Biểu đồ phân phối tích lũy độ trễ gói tin – Kịch bản 1 (α=0.2)

Hình 3.11Biểu đồ phân phối tích lũy thông lượng – Kịch bản 1 (α=0.2)

Hình 3.12Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 2 (α=0.2) Hình 3.13Biểu đồ phân phối tích lũy độ trễ gói tin – Kịch bản 2 (α=0.2)

Hình 3.14Biểu đồ phân phối tích lũy thông lượng – Kịch bản 2 (α=0.2)

Hình 3.15Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 1 (α=0.8) Hình 3.16Biểu đồ phân phối tích lũy độ trễ gói tin – Kịch bản 1 (α=0.8)

Hình 3.17Biểu đồ phân phối tích lũy thông lượng – Kịch bản 1 (α=0.8)

Hình 3.18Biểu đồ phân phối tích lũy số lần chuyển giao – Kịch bản 2 (α=0.8) Hình 3.19Biểu đồ phân phối tích lũy độ trễ gói tin – Kịch bản 2 (α=0.8)

Hình 3.20Biểu đồ phân phối tích lũy thông lượng – Kịch bản 2 (α=0.8)

LỜI MỞ ĐẦU

Thế kỷ XXI đang chứng kiến sự phát triển ma ̣nh mẽ và không ngừng của ngành công nghiệp Điện tử Viễn thông nói chung và Thông tin Di động nói riêng Theo thống kê của ITU [1] số lượng thuê bao di động đã và đang gia tăng một cách chóng mặt, năm 2000 số lượng thuê bao di động hơn bảy trăm triệu, năm 2005 là hơn hai tỷ thuê bao và đến năm 2011 đạt gần sáu tỷ thuê bao, chiếm hơn 80% so với dân số thế giới

Theo đó, sự phát triển của công nghệ kết nối không dây và thiết bị di động mang lại nhiều lợi ích cho người dùng di động.Kèm theo đó là sự gia tăng lớn về

số lượng người dùng di động và một lượng lớn dữ liệu được truyền qua mạng di động Hiện nay tổ chức 3GPP[2] đã chuẩn hóa hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 gọi là LTE và cuối năm 2012 đã cho ra đời phiên bản LTE-Avanced Tốc

độ tải dữ liệu ở kênh truyền xuống và kênh truyền lên được cải thiện rất nhiều Tuy nhiên, ngoài việc cải thiện tốc độ thì vấn đề về vùng phủ cũng như tài nguyên vô tuyến luôn là một bài toán hóc búa đối với giới chuyên môn Và để giải quyết những yêu cầu đó, mạng di động nhận thức và femtocell được xem như là chìa khoá công nghệ để xây dựng mạng di động thế hệ thứ 5 trong tương lai

Một mô hình mạng di động mới ra đời sẽ kéo theo nhiều kỹ thuật, yêu cầu

đi kèm nhằ m nâng cao chất lượng di ̣ch vu ̣ Một trong những kỹ thuật đó là kỹ thuật chuyển giao (handover).Trong mạng di động nhận thức, quá trình chuyển giao giữa các femtocell là một vấn đề thách thức đối với giới nghiên cứu chuyên môn bởi femtocell có vùng phủ nhỏ Lựa chọn femtocell là một tính năng quan trọng trong việc quản lý quá trình chuyển giao trong đó mục đích là tìm ra một femtocell đích chính xác, trong khi vẫn giảm thiểu số lần chuyển giao không cần thiết và tránh các femtocell quá tải

Xuất phát từ những vấn đề trên , tôi đã tìm hiểu và nghiên cứu để thực hiê ̣n

đề tài “Quản lý di động trong hệ thống mạng di động nhận thức Femtocell”

Trong luâ ̣n văn này trình bày các kiến thức t ổng quan về ma ̣ng thông tin di

đô ̣ng Femtocell , liên hê ̣ và áp du ̣ng các cơ ch ế quản lý quá trình chuyển giao (handover) cho ma ̣ng di động nhận thức Femtocell và tâ ̣p trung nghiên cứu về đánh giá cơ chế lựa chọn femtocell phù hợp để mang lại chất lượng dịch vụ tốt cho người dùng

Luâ ̣n văn gồm 3 chương :

Chương I: Tổng quan về hê ̣ thống thông tin di đô ̣ng và kiến trúc Femtocell Chương II: Quản lý di động và cơ chế lựa chọn Femtocell cho quá trình chuyển giao

Chương III: Mô phỏng và đánh giá hiệu năng

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNGVÀ

KIẾN TRÚC FEMTOCELL 1.1 Tổng quan vê hệ thống thông tin di động

Ngôn ngữ giao tiếp ở con người dùng để trao đổi thông tin với nhau, từ thời

xa xưa con người đã biết trao đổi thông tin ở khoảng cách xa bằng cách đốt lửa hay đánh trống để thông báo cho nhau

Vào thế kỷ 19, Samuel Morse là một họa sĩ người Mỹ đã phát minh ra máy điện báo và bảng mã chữ cái mang tên ông là mã Morse vào năm 1835 Mã Morse dùng các chuỗi đã được chuẩn hóa gồm các phần tử dài và ngắn để biểu diễn các chữ cái, chữ số, dấu chấm và các ký tự đặc biệt của một thông điệp Tín hiệu có thể được chuyển tải thông qua dây cáp, một tín hiệu cơ hay ánh sáng bằng việc bật hoặc tắt một xung điện

Đến thế kỷ 20, Claude Shannon đã xây dựng nên lý thuyết thông tin được xem là xuất phát từ bài báo quan trọng “A Mathematical Theory of Communication” năm 1948 Một trăm năm sau khi có điện tín, các hệ thống truyền thông khác như điện thoại, phát thanh, truyền hình đã được các kỹ sư phát minh và phát triển mà không cần tới toán học cao cấp Sau đó, Shannon đã cung cấp một lý thuyết để hiểu được tất cả hệ thống đó, bằng cách định nghĩa thông tin như một đại lượng trừu tượng vốn có trong một thông điệp điện thoại hay một bức hình trên tivi Ông đã đưa toán học cao cấp vào Sau Shannon, công nghệ thông tin đã phát triển một cách phi mã, với các máy tính điện tử, máy ảnh

kỹ thuật số, Internet và mạng toàn cầu World Wide Web

Hệ thống thông tin không dây cơ bản được phát triển và xây dựng dựa trên lý thuyết bức xạ điện từ được đề xuất bởi Clark Maxwell vào năm 1857 và được

mô tả bằng các phương trình toán học của sóng điện từ Sau đó Guglielmo Marconi phát minh ra hệ truyền thanh xuyên Đại tây dương sử dụng sóng điện

từ vào năm 1901 Tuy nhiên băng thông của hệ thống truyền tải này rất nhỏ, việc truyền tin rất chậm Mặc dù các sóng điện từ được phát hiện lần đầu tiên như một phương tiện truyền thông vào cuối thế kỷ 19, nhưng được đưa vào sử dụng rất muộn

Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động trải qua nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn người ta gọi là mỗi thế hệ của hệ thống thông tin di động Các giai đoạn phát triển của hệ thống thông tin di động được mô tả như hình 1.1

