Cân bằng lưu lượng small cell trên băng tần cấp phép và băng tần không cần cấp phép

Một cách khác để sử dụng đồng thời cả hai băng tần cấp phép và không cấp phépđược điều tra trong nghiên cứu trước đó của chúng [4] trong đó đề xuất rằng cácfemtocells có thể sử dụng công

- -BÀI TIỂU LUẬN

Đề tài: “ Cân bằng lưu lượng small cell trên băng tần cấp phép và băng

tần không cần cấp phép“

Hà nội, năm 2015

Sinh viên thực hiện:

Lớp : Khóa:

Mục lục

Danh mục bảng biểu, hình vẽ

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

IFW Intergrated Femto-WiFi Femto-Wifi tích hợp

DBF Dual-Band Femtocell Femtocell băng tần kép

wDevice WiFi-only device Thiết bị chỉ có WiFi

sDevice “Smart” device Thiết bị thông minh

UE User equipment Thiết bị người dùng

RAT Radio Access Technology Công nghệ truy nhập vô tuyến

WLAN Wireless Local Area

Network Mạng cục bộ (LAN) không dây

mBS Macro base station Trạm gốc trong macro cell

mDevice Macro device Thiết bị trong macro cell

fBS Small cell base station Trạm gốc trong small cell

RLC Radio Link Control Điều khiển kết nối vô tuyến

CQI channel quality indicator Bộ chỉ thị chất lượng kênh truyền

Phần A: Tổng quan về “Small Cell LTE”

I Tổng quan về “Small cell LTE”.

Trong mạng thông tin di động tế bào, sóng rađio được phủ nhờ vào các trạmphát sóng BTS Mỗi một BTS sẽ phủ một vùng gọi là cell (tế bào) Nhiều cell đượcthiết kế cận kề nhau để phủ sóng trên diện rộng Chính vì cấu trúc này mà mạng thôngtin di động còn được gọi là mạng tế bào hay mạng tổ ong Trong mạng thông tin diđộng tế bào truyền thống, chúng ta thường nghe nhắc đến macrocell (tế bào vĩ mô, cóbán kính phủ lớn tầm km), microcell (tế bào vi mô, có bán kính phủ giới hạn vài trămmét) Với sự phát triển của mạng thông tin đi động tế bào, người ta còn thiết kế cácpicocell (vùng phủ tương tự như một AP Wi-Fi) để tăng khả năng của hệ thống và tăngtốc độ truyền thông

Gần đây, khái niệm small cells mới được ra đời Small cellslà node truy nhập

vô tuyến công suất thấp dùng băng tần cấp phép hoặc không cần cấp phép với vùngphủ sóng từ 10 mét đến 2 km, trong khi các macrocell phủ sóng trên 10 km Với nhàcung cấp dịch vụ di động đang khó khăn trong việc tăng trưởng quá mức của dữ liệu diđộng, việc sử dụng biện pháp giảm tải dữ liệu di động (Mobile data offloading) hiệuquả hơn nhờ việc sử dụng hiệu quả phổ tần số.Small cells là biện pháp quan trọng choviệc giảm tải dữ liệu 3G, và rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động dùng Smallcellsnhư biện pháp duy nhất để nâng cao hiệu quả phổ tần số LTE hơn so vớimacrocells ARCchart dự báo đến năm 2017 sẽ có khoảng 5 triệu thiết bị Smallcellsđưa vào sử dụng hàng năm

Trong các khu vực thành thị, tập trung dân cư đông, ước tính đến 70% lưu lượngtập trung bên trong các tòa nhà như khu văn phòng, khu mua sắm, nhà ở,… Như vậy,với mạng lưới truyền thống như mạng vĩ mô (Macro) khó có thể cung cấp đủ lưulượng cũng như phủ xuyên thấu trong các tòa nhà Vì vậy, small cell là một giải pháptối ưu nhất, hiệu quả nhất cho các ứng dụng trong các tòa nhà, làm tăng dung lượng,phủ điểm cho các tòa nhà, cho các điểm "lõm" và các khu vực mua sắm,

Các loại small cells

Small cells bao gồm femtocells, picocell và microcell Mạng Small cellsbao gồm

bộ phát tập trung và bộ phát phân tán Công nghệ Beamforming (tập trung sóng vôtuyến vào vùng nhất định) áp dụng để nâng cao hiệu quả vùng phủ sóng Yếu tổ nổitrội của công nghệ Small cells là nhà cung cấp di động quản lý tập trung

Dạng phổ biến nhất của small cells là femtocells Femtocells được thiết kế dùngcho hộ gia đình và doanh nghiệp nhỏ, với khoảng cách phủ sóng ngắn và giới hạnkênh Femtocells khi mở rộng vùng phủ sóng lên sẽ thành: metrocells, metrofemtocells, public access femtocells, enterprise femtocells, super femtos, Class 3femto, greater femtos và microcells

Small cells phủ sóng trong khoảng từ 10 m trong khu đô thị và tòa nhà đến 2 km tạivùng nông thôn Picocells và microcells phủ sóng từ vài trăm mét đến vài km, tuy

nhiên chúng khác với femtocell là không phái lúc nào thiết bị cũng có khả năng tự tổchức và tự quản lý.