Hình 1.1 Quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động

đến năm 2020

Sự phát triển của công nghệ kết nối không dây và thiết bị di động mang lại nhiều lợi ích cho người dùng di động Nó dẫn đến sự gia tăng lớn về số lượng người dùng di động và một lượng lớn dữ liệu được truyền qua mạng di động [3] Gần đây, những nghiên cứu về kết nối không dây đã chỉ ra rằng hơn 67% lưu lượng dữ liệu và cuộc gọi và 70% lượng dữ liệu 3G được xuất phát từ những môi trường trong nhà [4] Hiện tượng này đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học nghiên cứu về công nghệ truyền thông sóng ngắn trong môi trường trong nhà Hơn nữa, mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) với các chuẩn truyền thông di động đã được cấp phép và đi vào hoạt động tại nhiều nơi trên thế giới Mạng 4G được xây dựng dựa trên công nghệ chuyển mạch gói trên nền IP Hiệu suất truyền cao nhất trong mạng 4G có thể lên đến xấp xỉ 100Mb/s với một người dùng đang di chuyển với tốc độ cao như trên ô tô, tàu hỏa và 1Gb/s với người dùng đang sử dụng di động và di chuyển với tốc độ bình thường [5] Trên một phương diện khác, mạng di động 4G có khả năng cung cấp khả năng chuyển giao ổn định mà không làm mất mát dữ liệu và cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) tốt Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của công nghệ 4G là sự chấm dứt của hệ thống chuyển mạch gói song song và các node chuyển mạch với việc sử dụng IPv6 Với một lượng lớn người dùng di động, các kịch bản triển khai (trong nhà, ngoài nhà, thành phố, ngoại ô…) và những ứng dụng đi kèm (thoại âm thanh, truyền video, dịch vụ Internet), ta có thể dự đoán trước

rằng mạng di động 4G yêu cầu dung lượng lớn, vùng phủ thông minh và tối ưu tài nguyên một cách hiệu quả [5] Rõ ràng, hệ thống truyền thông di động không cần tốc độ truyền lớn nhưng yêu cầu hệ thống phải có năng lực xử lý đồng thời Bởi vậy, truyền thông băng rộng là một phương pháp hiệu quả để đáp ứng những nhu cầu trên

Để thỏa mãn những yêu cầu trên, kiến trúc di động nhận thức femtocell được xem là những công nghệ cốt lõi để xây dựng hệ thống mạng di động nhận thức femtocell cho thế hệ mạng di động thứ 5(5G) [6, 7, 8] Hệ thống di động nhận thức femtocell được đề xuất gần đây được xây dựng bao gồm các trạm cơ

sở cỡ lớn và các điểm truy cập femtocell (FAP - femtocell accesspoint) Chúng được xem lần lượt như là các hệ thống chính và phụ

Femtocell đã được đề cập đến như là một giải pháp chi phí thấp để tăng vùng phủ và dung lượng ở môi trường trong nhà Thêm vào đó, Femtocell được cho là sẽ trang bị những tính năng nhận thức, có thể cảm nhận các phổ tần số và tận dụng nó cho việc truyền dữ liệu Trong kho sóng radio nhận thức có khả năng nhận biết những kênh còn trống và những kênh đã được nhiều người sử dụng, kiểu dữ liệu truyền, mô đun hệ thống, vị trí của các thiết bị nhận tín hiệu

và cả điều kiện môi trường Với những hiểu biết về những tham số nói trên, sóng radio sẽ sử dụng tần số tối ưu nhất để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho người dùng

1.1.1 Các hệ thống thông tin di động trước 4G

a) Mạng di động thế hệ thứ nhất – 1G

1G là viết tắt của “first generation” – thế hệ đầu tiên của mạng điện thoại truyền thông không dây Mạng 1G bao gồm những chuẩn truyền thông tương tự, được giới thiệu vào những năm 1980 và tiếp tục được sử dụng cho tới khi bị thay thế với mạng truyền thông số 2G Sự khác biệt chính giữa hai hệ thống 1G

và 2G đó là tín hiệu radio của mạng 1G là tín hiệu tương tự, trong khi của mạng 2G là tín hiệu số

Các chuẩn trong thế hệ 1G sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo tần số tương tự, điều chế sử dụng phương pháp điều tần Các thông số của các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất tiêu biểu được cung cấp theo bảng 1.1

Nhược điểm của hệ thống 1G:

•Phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ

•Chất lượng truyền tin kém

•Giá thành thiết bị cao, cồng kềnh

•Bảo mật cuộc gọi kém

•Không tương thích giữa các hệ thống với nhau

b) Mạng di động thế hệ thứ 2 – 2G

Vào năm 1983, Châu Âu bắt đầu phát triển GSM với tên ban đầu của nó là Nhóm Đặc biệt về di động (Group of Special Mobile) sau được đổi thành Hệ thống di động toàn cầu (Global System for Mobile) GSM sử dụng kỹ thuật đa truy nhập theo thời gian số được phát triển đầu tiên ở Đức năm 1991 Nó là hệ thống di động tổ ong số đầu tiên trên thế giới

2G là viết tắt của “second generation” – mạng điện thoại không dây thế hệ thứ 2 So với 1G, công nghệ 2G mang lại những cải tiến quan trọng như: cuộc gọi được mã hõa; hiệu quả hơn trong quá trình sử dụng phổ tần số làm tăng khả năng xuyên qua vật cản và dịch vụ dữ liệu giúp người dùng gửi tin nhắn ngắn (SMS), tin nhắn hình và tin nhắn đa phương tiện (MMS)

Hệ thống di động 2G sử dụng các kỹ thuật điều chế số thay cho điều chế tương tự Cải tiến dung năng hệ thống như mã hóa tiếng nói số, sử dụng kỹ thuật ghép kênh để nhiều người dùng có thể sử dụng cùng tần số thông qua kỹ thuật phân chia theo thời gian hoặc theo mã Sử dụng các kỹ thuật để tăng hiệu năng của hệ thống như sử dụng lại tần số, các bộ cân bằng, mã hóa

Hình 1.2 Mô hình kiến trúc mạng thông tin di động 2G

c) Mạng di động 2.5G

 GPRS: hệ thống GSM không hỗ trợ cho các lưu lượng dữ liệu

GPRS là giải pháp cung cấp các dịch vụ trên cơ sở gói với tốc độ cao.GPRS sử dụng cùng một sóng mang với băng thông 200Khz và 8 khe thời gian như GSM Tuy nhiên, Trong GPRS có thể kết hợp các khe trong số 8 khe thời gian để truyền dữ liệu, nên số gói dữ liệu truyền đi trong mỗi khung truyền tăng lên.Kết hợp việc cấp phát tài nguyên động nên hiệu quả sử dụng băng tần tăng lên đáng

kể Tuy nhiên trong thực tế, do có các dữ liệu được thêm vào cho việc hiệu chỉnh lỗi, và số lượng người dùng tại cùng một thời điểm,và phụ thuộc việc chọn lựa lượt đồ mã hoá CS-1 đến CS-4 mà ta thu được lưu lượng dữ liệu khác nhau Thực tế tốc độ dữ liệu đạt được khoảng 40 Kbps nếu ta sử dụng ba khe thời gian với tốc độ mỗi khe là 13.4 Kbpshoặc 53 Kbps nếu sử dụng 4 khe thời gian Vẫn lớn hơn nhiều so với 9.6 Kbps của GSM

 EDGE: là kỹ thuật truy nhập vô tuyến ghép kênh phân chia theo

thời gian mới, nó vẫn sử dụng các tần số sóng mang cũng như cấu trúc các khe thời gian của hệ thống GSM Mô hình kiến trúc của EDGE cũng tương đồng với GPRS, chỉ khác là nó sử dụng kỹ thuật điều chế 8 PSK với tám khe thời gian cho việc truyền dữ liệu với tốc độ tối đa là 384 Kbps, nên mỗi khe thời gian có tốc độ là 48 Kbps.Khi người dùng đang ở chế độ GSM, nếu dùng tới các dịch vụ

dữ liệu thì nó sẽ tự động chuyển qua chế độ EDGE

 iDEN (Intergrated Digital Enhanced Network) được phát triển bởi

Motorola hoạt động trên băng tần vô tuyến di động đặc biệt sau đó được chuyển sang Nortel Bên cạnh các chức năng thông thường như chuyển mạch kênh thoại

và dữ liệu thì nó được thêm vào một vài chức năng mới như Push-to-Talk (PTT), Dispatch calls và dữ liệu dịch vụ gói

 PHS (Personal Handy Phone System) là hệ thống được phát triển ở

Nhật bản PHS là hệ thống truyền thông không dây sử dụng phương thức song công phân chia theo thời gian TDD hỗ trợ cho các dịch vụ thông tin cá nhân

 95B được phát triển từ 95A, sự khác nhau cơ bản giữa

IS-95A và IS-95B chính là nâng cấp phần mềm ở IS-95B Thật ra IS-95B là một hệ thống 2G hoặc 2.5G nhưng chưa được chuẩn hóa, nhưng nó là nền tảng cho sự phát triển của cdma2000 1X, một tiêu chuẩn 3G được chứng nhận bởi ITU

d) Mạng di động thế hệ thứ 3 – 3G

Mạng di động thế hệ thứ 3 (3G) sử dụng hạ tầng mạng và dịch vụ tương thích với chuẩn IMT-2000

Các yêu cầu đối với IMT-2000:

•Sử dụng hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng W-CDMA

•Phổ băng thông 5MHz

•Tốc độ dữ liệu khi di chuyển từ 144kbps đến 384kbps

•Tốc độ dữ liệu khi không di chuyển là 2Mbps

•Hiệu suất sử dụng phổ băng thông cao, mềm dẻo, cung cấp các dịch vụ mới và các dịch vụ truyền thông đa phương tiện

•Dữ liệu gói

•Chuyển giao liên sóng mang

•Điều khiển công suất nhanh

•Hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu qua chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói

•Tốc độ dữ liệu đạt 144kbps khi người sử dụng di chuyển với tốc độ cao trong vùng phủ rộng lớn, 384kbps khi người sử dụng đi bộ hoặc di chuyển chậm trung vùng phủ nhỏ Và hỗ trợ 2Mbps cho người sử dụng trong các tòa nhà, văn phòng

ITU gọi mạng thông tin di động 3G là mạng của tương lai hoặc gọi là Mạng viễn thông di động quốc tế IMT-2000 với tên gọi cũ là Hệ thống điện thoại di động mặt đất công cộng tương lai FPLMTS (Future Public Land Mobile Telephone System) IMT-2000 bao gồm ba hệ thống cơ bản được mô tả trong bảng 1.3

Những tiêu chuẩn chính của mạng 3G:

- Hệ thống CDMA2000, cấp phép bởi 3GGP2, là chuẩn cơ bản của công nghệ CDMA 2G thời kì đầu

- UMTS đưa ra và chuẩn hóa bới 3GPP (khác với 3GPP2) với công nghệ W-CDMA được triển khai phổ biến W-CDMA hoạt động trên băng tần 2.100 Mhz, một số khác sử dụng băng tân 850, 900 và 1.900 Mhz Trong W-CDMA, chúng tôi xem chủ yếu xem xét hai chuẩn chính là HSPA và HSPA+ do chúng có tốc độ truyền tải lớn

e) Mạng di động thế hệ sau 3G

 HSPA: chia sẽ chung hạ tầng mạng với WCDMA Để nâng cấp

WCDMA lên HSPA chỉ cần bổ sung phần mềm và một vài phần cứng trong NodeB và RNC.Lúc đầu HSPA được thiết kế cho các dịch vụ tốc độ cao phi thời gian thực, tuy nhiên đã cải thiện hiệu suất của HSPA cho VoIP và các ứng dụng tương tự khác với tên gọi mới là HSPA+ vào tháng 6 năm 2007 trong Release 7.Cả hai kỹ thuật HSDPA và HSUPA được gọi chung là HSPA Các mạng HSDPA đầu tiên được đưa vào thương mại vào năm 2005 và HSUPA được đưa vào thương mại vào năm 2007 Các thông số tốc độ đỉnh của Release 6 được cho trong bảng 1.4

Rel-0 được phát triển từ CDMA2000-1X, đúng như tên gọi thì hệ thống này chỉ

hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu và không hỗ trợ dịch vụ thoại hoặc các dịch vụ thời gian thực CDMA2000EV-DO Rev-A và Rev-B được phát triển tiếp để tăng tốc

độ dữ liệu được trình bày theo bảng 1.5

 CDMA2000 EV-DV(Data and Voice) là sự phát triển tiếp của

phiên bản EV-DO, hay còn gọi là EV-DO Rev-C và sau này nâng cấp tiếp gọi là EV-DO Rev D, hỗ trợ dữ liệu và thoại

 WiMAX: được phát triển bởi IEEE và gọi là chuẩn IEEE 801.16

và nó khác với các hệ thống di động 3G khác Phiên bản gốc của nó (IEEE 801.16-2001) là hệ thống phân phát dữ liệu qua điểm-điểm bằng vi sóng thay thế cho cáp cố định Đến phiên bản WiMAX cố định (IEEE 801.16-2004) hỗ trợ truyền thông điểm-đa điểm giữa các trạm cơ sở phát đẳng hướng và số lượng thiết bị cố định Sau đó một phiên bản sửa đổi tiếp gọi là WiMAX di động (IEEE 801.16e), cho phép các thiết bị di chuyển và chuyển giao truyền thông đến các trạm cở sở khác Các đặc điểm kỹ thuật được mô tả theo bảng 1.6

1.1.2 Mạng di động thế hệ thứ 4 – 4G

a) Giới thiệu

Ban đầu, dự định của ITU về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 4Glà IMT-Advanced với LTE-Advanced và Mobile WiMAX 2.0 (IEEE802.16m) chứ không phải là LTE hay Mobile WiMAX 1.0 (IEEE802.16e) bởi vì các nhóm phát triển đã mô tả nó là mạng 3.9G.Tuy nhiên, giới kinh doanh xem LTE cũng như Mobile WiMAX 1.0 như là thế hệ 4G Mặc dù không thể chấp nhận từ quan điểm về hiệu năng hệ thống nhưng thực tế nếu nói theo một cách lôgic thì nó là sự phát triển từ UMTS đến LTE Như vậy đây là công nghệ

về bản chất tốt hơn so với hệ thống 3G

Vào tháng 10 năm 2010, ITU đã công bố các tiêu chí về mạng 4G nhưng không có LTE và Mobile WiMAX 1.0 nhưng một vài công nghệ về bản chất tốt hơn so với hệ thống 3G, mặt khác LTE là tiền đề để phát triển LTE-Advanced phù hợp với các yêu cầu của ITU Vì vậy chúng ta chỉ cần biết rằng LTE là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư

b) Các kỹ thuật sử dụng trong LTE

Việc đảm bảo các yêu cầu cho mạng LTE chỉ có thể nhờ những tiến bộ trong công nghệ di động vô tuyến Một cách tổng quan, tôi tham khảo [24] các công nghệ cơ bản đã định hình các giao diện vô tuyến trong LTE Cuối cùng, tôi tóm tắt các khả năng hỗ trợ các loại thiết bị đầu cuối của LTE

 Công nghệ đa sóng mang: tháng 12 năm 2005, phần truy nhập vô

tuyến LTE đã lựa chọn mô hình đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA cho hướng xuống và mô hình đa truy nhập phân chia theo tần số một sóng mang SC-FDMA cho hướng lên Hai mô hình này được minh họa trong hình 1.3 sau