II Ứng dụng của Small cell trong mạng viễn thông thế hệ mới

Small cells là một phần của mạng tương lai LTE Trong mạng 3G, small cells dùng

để giảm tải dữ liệu di động Với mạng 4G, mạng heterogeneous network (HetNet)được đưa ra giúp nhà cung cấp dịch vụ di động xây dựng nên các lớp tế bào nhỏ hoặclớn Trong LTE, tất cả các tế bào đều tự tổ chức Home NodeB (HNB), khái niệm3GPP hiện nay sẽ là femtocells hộ gia đình

Trong tương lai thiết kế truy nhập sóng vô tuyến sẽ bao gồm nhiều small cell vàmacrocell chồng lên nhau Với sóng vô tuyến điều khiển bằng phần mềm, một trạm cóthể là 2G, 3G hoặc 4G qua lựa chọn và điều chỉnh hướng phát sóng rất dễ dàng

Phần B: Cân bằng lưu lượng Small cell trên băng tần cấp phép và băng tần không cần cấp phép

Tóm tắt

Tổ chức Third Generation Partnership Project (viết tắt tên tiếng Anh là 3GPP) gầnđây đã bắt đầu chuẩn hóa “Licensed-Assisted Access using LTE” cho small cell, trongbài báo này gọi là Dual Band Femtocell (DBF), trong đó sử dụng giao diện của LTEtrong cả hai băng tần được cấp phép và không cấp phép dựa trên tính năng tập hợpsóng mang Long Term Evolution (LTE) Hoặc diễn đàn small cell giới thiêu vềIntegrated Femto-WiFi (IFW) small cell nó cho phép truy cập đồng thời trên cả haibăng tần cấp phép (thông qua giao diện di động) và băng tần không cấp phép (thôngqua giao diện WiFi)

Trong bài báo này, một thuật toán thực tế cho IFW và DBF để tự động cân bằnglưu lượng của chúng trong các băng tần được cấp phép và không cần cấp phép, dựatrên kênh thời gian thực, can nhiễu và điều kiện lưu lượng của cả hai băng tần được

mô tả Các thuật toán xem xét thực tế rằng một số “smart” devices (sDevices) có cảsóng di động và sóng WiFi trong khi một số thiết bị WiFi-only devices (wDevices) chỉ

có thể có sóng WiFi Ngoài ra, các thuật toán xem xét một kịch bản thực tế mà ngườidùng small cell duy nhất có thể đồng thời sử dụng nhiều sDevices và wDevices quamột trong hai IFW, hoặc DBF kết hợp với một mạng WiFi nội bộ (WLAN) Mục đích

để tối đa hóa người dùng thì tổng số người sử dụng hài lòng/tiện ích của người dùngsmall cell, trong khi vẫn giữ các nhiễu từ các small cell tới macrocell dưới ngưỡng xácđịnh trước Thuật toán này có thể được thực hiện ở điều khiển kết nối vô tuyến(RLC),hoăc lớp mạng của các trạm IFW và DBF small cell trạm gốc Kết quả chứng minhrằng các thuật toán cân bằng lưu lượng được đề xuất áp dụng cho các IFW hoặc DBFlàm tăng đáng kể tiện ích tổng hợp của tất cả các macrocell và người dùng small cell,

so với thực tiễn hiện tại Cuối cùng, vấn đề thực hiện khác nhau của IFW và DBFđược giải quyết

I Giới thiệu

Small cells như là một phần của tầng thứ hai trong nhiều tầng mạng di động đãđược coi là một phương tiện hiệu quả để thúc đẩy dung lượng và mở rộng phạm vivùng phủ Có hai loại small cells được sử dụng rộng rãi Một là femtocell có chungcác băng tần cấp phép di động với macrocells [1], [2] Một loại khác là các hotspotWiFi được xây dựng bởi các nhà khai thác di động để giảm tải lưu lượng truy cập từcác băng tần được cấp phép của họ với băng tần không cấp phép Hình 1 thể hiện bản

đồ phổ của hai phương pháp này trong trường hợp 1 và 2 tương ứng

Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng thuật ngữ "thiết bị" để chỉ các thiết bị đầucuối của người dùng cuối trong Long Term Evolution (LTE) và truyền thông WiFi,được gọi là các thiết bị người dùng(UE) ở Dự án đối tác thế hệ thứ 3 (viết tắt tên tiếngAnh là 3GPP) và các "trạm" trong IEEE 802.11 WiFi Ngày nay, nhiều thiết bị "thôngminh" như điện thoại thông minh, máy tính bảng và iPad được trang bị cả WiFi vàgiao diện di động Để cải thiện tốc độ dữ liệu của các thiết bị thông minh(sDevices),Small Cell được diễn đàn đề xuất là the Integrated Femto-WiFi (IFW)[3] cái mà thiết

bị truyền ở hai bằng tần là băng tần cấp phép (qua giao diện di động) và băng tầnkhông cấp phép (qua giao diện WiFi) với các thiết bị thông minh Phổ IFW thể hiện ởtrường hợp 3 của hình 1

Một cách khác để sử dụng đồng thời cả hai băng tần cấp phép và không cấp phépđược điều tra trong nghiên cứu trước đó của chúng [4] trong đó đề xuất rằng cácfemtocells có thể sử dụng công nghệ LTE trong cả hai băng tần cấp phép và không cấpphép thông qua tính năng kết hợp sóng mang LTE [5], kết quả ở Dual-Band Femtocell(DBF) trong trường hợp 4 của hình 1 Vào tháng 9 năm 2014, 3GPP chấp thuận đềnghị ngành công nghiệp để [6] bắt đầu chuẩn hóa "Access Licensed-Assisted usingLTE" cũng thường được gọi là LTE-không cấp phép, LTE-U và U-LTE Ý tưởngchính của LTE-U là giống như một khung DBF trong bài báo này Từ khi không cócấp phép phổ tần được chia sẻ bởi nhiều nhà khai thác di động và các thiết bị khôngphải di động, làm thế nào để truy cập vào các băng tần không cấp phép và làm thế nào