 Công nghệ sử dụng nhiều Ăngten: Sử dụng công nghệ dùng

nhiều ăngten cho phép khai thác miền không gian như một chiều hướng mới Điều này trở nên cần thiết trong việc tìm kiếm cho việc nâng cao hiệu suất phổ Công nghệ này mở ra một hướng nghiên cứu mới hứa hẹn có rất nhiều tính năng Công nghệ này dựa trên ba nguyên lý cơ bản được minh họa trong hình 1.4 sau

• Độ lợi phân tập: sử dụng phân tập không gian với nhiều ăngten cải tiến khả năng truyền dẫn chống lại fading đa đường

• Độ lợi mảng: tập trung năng lượng trong một hoặc nhiều đường truyền, cho phép nhiều người dùng tìm kiếm các đường khác nhau để truyền dữ liệu

• Độ lợi ghép kênh trong không gian: truyền nhiều luồng tín hiệu đến một người dùng trên nhiều lớp không gian được tạo bởi kết hợp nhiều ăngten

 Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói: LTE được thiết kế để cung

cấp đa dịch vụ sử dụng chuyển mạch gói và không sử dụng chuyển mạch kênh

Mô hình lập lịch định tuyến gói tin qua giao diện vô tuyến đã được sử dụng trong HSDPA, cho phép truyền các gói dữ liệu ngắn theo thứ tự như các khoảng thời gian trong kênh fading nhanh, được minh họa trong hình 1.5 sau

 Khả năng của thiết bị đầu cuối: thị trường thiết bị đầu cuối rất

lớn và đa dạng, do đó hệ thống LTE phải hỗ trợ các loại thiết bị đầu cuối với các khả năng khác nhau để đáp ứng các phân khúc thị trường khác nhau Nói chung mỗi phân khúc thị trường gắn các ưu tiên khác nhau như tốc độ dữ liệu đỉnh, kích thước thiết bị đầu cuối, chi phí và thời lượng pin Một số đặc điểm chung bao gồm sau đây:

• Hỗ trợ các ứng dụng với tốc độ dữ liệu cao, kích thước của thiết bị đầu cuối, chi phí và nguồn sử dụng

• Thiết bị đầu cuối có thể được nhúng trong các thiết bị lớn như máy tính xách tay thường không hạn chế về tiêu thụ điện năng hoặc có thể sử dụng số lượng ăngten trong khi truyền dữ liệu Mặt khác, ở các phân khúc thị trường khác thì yêu cầu các thiết bị đầu cuối cầm tay siêu mỏng với số lượng lớn các ăngten thu phát hoặc sử dụng nguồn pin lớn

• Hệ thống LTE hỗ trợ cho năm loại thiết bị đầu cuối được mô tả trong bảng 2.1 sau, từ chi phí thấp, tương thích với UMTS HSPA đến các loại thiết bị đầu cuối hỗ trợ tốc độ cao để khai thác công nghệ LTE

1.1.3 Các xu hướng công nghệ sau thế hệ 4G

5G (Mạng di động thế hệ thứ 5 hoặc mạng không dây thế hệ thứ 5) là công nghệ đang được nghiên cứu và các dự án mô tả giai đoạn quan trọng tiếp theo của các tiêu chuẩn viễn thông di động hơn so với tiêu chuẩn mạng 4G/IMT-

Advanced Chuẩn 5G [13] vẫn chưa được công bố các đặc điểm kỹ thuật hoặc các tài liệu liên quan rộng rãi bởi các công ty viễn thông hoặc các tổ chức chuẩn hóa như 3GPP, Diễn đàn WiMAX, hoặc ITU-R Các phiên bản tiêu chuẩn hơn

so với chuẩn 4G đang được phát triển bởi các tổ chức chuẩn hóa, nhưng tại thời điểm này vẫn chưa được coi là một thế hệ di động mới, nhưng là sự phát triển từ 4G lên

Hiện nay có rất nhiều khái niệm mới đang được nghiên cứu và phát triển cho hệ thống thông tin di động 5G, có thể liệt kê như:

 Vô tuyến nhận thức: Công nghệ vô tuyến nhận thức (CR) sẽ có

hiệu quả hơn các hệ thống thông tin liên lạc vô tuyến đã được phát triển Công nghệ vô tuyến mới chia sẻ cùng một phổ một cách hiệu quả bằng cách tìm kiếm các phổ không sử dụng và phối hợp để truyền tải các yêu cầu của các công nghệ hiện đang chia sẻ cùng phổ Vô tuyến nhận thức có các thông số về các kênh miễn phí, kênh bị chiếm đóng, loại dữ liệu được truyền, điều chế, vị trí của thiết

bị thu sóng và có khả năng nhận biết môi trường

 Đa truy nhập phân chia theo chùm BDMA(Beam Division

Multiple Access): một trạm gốc phân bổ chùm tia riêng biệt cho mỗi máy di động bằng cách nó chia chùm ăng ten theo vị trí của các máy di động Kỹ thuật

đa truy cập này làm tăng đáng kể khả năng của hệ thống

 Hỗ trợ IPv6:Mục tiêu của mạng 5G là thay thế mạng lõi di động

hiện tại với một tiêu chuẩn mạng duy nhất trên toàn thế giới dựa trên IPv6 cho điều khiển, gói dữ liệu, video và giọng nói Điều này sẽ cung cấp tiêu chuẩn thống nhất cho video và các dịch vụ dữ liệu đến các máy chủ điện thoại di động dựa trên IPv6

 Hỗ trợ IP phẳng:Trong kiến trúc IP phẳng, thiết bị được xác định

bằng cách sử dụng tên tượng trưng thay định dạng IP thông thường Dữ liệu là định tuyến của người sử dụng ban đầu để kết nối trực tiếp với người sử dụng mà không cần đi ngang qua nhiều lớp Điều này đòi hỏi kết nối trực tiếp hoặc kết nối bằng đường đi ngắn nhất giữa các bộ định tuyến lõi phẳng Trong công nghệ này chỉ có một loại truy cập nút cụ thể là có thể dùng, và nó sẽ được tích hợp trong BTS Kiến trúc IP phẳng sử dụng các thành phần trung tâm ít hơn do không chỉ làm giảm làm gián đoạn hệ thống cung cấp với tỷ lệ thất bại thấp hơn

mà còn làm giảm số lượng các thành phần chi phí hoạt động và đầu tư

 Mạng lưới phổ biến Multihoming: Đây là một kỹ thuật được sử

dụng để tăng độ tin cậy của các kết nối internet cho một mạng IP, người sử dụng

sẽ được cung cấp dịch vụ không gián đoạn Mạng 5G hỗ trợ công nghệ độc lập

và chuyển giao theo chiều dọc nên người sử dụng có thể đồng thời được kết nối

với một vài công nghệ truy cập không dây và di chuyển giữa chúng Truy cập Internet thông qua nhiều giao diện mạng hoặc địa chỉ IP đến một thiết bị duy nhất được gọi là multihoming Đối với multihoming cấu hình mạng chỉ định nhiều địa chỉ IP của các công nghệ không dây khác nhau trên cùng một thiết bị Nếu một liên kết thất bại thì địa chỉ IP của nó sẽ không hoạt động nhưng địa chỉ

IP khác sẽ vẫn làm việc vì vậy thiết bị vẫn có thể truy cập vào internet

 Các kỹ thuật phân tập cùng hoạt động trong nhóm (Group

Cooperative Diversity Techniques): Trong truyền thông hợp tác, nguồn truyền

dữ liệu đến đích cùng thời điểm đó người sử dụng hàng xóm (Relay user) cũng nhận được đường truyền Người sử dụng hàng xóm cũng chỉnh sửa và chuyển tiếp tin nhắn này đến đích và tín hiệu nhận được đã được kết hợp Cả hai tín hiệu được truyền đi với con đường khác nhau cho thấy sự đa dạng

 Hỗ trợ điện toán đám mây cho di động: Điện toán đám mây cho

di động như máy ảo, mỗi điện thoại di động có thể truy cập và yêu cầu nền tảng

để chạy ứng dụng trên thiết bị cụ thể gọi là đám mây Kỹ thuật này giúp các thiết

bị có nền tảng thấp hơn cũng có thể chạy cùng ứng dụng chỉ yêu cầu có kết nối internet

 Các trạm phát sóng nằm ở trên vùng bình lưu HAPS(High

Altitude Stratospheric Platform Station):Về cơ bản, các trạm HAPS là những chiếc máy bay treo lơ lửng ở một vị trí cố định trong khoảng cách từ 17km-22km so với mặt đất và hoạt động như một vệ tinh Cách này sẽ giúp đường tín hiệu được thẳng hơn và giảm tình trạng bị cản trở bởi những kiến trúc cao tầng Ngoài ra, nhờ độ cao, trạm cơ sở có khả năng bao phủ diện tích rộng lớn; do đó làm giảm, nếu không nói là loại bỏ, những vấn đề về diện tích vùng phủ sóng Thậm chí trên biển, nơi các trạm phát sóng trên đất liền không thể phủ sóng, cũng bắt được tín hiệu 5G

 Tiêu hao năng lượng thấp: Với sự gia tăng tốc độ bit dẫn tới tăng

tiêu thụ năng lượng tại các trạm gốc Thách thức chủ yếu cho các mạng di động trong tương lai là giảm điện năng tiêu thụ Trong các mạng di động, trạm gốc tiêu thụ hơn 60% năng lượng do đó việc giảm điện năng tiêu thụ trong các phần

tử của mạng gốc là cần thiết Hiện nay, mạng lưới được thiết kế với sự quan tâm đến tải tối đa và không xem xét tới tải trung bình và thấp Trong kịch bản thực

tế, nếu tải trên mạng tăng lên thì độ che phủ sẽ giảm và tải giảm sau đó độ che phủ sẽ tăng Để giảm tiêu thụ điện năng, cấu trúc liên kết mạng sẽ thiết kế theo cách khi tải giảm trạm gốc sẽ che phủ nhiều khu vực hơn, và chúng ta có thể đóng cửa một số các trạm gốc

1.2 Kiến trúc mạng Femtocell nhận thức cho hệ thống thông tin di động sau 4G

1.2.1 Giới thiệu

Trong việc triển khai mạng di động 4G, các nhà khoa học đã tập trung phát triển một chuẩn kết nối di động đáp ứng được những tiêu chuẩn của mạng 4G Cho tới thời điểm hiện tại, hệ thống mạng đi động sau 4G và 5G vẫn đang trong quá trình hình thành ý tưởng và được trình bày ở nhiều bài báo khoa học cũng như công bố trong các bằng sáng chế

Mạng di động 4G LTE-Advance có thể cho tốc độ tải xuống tới 1Gbps

và tải lên 512 Mbps và nhiều tính năng ưu việt khác Giới chuyên môn cũng như người dùng vẫn luôn mong đợi mạng di động 5G sẽ cho tốc độ tốt hơn và dung lượng truyền cao hơn nữa Mạng 5G cũng được kì vọng sẽ giải quyết tình trạng nghẽn cổ chai về việc phân chia tần số đang xảy ra trong mạng 4G Mặt khác, những vấn đề liên quan đến kết nối trong nhà như tín hiệu yếu, QoS không đảm bảo…cũng đều được giải quyết với mạng 5G Có nhiều khái niệm đã và đang được đưa ra để phát triển mạng 5G Chúng bao gồm: di động nhận thức, femtocell, phát sóng đa truy cập, hỗ trợ nền tảng IPv6, điện toán đám mây, điều khiển công suất phát…

Femtocell nhận thức: mạng di động nhận thức với femtocell là một công nghệ đầy hứa hẹn và đang được nghiên cứu rộng rãi Di động nhận thức hỗ trợ chia sẻ băng tần một cách chủ động Đây được xem là một công nghệ then chốt trong tương lai của kết nối không dây Để giải quyết yêu cầu của người dùng tại những nơi có mật độ cao, femtocell được đề xuất như một công nghệ di động mới để có thể cung cấp thoại không dâyvà dịch vụ internet băng rộng tới khách hàng tại những không gian nhỏ như tòa nhà, văn phòng…

1.2.2 Tổng quan về Femtocell

a) Femtocell là gì

Femtocell được hiểu là “trạm cơ sở nhà” (home base station), là điểm truy nhập mạng di động của các thiết bị di động tiêu chuẩn kết nối đến mạng nhà cung cấp dịch vụ di động thông qua các công nghệ như đường dây thuê bao số DSL, kết nối cáp băng rộng, cáp quang hoặc trạm không dây cuối cùng

b) Quá trình phát triển và chuẩn hóa của Femtocell

Khái niệm “trạm cơ sở nhà” đầu tiên được nghiên cứu bởi phòng thí nghiệm Bell của hãnh Alcatel-Lucent vào năm 1999 Trong năm 2002, Motorola thông báo phát triển sản phẩm trạm cơ sở nhà dựa trên nền tảng công nghệ 3G Tuy nhiên, cho đến năm 2005 thì khái niệm này mới được chấp nhận rông rãi Trong năm 2006, thuật ngữ“femtocell” ra đời Trong tháng 2 năm 2007, các công ty đã trình bày về femtocells tại hội nghị thế giới về di động tại Barcelona, thông báo đang thử nghiệm về nó Trong tháng 7 năm 2007, diễn đàn Femto [2]

đã được thành lập để đẩy mạnh nghiên cứu, tiêu chuẩn hóa và triển khai trên toàn thế giới Đến tháng 12 năm 2008, diễn đàn đã bao gồm hơn 100 công ty

viễn thông sản xuất phần cứng và phần mềm và các nhà cung cấp dịch vụ mạng

di động Cũng trong năm Home NodeB (HNB) và Home eNodeB (HeNB) đầu tiên được giới thiệu trong phiên bản 8 của tổ chức 3GPP Trong phiên bản LTE cũng giới thiệu về macrocell và femtocell trong quá trình triển khai mạng Femtocell tỏ ra có triển vọng cho các ứng dụng vừa và nhỏ để cung cấp cho khách hàng

Diễn đàn Femto với mục tiêu là định nghĩa các tiêu chuẩn cho thiết bị femtocell và các công nghệ được triển khai trên femtocell như các giao thức truyền thông và ứng dụng Ngoài ra tổ chức 3GPP cũng đóng góp trong việc tiêu chuẩn hóa femtocell

c) Điểm truy cập Femtocell (Femtocell Access Point)

Chức năng của femtocell cũng giống như trạm cơ sở Tuy nhiên, femtocell bao gồm RNC (Radio Network Controller, trong mạng GSM thì là BSC) và tất cả các thành phần mạng lõi Do đó, nó không cần mạng lõi tế bào

mà chỉ yêu cầu dữ liệu được kết nối đến đường dây thuê bao số hoặc cáp quang

để kết nối internet, sau đó kết nối tới mạng lõi của các nhà cung cấp dịch vụ di động, hình 1.6 mô tả cách thức kết nối của femtocell

Điểm truy nhập femtocell (Femtocell Access Point - FAP) nhìn giống như điểm truy nhập WiFi (WAP), WAP sử dụng các công nghệ truy nhập không dây như IEEE 802.11b, IEEE802.11g và IEEE802.11n, còn FAP sử dụng các công nghệ tế bào như GSM/GPRS/EDGE, UMTS/HSPA/LTE và mobile WiMAX (IEEE 802.16e)