để chia sẻ các băng tần không cấp phép với các thiết bị khác là điều cần thiết để trảinghiệm người dùng DBF Tuy nhiên, những vấn đề chưa được giải quyết trong [6] và

có thể là một phần quan trọng trong nỗ lực tiêu chuẩn hóa

Thông tin liên lạc tầm ngắn dữ liệu phát sinh trong Small cells thường chứa cácloại các thiết bị khác nhau Một loại là sDevice được trang bi cả WiFi và giao diện diđộng được thảo luận ở trên Chúng tôi coi LTE như các mạng di dộng tế báo Côngnghệ truy cập vô tuyến (RAT) trong bài viết này để sử dụng các tính năng tập hợp vậnchuyển sóng mang LTE cho DBF Một loại khác là WiFi-only device(wDevice) như

TV, máy tính để bàn, máy in không dây và camera giám sát video, mà thường đượctrang bị WiFi nhưng không có giao diện di động Cellular-only devices chỉ được coi làkhông, như các thiết bị di động mới nhất thường có một giao diện WiFi Ngoài ra, mộtngười sử dụng duy nhất có thể sử dụng nhiều thiết bị cùng một lúc

Hình 1: Phổ và công nghệ truy cập vô tuyến sử dụng bởi mỗi loại small cell (LTE)

và WiFi đại diện cho giao diện được sử dụng trong một băng tần; hộp trống có nghĩa là phổ không được sử dụng.

Ví dụ, trong một khu dân cư, một người dùng có thể xem video clip trên máy tínhbảng của mình cùng nhau qua WiFi và giao diện di động (sử dụng IFW hoặc DBF),trong khi camera giám sát video không dây của mình liên tục chuyển video trực tiếpđến WiFi access point (AP) Do đó, sự hài lòng của người dùng có thể đến từ kinhnghiệm tổng thể từ nhiều sDevices và wDevices Ở trường hợp 1 và 3, Small cell(WiFihotspot and IFW) có thể phục vụ cả có thể phục vụ cả sDevices và wDevices Tuynhiên, ở trường hợp 2 và 4, small cell di động chính là (femto cell and DBF tươngứng) không phục vụ wDevices do đó chúng tôi giả định các femto cell và DBF đượctriển khai với mạng không dây không di động mạng lưới khu vực địaphương(WLAN)Aps mà không thể tích hợp vật lý với các femto hoặc DBF với cáctrạm ( BS ) trong cùng một hộp Bốn trường hợp sử dụng được tóm tắt trong Hình 2.Trong hình và thông qua bài báo, Chúng chứng tỏ macro BS và thiết bị bởi mBS vàmDevice, tương ứng và small cell( của trường hợp 1,2,3 và 4) BS như fBS

Trong nghiên cứu này, các "small cell" chủ yếu đề cập đến các tế bào cho thông tinliên lạc tầm ngắn trong các khu dân cư và doanh nghiệp, như thể hiện trong bốntrường hợp sử dụng ở hình 2 “macro cell” đề cập đến pico, micro hoặc macro cells.Ngoài ra, "WiFi" đề cập đến giao diện được xác định bởi các tiêu chuẩn IEEE 802.11;các "WiFi hotspot" chỉ đề cập đến các tế bào của small cell ở Trường hợp 1; các

"WLAN" chỉ đề cập đến các mạng không di động được sử dụng bởi các wDevicestrong trường hợp 2 và 4

Tiêu điểm của bài báo là ở trường hợp 3 và 4 đươc xác định ở hình 2 và minh họahình 3 Sự đóng góp có thể được tóm tắt như sau

+ Để cho DBF sử dụng giao diện LTE ở băng tần không cấp phép, chúng tôi đềxuất một kế hoạch truy cập kênh đó gắn với cấu trúc khung LTE Một khi kênh thuđược, các DBF sẽ thực hiện theo các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến LTE ở băng tầnkhông cấp phép

+ Chúng tôi đề xuất một thuật toán cân bằng lưu lượng động trên băng tần cấpphép và không cấp phép cho IFW và DBF đó nhằm mục đích tối ưu hóa trải nghiệmngười dùng tổng thể từ nhiều sDevices và wDevices trong thông tin liên lạc tầm ngắn.Các thuật toán dựa trên thời gian thực kênh, nhiễu và tình trạng lưu lượng của cả haibăng tần Chúng tôi xây dựng và giải quyết cho các chương trình cân bằng lưu lượngđường xuống tối ưu để tối ưu hóa các tiện ích sử dụng (sự hài lòng) từ tất cả sDevices

và wDevices thuộc cùng một người dùng trong khi điều khiển giao thoa bị rò rỉ từ cácsmall cell để các macrocell