Khác với picocells, người dùng có thể lắp đặt FAPs như là một thiết bị điện tử tiêu dùng thông thường Để giảm nhiễu giữa các Macrocell ở bên ngoài

và các femtocell lân cận thì femtocell có khả năng tự động cấu hình Quá trình

tự động cấu hình của FAP được chia thành nhiều giai đoạn, đầu tiên nó sẽ đánh giá môi trường vô tuyến, sau đó sẽ dò tự động tìm các tham số cấu hình (ví dụ như công suất phát hướng xuống, và xác định kênh con, ) và nó sẽ tự động cấu hình

Tùy theo dung lượng, FAP có thể được phân ra hai loại, một loại là Home FAP, hỗ trợ truyền đồng thời 3-5 thuê bao và Enterprise FAP, hỗ trợ đồng thời từ 8-16 thuê bao

Hình 1.3 Điểm truy nhập Femtocell

d) Đặc điểm của Femtocell

Cải thiện vùng phủ ở những nơi mà macrocell không phủ sóng tới Cải thiện lưu lượng và nâng cao dung năng cho macrocell (trong trường hợp sử dụng macrocells cung cấp vùng phủ trong nhà hoặc xa hơn thì cần nhiều công suất phát dẫn đến làm giảm dung năng của macrocell)

Giả sử rằng tín hiệu phát lọt ra ngoài từ femtocell đến macrocell tương đối nhỏ thì lớp femtocell có thể cải thiện đáng kể tổng dung lượng mạng bởi sử dụng lại phổ vô tuyến của femtocell

Femtocell cung cấp hiệu suất tần số vô tuyến cao, làm cho tốc độ truyền

dữ liệu tới thiết bị đầu cuối càng cao

Femtocell cải thiện đáng kể nguồn cho thiết bị đầu cuối, bởi vì khả năng mất đường truyền của FAP cũng như công suất phát thấp hơn so với các trạm phát macrocell ở bên ngoài Ngoài ra, nguồn pin cũng là một trong những vấn đề lớn nhất trong việc cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho các thiết bị đầu cuối di động

FAPs khi sử dụng thì chỉ cần bật công tắc nguồn, sử dụng femtocell

“xanh” hơn so với macrocell Công suất tiêu thụ của trạm phát cơ sở chiếm đáng

kể chi phí hoạt động OPEX(Operational Expenses) của nhà cung cấp dịch vụ Ở Vương quốc Anh, công suất tiêu thụ của các trạm phát hơn 3 watts trên một thuê

bao Ở một vài quốc gia đang phát triển, công suất tiêu thụ chiếm 2/3 chi phí hoạt động

Femtocell cung cấp giải pháp lý tưởng cho mạng hội tụ di động cố định FMC (Fixed Mobile Convergence)

Femtocell giữ vai trò quan trọng trong việc truyền thông di động băng rộng và phủ sóng mọi nơi

e) Triển khai Femtocell

Femtocell mang đến nhiều thuận lợi cho nhà cung cấp dịch vụ cũng như thuê bao sử dụng

i Đứng từ quan điểm nhà cung cấp dịch vụ

Số lượng lớn lưu lượng (từ 70 đến 80%) đã được chuyển từ macrocell sang femtocell, điều đó đồng nghĩa với việc không cẩn sử dụng nhiều macrocell nữa Khi đó chi phí triển khải hệ thống của các nhà cung cấp dịch vụ sẽ giảm, dẫn đến giảm phí dịch vụ

So sánh với picocell và các công nghệ trong nhà khác, femtocell là giải pháp với chi phí thấp trong khi gia tăng vùng phủ trong nhà và cải tiến chất lượng dịch vụ

ii Đứng từ quan điểm khách hàng

Với femtocell, các dịch vụ như thoại, truyền thông, video và các dịch vụ

dữ liệu tốc độ cao trở nên dễ dàng hơn

Femtocell có thể hoạt động như một điểm trung tâm kết nối tất cả các thiết bị trong nhà đến máy chủ và là cổng chính cho tất cả các thiết bị trong nhà kết nối đến internet

Femtocell sẽ tiếp kiệm nguồn cho các thiết bị đầu cuối, bởi vì khoảng cách từ thiết bị đầu cuối đến femtocell ngắn nên giảm được công suất phát, qua đó tiết kiệm đáng kể về thời lượng pin, nhất là với các thiết bị di động

f) Kiến trúc mạng Femtocell

Một mạng gồm có hai lớp, trong đó lớp cơ sở là macrocell và lớp mới thêm vào là lớp femtocell Lớp macrocell chính là trạm phát cơ sở của mạng tế bào, lớp femtocell là lớp mới và là tập hợp các femtocell và các thực thể liên quan

Hình 1.4 Kiến trúc mạng Femtocell hai lớp [10]

Trong hình 1.4, miêu tả kiến trúc mạng femtocell Femtocell chỉ phủ sóng trong nhà và lân cận trong khi đó macrocell là trạm phát cơ sở phủ sóng bao trùm lên toàn vùng và các femtocell khác

1.2.3 Mạng di động nhận thức Femtocell

a) Vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức là một thuật ngữvề một công nghệ vô tuyến thông minh được tích hợp và femtocell và có thể lập trình và cấu hình chủ động.Những femtocell được trang bị tính năng vô tuyến nhận thức có thể chủ động cảm nhận môi trường và khai thác các yếu tố mạng để chủ động làm giảm sự can nhiễu Hai chức năng chính của vô tuyến nhận thức đó là điểu khiển công suất và cảm nhận phổ tần số Điều khiển tần số được sử dụng trong các hệ thống chia sẻ và truy cập phổ tần số Nó nhằm mục đích tìm ra ngưỡng của mức SNR và bảo vệ người dùng Cảm nhận phổ được dùng để tìm ra những phổ tần số chưa được sử dụng và chia sẻ nó mà không làm can nhiễu đến những người dùng khác Kĩ thuật cảm nhận phổ có thể được chia làm ba loại: Phát hiện truyền, cảm nhận phổ băng rộng và hợp tác phát hiện

Vô tuyến nhận thức cũng liên quan tới việc hiểu và tương tác để trao đổi những thông tin cần thiết giữa các điểm truy cập lân cận nhau [11] Chúng có thể tương tác tốt hơn nếu như có thêm những thành phần như một kênh chuyên biệt hoặc sử dụng kết nối có dây

Bởi sự tăng trưởng nhanh chóng của những thiết bị di động thông minh

và ứng dụng đi kèm nên nhu cầu về kết nối không dây tăng mạnh Mặc dù vậy, tần số là hữu hạn và việc tận dụng, tái sử dụng phổ tần số là hiệu quả và cần thiết Vô tuyến nhận thức có thể nhận biết những thiếu sót trong chất lượng truyền tín hiệu tại môi trường Cụ thể, như các mức can nhiễu, truyền sai địa chỉ, shadowing và fading đa đường Nó cũng có thể thích ứng với những tham số truyền như công suất đầu ra, và điều biến để dảm bảo những trải nghiệm tốt nhất cho người dùng [12] Bởi vậy, vô tuyến nhận thức đã giải quyết được bài toán tắc nghẽn của truyền thông vô tuyến hiện tại

b) Vô tuyến nhận thức trong các hệ thống thông tin không dây

Ngày nay, công nghệ viễn thông và internet đã hội tụ để giải quyết các yêu cầu mới cho các dịch vụ không dây có độ tin cậy cao và sử dụng mọi lúc mọi nơi, đòi hỏi phải gia tăng tốc độ dữ liệu và chất lượng dịch vụ tốt hơn qua các mô hình quản lý hiệu suất phổ Mạng thế hệ tiếp theo hứa hẹn giải quyết các vấn đề về phổ để đáp ứng các mô hình dịch vụ mới giữa các mạng tế bào đang tồn tại và mở rộng[13]