+Tối ưu lớn nhất tiện ích được mô tả trong các bảng trước đó được thực hiện bằngcách điều khiển kênh thời gian trong băng tần được cấp phép và băng tần không cấpphép Một khi thời gian sử dụng kênh tối ưu trong các băng tần không cấp phép đượcxác định, các small cell điểu khiển tham số kênh truy nhập của nó để đạt được kênhthời gian Quá trình truy cập các tham số kênh điều chỉnh phụ thuộc vào RAT được sửdụng trong các băng tần không cấp phép Chúng tôi nghiên cứu cách các thông số truycập kênh có thể được điều chỉnh cho IFW, trong đó sử dụng các giao diện sóng WiFi,

và cho DBF, trong đó sử dụng các giao diện sóng LTE ở băng tần không cấp phép,tương ứng

+ Chúng tôi cung cấp mô phỏng hệ thống rộng lớn mà cho thấy thuật toán cân bằnglưu lương đề xuất cải thiện đáng kể người dùng tương ứng cho IFW và DBF, so vớithực tế hiện nay, nơi các thiết bị thường phải lựa chọn chỉ có một băng tần (cấp phéphoặc không cấp phép) để sử dụng tại một thời điểm, như trong trường hợp 1 và 2 củahình 1

Bài báo này mở rộng thuật toán cân bằng lưu lượng truy cập DBF chúng tôi trướcđây [7] bằng cách xem xét nhiều thiết bị WLAN không có di động, kết hợp với cáckịch bản IFW, và giới thiệu một trường hợp sử dụng mới trong đó một người dùng duynhất có thể sử dụng nhiều thiết bị Cả hai bài báo này và [7] dựa trên các chương trìnhtruy cập kênh trong nghiên cứu trước đó của chúng [4] Công việc này có liên quanđến [8] trong đó đề xuất rằng các small cells LTE sử dụng băng tần khoảng trắngtruyền hình được cấp phép Đó là đề xuất trong [8] rằng small cell LTE sử dụng nhảytần và thời gian nhảy trong băng tần trắng truyền hình để giảm sự can thiệp từ các thiết

bị khác trong băng tần; trong khi nghiên cứu này đề xuất một kế hoạch truy cập kênhcảm ứng cho các small LTE để truy cập các băng tần và giảm nhiễu, mà cũng có thểđược áp dụng cho các khoản nghiên cứu (SI) "chưng nhận được Hỗ trợ truy cập bằngcách sử dụng LTE" mà gần đây đã được chấp thuận cho 3GPP Rel-13 [6] Ngoài ra,các tài liệu hiện có trên băng tần không cấp phép LTE [8] [9] không điều tra các vấn

đề cân bằng lưu lượng trên hai băng tần

Bài báo này được tổ chức như sau Trong phần II, chúng tôi cung cấp các mô hình

hệ thống Trong phần III, chúng tôi giới thiệu một chương trình truy cập kênh trungcho DBF để sử dụng băng tần không cấp phép Trong phần IV, chúng tôi đề xuất mộtthuật toán cân bằng lưu lượng cho các small cells để chỉ định lưu lượng trên các băngtần được cấp phép và không cấp phép Quá trình RAT phụ thuộc vào các thông số truycập kênh điều chỉnh được phân tích tại phần V cho IFW và trong phần VI cho DBF.Trong phần VII, chúng tôi đánh giá thuật toán lưu lượng cân bằng đề xuất thông qua

mô phỏng hệ thống Trong phần VIII, chúng tôi kết luận bài báo và so sánh IFW vàDBF từ một quan điểm thực hiện

Hình 2 Bốn trường hợp sử dụng xem xét trong bài báo này Trường hợp 1 và 2 là đường cơ sở Trường hợp 3 và 4 là trọng tâm của bài báo này LTE và WiFi đại diện cho không gian giao diện được sử dụng trong một băng tần ; hộp trống có nghĩa là quang phổ không được sử dụng Lưu ý rằng trong trường hợp 2 và 4, các sDevice có thể chọn một trong hai small cell di động hoặc các WLAN không di động ; để đơn giản, chúng ta giả sử nó luôn chọn những small cell.

Hình 3 Minh họa của các trường hợp 3 và 4 là kịch bản được xem xét trong bài báo này

vô tuyến được gọi là các kênh con Trong băng tần không cấp phép, các nút khác nhauchia sẻ tài nguyên theo thời gian không phải tần số, vì vậy chúng tôi không xem xétcác kênh con

Trong bài báo này, "WiFi hotspot", "IFW" và "DBF" đề cập đến cả fBS và tất cảcác thiết bị liên quan sử dụng công nghệ truy cập vô tuyến thích hợp Thuật ngữ

"WLAN" nói đến mạng lưới được hình thành bởi một AP WiFi và wDevices cùng tồn

tại với sDevices trong trường hợp 2 và 4; trong khi thuật ngữ "WiFi hotspot "đề cậpđến những tế bào nhỏ trong trường hợp 1 của hình 1 được sử dụng bởi cả hai sDevices

và wDevices

Chúng tôi giả định rằng IFW và DBF BSs điều khiển cân bằng truyền dẫn trêncác băng tần được cấp phép và không cấp phép Làm thế nào để phân bổ tài nguyên vôtuyến ( năng lượng, tần số và thời gian) với các thiết bị cá nhân trong một mạng trongbăng tần cấp phép là một vấn đề phức tạp [12], và nằm ngoài phạm vi của bài viết này

mà trọng tâm là phân bổ tài nguyên vô tuyến giữa các mạng tế bào bao gồm macro cell

và small cells (IFW hoặc DBF) và mạng WLAN Vì vậy, để đơn giản, chúng ta chỉxem xét một sDevice duy nhất trong một small cell; mở rộng cho các trường hợp smallcell có nhiều thiết bị có thể căn cứ trên phân tích tương tự trong bài báo này

Trong trường hợp sử dụng IFW, chúng ta xem xét một IFW fBS và mBS, IFWfBS được kết nối với một sDevice và Nw wDevices, MBS phục vụ một NM

mDevices Trong khi đó, trong trường hợp sử dụng DBF, chúng ta xem xét một DBFfBS, một WiFi AP và một mBS, DBF fBS được kết nối với một sDevice, WiFi APđược kết nối với NW wDevices, và mBS phục vụ NM mDevices AP WiFi có thể hoặckhông được tích hợp với FBS DBF Chúng tôi xem xét các trường hợp WiFi WLAN

và DBF sử dụng cùng một băng tần không cấp phép, đó là trường hợp xấu nhất về hiệusuất mạng Trong cả hai trường hợp sử dụng, các sDevice và wDevices được sử dụngbởi một người dùng đơn lẻ hoặc một nhóm người sử dụng Trong băng tần không cấpphép, các DBF FBS tranh giành kênh truyền với Nw wDevices Chúng tôi giả địnhrằng có nhiều Nw, và mỗi nút tranh giành (wDevice hoặc DBF FBS) có thể cảm nhậnđược các nút khác Hơn nữa, xác suất DBF FBS truy cập được vào các băng tần khôngcấp phép được ký hiệu là PDBFsuc Nếu Tattempt (khoảng thời gian giữa hai lần truycập từ FBS DBF) được so sánh với thời gian truyền dẫn của các thiết bị băng tầnkhông cấp phép khác, nó là hợp lý để giả định rằng sự thử truy cập kênh FBS là độclập

Chúng tôi giả định không có nhiễu bên ngoài các băng tần không cấp phép, trừnhững xung đột giữa các máy phát trong IFW, DBF và WLAN; trong trường hợp xungđột, chúng tôi giả định rằng WiFi truyền luôn luôn thất bại, mặt khác, lỗi truyền dẫnđang bị bỏ qua vì tốc độ dữ liệu thích nghi với SINR tức thời [13] Ngoài ra, các vấn

đề thiết bị đầu cuối ẩn và hiện (hidden terminal and exposed terminal problems) có thểđược phát hiện bởi DBF và IFW fBSs qua chất lượng kênh downlink LTE (CQI) phảnhồi trên băng tần cấp phép Trong băng tần không cấp phép, nếu fBS cảm nhận chấtlượng kênh CQI tốt trong khi từ phản hồi UE là liên tục dưới một ngưỡng, FBS có thểxác định rằng các UE là dưới nhiễu cao từ thiết bị đầu cuối ẩn Tương tự như vậy, nếuFBS cảm nhận chất lượng kênh CQI xấu trong khi từ báo cáo UE là liên tục trên mộtngưỡng, FBS có thể xác định rằng bản thân FBS tìm ra vấn đề thiết bị đầu cuối Lưu ýrằng việc phát hiện các thiết bị đầu cuối ẩn và hiện là rất khó, nếu không muốn nói làkhông thể, khi chỉ sử dụng một băng tần không cấp phép (ví dụ, WiFi, Bluetooth) Các

fBS có thể có các hướng giải quyết khác khi phát hiện các thiết bị đầu cuối ẩn, ví dụchọn một tần số sóng mang không cấp phép khác để hoạt động, điều đó nằm ngoàiphạm vi của bài báo này.

Các giao diện LTE [5] hỗ trợ cả truy nhập phân chia theo thời gian(TDD) và(FDD) truy nhập phân chia theo tần số Trong nghiên cứu này chúng tôi xem xét chế

độ FDD-LTE Chúng tôi chỉ xem xét đường truyền downlink cho mDevices vàsDevices và giả định sDevices chỉ sử dụng băng tần không cấp phép cho đường truyềndownlink trong cả IFW và DBF (đường truyền uplink sử dụng các băng tần cấp phép).Đối với các wDevices, chúng ta xem xét cả hai đường truyền downlink và uplink, dodownlink tranh giành với uplink một cách ngẫu nhiên và không thể nghiên cứu riêng

rẽ Trong băng tần không cấp phép, hiệu suất của các sDevices trong cả hai trường hợp

sử dụng IFW và DBF là phụ thuộc vào lưu lượng truy cập của các thiết bị wDevicescùng tồn tại, có thể được mô tả bởi các tham số w

di động hai lớp, chúng tôi giả định rằng mDevices và sDevices luôn có lưu lượngđường xuống để nhận(ví dụ, lưu lượng tải của họ lớn hơn lưu lượng các lớp vật lý cóthể hỗ trợ) Trong băng tần cấp phép, chúng tôi giả định rằng mBSs không điều chỉnhnăng lượng truyền dẫn khi có nhiễu của small cells

Cả LTE và WiFi có nhiều điều chế, hệ thống mã hóa (MCSS) và MCSS thíchứng của chúng với tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời (SINRs) Trong thực tế, hàm tốc

(.)