Công nghệ chính cho việc nâng cao hiệu suất phổ chính là công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio), được giới thiệu lần đầu bởi Mitolla Vô tuyến nhận thức dựa trên cơ sở các sóng vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm (Software Defined Radios) và cung cấp khả năng điều chỉnh các tham số thu và phát theo các nhân tố trong và ngoài môi trường vô tuyến như phổ tần số

vô tuyến, cách thức hoạt động và trạng thái mạng

Theo thuật ngữ CR, một mạng được cấp phép chính là băng tần phổ của mạng chính PN (Primary Network) và người dùng trong mạng chính gọi là PUs (Primary Users) Mặt khác, mạng CR cũng tham chiếu đến một mạng thứ cấp

SN (Secondary Network) và người dùng trên mạng thứ cấp gọi là SUs (Secondary Users) Các người dùng trong mạng SN sẽ không làm nhiễu đến các PUs Do tính không đồng nhất được sử dụng, sự thay đổi trong các yêu cầu QoS, người dùng di động và các khả năng khác nhau của người dùng đầu cuối, các thiết kế của SN phải đưa vào các tham số hệ thống thay đổi động Có ba chức năng cơ bản mà SN phải thực hiện: cảm biến phổ, quản lý phổ và truy nhập phổ

Cảm biến phổ là thành phần quan trọng trong truyền thông vô tuyến nhận thức, vì nó cho phép CR thích ứng với môi trường của nó bằng cách phát hiện các kẽ hở phổ, nghĩa là các khu vực quang phổ để nó hoạt động một cách thích hợp Cách hiệu quả nhất để phát hiện sự sẵn có của phần quang phổ là phát hiện dữ liệu nhận của PUs trong phạm vi hoạt động của CR Tuy nhiên, mô hình phát hiện như vậy đối phó với các nguồn không chắc chắn khác nhau, từ kênh và nhiễu ồn ngẫu nhiên làm cho hạn chế khả năng của các người dùng đầu cuối và các mức độ mạng khác nhau Mặt khác, nó là khó khăn cho CR để có một phương pháp đo trực tiếp của một kênh giữa máy phát và máy thu của PU Vì vậy, hiện tại hầu hết các thuật toán cảm biến quang phổ tập trung vào phát hiện của PU truyền tín hiệu dựa trên những quan sát của CR tại vùng đó

Quản lý phổ tập trung vào xác định băng tần phổ phù hợp được sử dụng bởi mỗi SU để nhằm đáp ứng các yêu cầu của nó Môi trường không dây CR có tính động rất cao và các kẽ hở phổ thường bị phân mãnh với các kích thước khác nhau Ngoài ra, sự sẵn có của các kẽ hở quang phổ khác nhau trong miền không gian và thời gian, trong khi sử dụng phổ trong miền không gian thì bị ảnh hưởng bởi PU và SU di động Điều này làm cho việc thiết kế quản lý phổ có những thách thức lớn về các vấn đề như tối ưu hóa thời gian khác nhau và cấu trúc mạng

Truy nhập phổ được điều khiển bởi giao thức điều khiển môi trường truy nhập MAC, xác định các cơ hội truyền tải như thế nào được khai thác bởi các SUs, nhằm giảm thiểu tranh chấp và can thiệp trong đó Điều này đạt được bằng cách sử dụng các cơ chế hoạt động trong miền thời gian, tần số, mã hóa và miền không gian Tuy nhiên các giao thức MAC hiện tại không cung cấp hỗ trợ đầy

đủ cho các yêu cầu không đồng nhất của QoS Hầu hết trong những giải pháp được đề xuất xử dụng một kênh điều khiển chung (Common Control Channel)

để quảng bá thông tin đến SN, và các bản tin trao đổi đàm phán giữa máy thu và máy phát của trạm thứ cấp SN Một số đề xuất khác mà không yêu cầu sử dụng kênh điều khiển chung, bao gồm các cơ chế đồng bộ hóa nghiêm ngặt đối với các SUs

Thông thường, femtocell được triển khai bên trong các mạng di động Thiết bị sẽ đóng vai trò như một trạm cơ sở có kích thước nhỏ Với nhiều công nghệ di động như GSM, GPRS, EDGE, UMTS và HSPA, cáchãng sản xuất sẽ cho ra những thiết bị đóng vai trò là điểm truy cập femtocell khác nhau Thế mạnh của công nghệ 3G và 3,5G là tốc độ truyền cao, bởi vậy những femtocell UMTS hoặc HSPA được sản xuất ra thị trường nhiều nhất Mặc dù vậy, những công nghệ mới như LTE hay WiMAX đang thúc đẩy cộng đồng khoa học nghiên cứu, phát triển những femtocell sử dụng công nghệ này

Hình 1.5Kiến trúc mạng Femtocell nhận thức [10]

Hình 1.5 chỉ ra mô hình triển khai của một điểm truy cập femtocell ở mức độ đơn giản Femtocell và nhà cung cấp dịch vụ mạng sẽ kết nối bằng một kênh truyền tốc độ cao hoặc một đường cáp kết nối Femtocell Gateway là thiết

bị trực tiếp kết nối tới Internet và hệ thống mạng lõi Nó sẽ xác thực và cung cấp các chứng chỉ nhằm đảm bảo sự hoạt động của các femtocell đã được chứng thực [19] Iu-h là một giao thức tuyền tín hiệu giữa femtocell và femtocell gateway

Một trong những tính năng đáng giá nhất của femtocell đó là người dùng có thể tự triển khai lắp đặt những thiết bị này mà không cần quá nhiều sự can thiệp từ các chuyên gia của nhà mạng Để đạt được mục tiêu là hoạt động tốtmà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ, không gây can nhiễu với những trạm cơ sở khác, femtocell cần được thiết kế để có thể triển khai, lắp đặt dễ dàng, đồng thời thích ứng tốt với nhiều mô hình mạng khác nhau Quá trình tự cấu hình của các FAP có thể chia làm hai giai đoạn: giai đoạn cảm nhận (Sensing) và giai đoạn dò tìm tự động (auto tuning) Ở giai đoạn cảm nhận, các sóng radio ở môi trường sẽ được truy cập và cảm nhận xem phổ tần số nào đang bị chiếm lĩnh, các mức độ can nhiễu có thể có và một vài thông số khác Trong giai đoạn FAP sẽ tự động cấu hình năng lượn truyền cho kênh đường xuống và phân bố các kênh con…Quá trình cấu hình tự động của các FAP chính là điểm mấu chốt cho sự thành công trong quá trình triển khai Femtocell

d) Khả năng nhận thức cho mạng Femtocell

i Cảm biến phổ và truy nhập phổ động

Khả năng cảm biến phổ là thuộc tính cơ bản nhất và nổi tiếng nhất của nhận thức vô tuyến Vô tuyến nhận thức thông qua cảm biến phổsẽ phân tích môi trường hoạt động và nhận thức được điều kiện giao tiếp trong các băng tần đang hoạt động mà nó nhận thức được Sau khi thực hiện quét phổ, CFAPs có thể xác định vị trí phổ sẵn sàng trong cả hai tần số nhà mạng và băng tần xen kẽ

để sử dụng Khi đã xác định được kẽ hở phổ còn trống, CFAPs thực hiện phân phối tài nguyên và truy nhập trên chúng Với việc bổ xung các nguồn tài nguyên phổ mới khác với băng tần của nhà cung cấp mạng thì nhiễu trong cùng lớp và khác lớp được giảm xuống, như vậy nếu cả hai lớp femto và macro đều phân bổ tần số trực giao thì không hiệu quả trong khi phân bổ đồng kênh có thể giải quyết được các vấn đề về nhiễu Vì vậy, nguồn tài nguyên tần số này được phát hiện bởi vô tuyến nhận thức làm giảm bớt vấn đề phân bổ tần số Cho nên, trong mạng femtocell nhận thức thì chất lượng tín hiệu cao hơn, băng thông cao hơn

và hoạt động điện năng thấp hơn Hơn nữa, CFAPs thường xuyên theo dõi nhiễu trong môi trường và áp dụng phân bổ phổ tần để tránh nhiễu giữa hai lớp mạng Tuy nhiên hoạt động của CFAP sẽ bị gián đoạn bởi sự xuất hiện của chủ sở hữu