R

tại Mục IV-C; sau đó tại Mục IV-G, chúng tôi sẽ xem xétkhung đóng cho hàm tốc độ LTE thực tế Rõ ràng là small cells băng tần không cầncấp phép hàm tốc độ

băng tần được cấp phép, các fBS điều khiển năng lượng truyền tải

( )k f

P

và nhận biếtđược SINR

( )k f

fm

h

(k = 1, 2, , K) từ fBS đến mDevice sử dụng kênh con k trong các băng tần cấpphép Để đơn giản, chúng tôi không xem xét đến fading, tính di động hoặc máy thuphát đa ăng ten, mà chủ yếu sẽ ảnh hưởng đến việc đạt được SINRs và độ lợi kênhtrong vấn đề của chúng tôi

Một hàm U(S) được sử dụng để đánh giá sự hài lòng của người sử dụng về băngthông đạt được S Chúng tôi sẽ xem xét các hàm logarit để đạt được tỉ lệ cân đối [14],

ln(.)

là hàm logarit tự nhiên Mặt lõm của hàm logarit cũng nắm bắt được nhữngtrải nghiệm người dùng điển hình về băng thông, như băng thông tăng lên người sửdụng hài lòng hơn khi băng thông thấp

III Hệ thống truy nhập kênh DBF cho LTE băng tần không cần cấp phép

Các tiêu chuẩn LTE nâng cao [5] giới thiệu tập hợp các đặc trưng truyền dẫn, chophép lên tới 5 thành phần sóng mang (CCs) sẽ được tổng hợp để tạo thành một giaodiện vô tuyến LTE duy nhất với băng thông lên đến 100MHz trong cả downlink vàuplink Các CCs có thể là kề nhau, không kề nhau hoặc trong các băng tần khác nhau[5] DBF đề xuất của chúng tôi sử dụng các giao diện không gian LTE trong cả haibăng tần được cấp phép và không cấp phép thông qua tính năng kết hợp sóng mangLTE

LTE được thiết kế dựa trên các giả định về sử dụng phổ tần riêng, điều đó làkhông đúng trong các băng không cần cấp phép nơi các thiết bị với giao diện khônggian khác nhau cùng tồn tại Tuy nhiên, các chương trình truy cập kênh hiện có trongcác băng tần không cấp phép như IEEE 802.11 chức năng phân phối (DCF) và chứcnăng phối hợp điểm (PCF) [13], không được thiết kế cho giao diện không gian diđộng, và không phù hợp với cấu trúc khung LTE Truyền dẫn LTE được tổ chức trongkhung phụ định kỳ theo thời gian, và chỉ có thể bắt đầu ở đầu của khung phụ [5] Kếtquả là, cố gắng truy cập kênh trong băng tần không cấp phép phải diễn ra ngay trướckhi thời gian bắt đầu của khung phụ Nếu không, ngay cả khi fBS có được kênh, nókhông thể truyền tải cho đến khi thời gian bắt đầu của khung phụ tiếp theo, và có thể

mất cơ hội truyền vì thiết bị băng tần không cấp phép khác sẽ thấy kênh nhàn rỗi vàtruyền tải Vì vậy, trong phần này, chúng tôi đề xuất một hệ thống truy cập kênh vớicấu trúc khung LTE Sau khi truy cập vào các băng tần băng tần không cấp phép, fBS

sẽ thực hiện theo các tiêu chuẩn giao diện không gian LTE và phân bổ tài nguyên vôtuyến cho sDevices điều khiển kênh băng tần cấp phép

Hình 4: Cơ chế truy cập kênh Dual-Band Femtocell (DBF) trong các băng tần không cấp phép.

Hai nguyên tắc này được tuân thủ trong việc thiết kế các hệ thống truy cập kênhDBF cho các băng tần không cần cấp phép: 1) Các FBS cảm nhận phổ tần không cấpphép để tránh nhiễu từ những quá trình truyền đang diễn ra bởi các thiết bị băng tầnkhông cấp phép khác 2) hệ thống truy cập kênh gắn với kết cấu khung LTE

Hình 4 minh họa các sơ đồ truy cập kênh được đề xuất Các FBS cố gắng truycập vào các kênh tại thời gian định kỳ được gán trước, gọi là "cơ hội truy nhập." Thờigian của các cơ hội truy nhập được ký hiệu là Tattempt Tại mỗi cơ hội truy nhập, cácFBS cảm nhận băng tần không cấp phép trong Tsensing giây Nếu kênh nhàn rỗi, FBS

sẽ truy cập vào kênh và sử dụng nó trong một thời gian cố định TcellTx; nếu khôngFBS sẽ chờ cơ hội truy cập tiếp theo

Như thể hiện trong hình 4, để phù hợp với sơ đồ này truy cập kênh với cấu trúckhung phụ LTE định kỳ, chúng tôi cần cả hai Tattempt và TcellTx nên là bội sốnguyên của khung phụ LTE Thời gian đó là 1ms [5] cũng như vậy , Tattempt baogồm các Tsensing và các cơ hội truy nhập,Tsensing phải trước ranh giới khung phụLTE để có thể hoàn thành cảm nhận băng tần không cấp phép FBS ngay tại ranh giớikhung phụ LTE và sử dụng toàn bộ khung phụ LTE Hơn nữa, như chúng ta sẽ thấytrong mục VI, một DBF FBS có thể điều chỉnh việc sử dụng băng tần không cấp phépcủa mình bằng cách điều chỉnh các thông số Tattempt và TcellTx Trong thực tế, cáckênh cảm nhận thời gian Tsensing chủ yếu được xác định bởi các phần cứng và là thứ

tự của 10 micro giây [13] đó ít hơn so với Tattempt và TcellTx, do đó có tác độngkhông đáng kể đến hiệu suất DBF

Để ngăn chặn DBFs việc giữ kênh trong một thời gian dài, FBS không nên truycập kênh ngay lập tức sau khi sử dụng kênh Nếu kết thúc một phiên truyền xảy ra một

cơ hội truy nhập, FBS nên bỏ qua nó; nếu kết thúc của một truyền là ở giữa hai cơ hộitruy nhập, FBS nên bỏ qua cơ hội truy cập ngay lập tức sau khi kết thúc việc truyềntải Điều này đảm bảo rằng Tattempt nhỏ nhất giữa hai truyền dẫn liên tiếp cho cácthiết bị khác cùng truy cập băng tần không cấp phép

IV Cân bằng lưu lượng small cell trên băng tần cấp phép và băng tần không cấp phép

Trong phần này chúng tôi xây dựng các công thức về chiến lược cân bằng lưulượng cho các small cell trong trường hợp 3 và 4 ở hình 2 để ấn định lưu lượng trênbăng tần cấp phép và băng tần không cấp phép Việc xây dựng được thực hiện vớicông nghệ truy nhập vô tuyến độc lập băng tần không cần cấp phép, do đó có thể ápdụng cho cả thiết bị IFW và DBF; trong khi sự bổ xung sẽ được thực hiện đối với côngnghệ truy nhập vô tuyến phụ thuộc và được mô tả ở phần V áp dụng với thiết bị IFW

và trong mục IV áp dụng cho thiết bị DBF

A Các tham số truyền dẫn cho cân băng lưu lượng

Các thiết bị IFW và DBF truy nhập vào băng tần không cấp phép dựa trên sự cảmnhận kênh truyền, vì vậy tại một thời điểm bất kỳ chỉ có duy nhất một thiết bị có thể sửdụng kênh truyền, và do đó có thể loại trừ sự xung đột Vì thế băng tần không cấpphép được chia sẻ đúng lúc giữa hai thiết bị khác nhau, và sự sử dụng băng tần khôngcần cấp phép có thể được biểu thị tốt nhất bởi khoảng thời gian mà một thiết bị chiếmdụng kênh truyền Chúng tôi sẽ điều khiển sự sử dụng băng tần không cấp phép trongsmall cell bằng cách điều chỉnh phần thời gian chiếm kênh

f

t

của nó, điều này sẽ tác

động đến thời gian t w, tổng thời gian kênh truyền được sử dụng bởi tất cả các thiết bịchỉ có giao tiếp wifi (wDevice) Băng tần cấp phép được dùng đồng thời bởi cả smallcell và macro cell, và một số thiết bị trong mạng macro có thể sẽ chịu xuyên nhiễunghiêm trọng từ các small cell [2] Chúng tôi sẽ thiết lập công suất truyền của fBS

( )k f

P

trong các kênh con thứ k, vì vậy mà xuyên nhiễu đến các thiết bị trong mạng macro cóthể điều khiển được, khi đó có thể thu được hiệu suất mong muốn cho các thiết bịsDevices

B Tối ưu hóa lợi ích người dùng đường xuống cho các trường hợp sử dụng DBF

và IFW

Như trình bày ở mục II về mô hình hệ thống, cho cả DBF và IFW, có một thiết bịthông minh (sDevice – có thể truy nhập vào cả mạng di động và mạng wifi) và có NWthiết bị chỉ có wifi (wDevice) được sử dụng bởi một người dùng đơn lẻ và một nhómđơn lẻ các người dùng Thiết bị sDevice chia sẻ băng tần không cấp phép với NW thiết

bị chỉ có wifi, và chia sẻ băng tần cấp phép với NM thiết bị macro cell (mDevice).Trạng thái bộ đệm (ví dụ đầy bộ đệm hoặc bộ đệm trống) của các thiết bị chỉ có wifi

không chỉ phụ thuộc vào tập hợp tải của nó w

60%

f

t =

,các thiết bị wDevice sẽ ở trạng thái đầy bộ đệm Nhắc lại rằng các thiết bị sDeviceluôn luôn nhận lưu lượng, do vậy thời gian

t

là phần thời gian lớn nhất mà băng tần không cấp phép có thể được sửdụng; trong trường hợp khác, thành phần kênh truyền băng tần không cấp phép sẵn cókhông được sử dụng, dẫn đến gần điểm tối ưu Do đó, với sự cân bằng lưu lượng tối

ưu trong các cell DBF và IFW, các thiết bị wDevice sẽ luôn ở trạng thái đầy bộ đệm,mặc dù các tải lưu lượng của chúng có thể bị giới hạn

Tài liệu tham khảo [16] và [18] cho thấy một mạng WLAN với các trạm đầy bộđệm và không có người dùng nào khác sử dụng băng tần không cấp phép, trạm WLANthứ i có thành phần thời gian là i

α được xác định bởi các tham số truy nhập kênhtruyền và các điều kiện kênh truyền của tất cả các trạm Do đó, trong DBF và IFW sửdụng trường hợp cân bằng lưu lượng tối ưu, thời gian truyền dẫn

w,i

t

của thiết bịwDevice thứ i (trong một phần của toàn bộ thời gian kênh truyền) là

w,i i w , i = 1,2, , N , W

t =αt

(3)Trong đó tw là thời gian sử dụng kênh truyền của tất cả NW thiết bị wDevice Từ đóthông lượng của một thiết bị wDevice là