được cấp phép chính (ví dụ như các thuê bao ở mạng sơ cấp), vì vậy CFAPs phải có khả năng cung cấp nhanh chóng chuyển đổi sang dải băng tần trống xen

kẽ khác

Các CFAP cảm biến tại mỗi khoảng thời gian đo kiểm mức độ nhiễu các khoảng tần số trong băng tần mà nó quan tâm và chọn tần số với mức nhiễu thấp nhất Ví dụ, trong mạng tất cả các femtocell đều đồng bộ, CFAPs sẽ ở trạng thái

im lặng và dò tìm các mức năng lượng để xác định vị trí các khối tài nguyên (Resource Block) không được sử dụng bởi macrocell, các khối tài nguyên với mức năng lượng dưới một giá trị ngưỡng được đánh dấu sẵn sàng sử dụng bởi CFAPs Tuy nhiên, nếu các femtocell ở gần nhau thì các mức năng lượng được

sử dụng bởi femtocell có thể giống hệt nhau dẫn đến gây nhiễu đồng lớp Hơn nữa, quyết định khoảng thời gian cảm biến, cung cấp đồng bộ hóa cho cảm biến

và các thuật toán xử lý quyết định trong các kiểu phân phối đòi hỏi phải nâng cao khả năng nhận thức tại CFAPs Áp dụng phương pháp lý thuyết trò chơi (Game-theory) có thể được coi là lý tưởng cho việc đưa ra quyết định phân cấp, có thể được áp dụng trong quyết định phổ

Cảm biến phổ thực hiện hai việc đó là tìm kiếm khoảng trống phổ dành cho femtocell sử dụng và cho phép truyền ưu tiên cao hơn Trong trường hợp đầu, CFAP dùng một dải băng tần phổ và cung cấp chúng cho người sử dụng dựa trên chính sách phân phối tài nguyên của mình Trong trường hợp sau, nếu một tín hiệu được phát hiện ở mạng sơ cấp là tần số f1 lớn hơn tần số truyền thông trong băng tần này thì được di chuyển đến băng tần f2 Quá trình này phải được thực hiện một cách nhanh chóng nếu không thì lúc đó các người dùng ở femtocell sẽ bị gián đoạn trong thông tin liên lạc Thời gian chuyển giao phổ liên quan trực tiếp đến mô hình cảm biến phổ, cơ chế báo hiệu và thiết kế kênh điều khiển chung (Common Control Channel) Để có thể chuyển đổi trong quá trình truyền từ tín hiệu băng tần sơ cấp sang một băng tần khác, CFAP phải biết

về các băng tần rỗi trong dải phổ khác của macrocell hoặc trong phổ không cấp phép Sự nhận biết này đạt được nhờ kỹ thuật cảm biến phổ, ví dụ như cảm biến phổ theo chu kỳ hoặc không theo chu kỳ, cảm biến chủ động hoặc phản ứng Sau khi đã xác định được một tần số mới thì CFAP sẽ báo hiệu đến người sử dụng liên quan, và cung cấp chuyển đổi ngay cho người dùng mà không làm gián đoạn Báo hiệu có thể thông qua các kênh riêng, ví dụ như kênh điều khiển chung riêng biệt hoặc thông qua các kênh đã sử dụng trên tín hiệu sơ cấp ban đầu Nếu một kênh riêng tồn tại, xử lý báo hiệu có thể hoàn thành đơn giản trong việc truyền các bản tin điều khiển thông qua kênh đó Tuy nhiên, nó có thể không hiệu quả trong việc sử dụng tài nguyên Ngược lại, nếu không có kênh riêng đó thì các bản tin báo hiệu có thể bị trễ và còn có thể bị mất gói tin Do đó,

CFAP phải sử dụng các mô hình quản lý phổ hiệu quả trong khi phải xem xét lại các vấn đề trên

ii Tự tổ chức mạng

Do femtocell không biết được mô hình lớp mạng và thiếu thông tin về số lượng femtocell cũng như liên quan đến khả năng mở rộng Ngoài ra nó cũng không xác định được vị trí tổ chức và điều khiển các femtocell từ các thực thể trung tâm(ví dụ như macrocell BS) Hơn nữa, một thuê bao không thể thực hiện các nhiệm vụ cấu hình nâng cao và phức tạp đến FAPs Vì vậy, FAPs phải có khả năng thực hiện các nhiệm vụ cấu hình tự động và cũng có thể tự tổ chức phân cấp Tự tổ chức được tính toán đơn giản, khả năng mở rộng và hiệu quả cao hơn so với tối ưu hóa mạng tập trung Vô tuyến nhận thức với khả năng tự

tổ chức mạng có thể phát triển cho mạng femtocell để hệ thống tự quản và tự động hóa Các tính chất cơ bản được liệt kê như sau:

•FAP là thiết bị được thiết lập từ người dùng, do đó nó đòi hỏi cài đặt và cấu hình một cách nhanh chóng cho người sử dụng không phải là chuyên gia

Do đó một FAP mới được cài đặt có thể nhận thông tin điều khiển mạng tự động

từ nhà cung cấp mạng thông qua các kết nối backhaul và quản lý tự cấu hình mà không cần các bước cấu hình phức tạp Đây là một đặc tính cần thiết vì các thông số hoạt động được điều chỉnh tùy thuộc vào môi trường vô tuyến tại vùng đó Cấu hình tự động là tối quan trọng cho động cơ thức đẩy khách hàng mua femtocell và sử dụng nó một cách đơn giản, cắm vào là chạy

• Một CFAP cũng có thể phân tích môi trường tần số vô tuyến và quảng

bá các kết quả cảm nhận được đến các CFAP lân cận Tương tự như vậy, nó có thể quảng bá thông tin các kênh sử dụng cũng như các femtocell lân cận có thể xem xét trong việc phân phối tài nguyên

• Mỗi CFAP tùy thuộc vào nhu cầu lưu lượng có thể phân bổ một tỷ lệ các kênh tần số Phân bổ kênh dựa trên tải cũng như tăng cường cân bằng tải trong mạng mà CFAPs yêu cầu nhiều lưu lượng hoặc nhu cầu người dùng yêu cầu băng thông lớn sẽ được nhận nhiều hơn so với các FAP mà ở đó nhu cầu sử dụng ít

Hơn nữa, vô tuyến nhận thức có tiềm năng đáng kể để cung cấp khả năng tự tổ chức như tự cấu hình, tự chẩn đoán, tự tối ưu hóa và tự bảo vệ Chức năng tự cấu hình là đặc biệt cần thiết trong trường hợp các thiết bị mạng do nhiều nhà cung cấp Người dùng có thể mua các thiết bị femtocell từ các nhà sản xuất thiết bị khác nhau và mỗi thiết bị đó phải có khả năng tự cấu hình và thích nghi với môi trường hoạt động không đồng nhất đó 3GPP LTE giới thiệu các khái niệm về tự tổ chức mạng (Self Organizing Network) như là khái niệm quan trọng để cung cấp với chi phí hiệu quả và chi phí hoạt động và bảo dưỡng SONs với các chức năng self-x nhằm giảm chi phí lắp đặt và quản lý bởi các hoạt động