W,i W, w,i i W,i i w, 1, 2, , W,

(4)Trong đó RW,i được xác định bởi hàm tốc độ WiFi RW(.) và tỉ số SINR của thiết bịtức thời thứ i Trong phần IV-C, chúng tôi thể hiện rằng tham số i

α không ảnh hưởngđến giải pháp tối ưu cuối cùng

Thông lượng của thiết bị sDevice đến từ cả băng tần cấp phép và băng tần khôngcần cấp phép Trong băng tần cấp phép, thiết bị sDevice và mDevice sử dụng băng tầnmột cách đồng thời, do đó cần kiểm soát lưu lượng để duy trì nhiễu giao thoa từ fBSđến các thiết bị mDevice dưới ngưỡng quy định Trong băng tần không cần cấp phép,

truy nhập kênh truyền kiểu “lắng nghe trước khi nói” được sử dụng một cách rộng rãi(ví dụ như WiFi), do đó nhiễu giao thoa không phải là một vấn đề lớn, do đó chúng tôikhông áp dụng điều khiển công suất trong trường hợp này Nhớ lại rằng fBS biết được

tỉ số SINR đường xuống thông qua phản hồi từ thiết bị, ngoài ra, bằng tần cấp phép vàkhông cần cấp phép sử dụng nguồn ngân sách riêng lẻ do sự quy định khác nhau củachính phủ, do vậy tốc độ dữ liệu băng tần không cần cấp phép RU là một hằng số đượcxác định bởi hàm tốc độ WiFi RW(.) (đối với IFW), hàm tốc độ LTE RL(.) (với DBF)

và tỷ số tín hiệu tín hiệu trên nhiễu tức thời trong băng tần không cần cấp phép Kênhtruyền băng tần không cần cấp phép được chia sẻ đúng lúc bởi các thiết bị sDevice và

wDevice, vì vậy chúng tôi điều khiển phần thời gian chiếm kênh t f được sử dụng bởithiết bị sDevice Khi đó thông lượng của sDevice là

( )k f

( ) ( )

W, w 1

, ,

k f f

( )k

f tot k

hơn giá trị xuyên nhiễu nhiệt lớn nhất được cho phép I k trong kênh con thứ k ( k = 1,

2, …, K), nó là các tham số hệ thống được định nghĩa trước các tham số hệ thống màquyết định sự cân nhắc hiệu năng giữa các macro và small cell trong băng tần cấpphép Ràng buộc (8) thể hiện một thực tế rằng, trên thực tế, sự tổng thời gian sử dụngbăng tần không cần cấp phép phải nhỏ hơn hoặc bằng phần thời gian chiếm kênh lớnnhất tmax mà băng tần không cần cấp phép được sử dụng Ràng buộc (9) chỉ ra rằng sự

sử dụng kênh truyền của tập hợp thiết bị wDevice không thể lớn hơn thời gian đã đượcxác định bởi tập hợp tải lưu lượng.

Để thuận tiện cho việc trình bày, chúng tôi xem như thời gian tw như là một biếncho fBS để tối ưu hóa trong việc trình bày các vấn đề như trên; tuy nhiên, giải phápcuối cùng trong phần IV-C thể hiện rằng fBS không cần điều chỉnh tw – bất cứ khi nào

fBS điều chỉnh thời gian t f của nó, thời gian tw cũng được điều chỉnh một cách tự động.Mục tiêu (6) tối đa hóa toàn bộ sự trải nghiệm/lợi ích người dùng từ tất cả các thiết bịsDevice và wDevice được sử dụng bởi người dùng (hoặc nhóm người dùng), và nótương đương với

( ) w

( ) ( )

, ,

k f f

Các mô hình toán học (6)-(11) chia sẻ một số điểm tương đồng với các vấn đề tối

ưu trong tài liệu tham khảo [2]; tuy nhiên, không giống như tài liệu [2] chỉ xem xétđến băng tần cấp phép, sự tối ưu của chúng tôi còn xem xét sự cân bằng lưu lượng trên

cả băng tần cấp phép và băng tần không cần cấp phép

C Giải pháp cho bài toán tối ưu

Trong bài toán tối ưu ở trên,

( )k f

P

, chúng tôi giảiquyết bài toán tối ưu sau đây

k k

(13)Điều kiện

( )k ,

f tot k

∑

(14)

2 ( ) ( )

*( )

2 ( ) ( )

P

thu được ở trên, chúng tôi tiếp tục giải quyết bàitoán tối ưu (16)-(18) Vì

*( )k f

Hàm mục tiêu (16) là một hàm tăng theo thời gian

(24)Chúng tôi tạm thời bỏ qua ràng buộc (24), lấy đạo hàm biểu thức (23) theo tham số

1 1

tot L f

f

(26)Bởi vì các thiết bị sDevice luôn có dữ liệu để nhận; trong trường hợp thành phầnkênh truyền băng tần không cần cấp phép sẵn dùng sẽ không được sử dụng điều nàydẫn đến điểm cực thuận

t =t −t

(28)

Kết quả (28) thể hiện rằng fBS có thể điều khiển thời gian sử dụng kênh truyền tw

của thiết bị wDevice bằng cách điều chỉnh thời gian sử dụng kênh truyền t f của thiết bịsDevice

Trạm fBS sẽ tính toán công suất truyền tối ưu

*( )k f

P

trong kênh con thứ k của băng tần cấp phép Chú ýrằng mặc dù tốc độ dữ liệu RW của thiết bị wDevice xuất hiện trong công thức (6),nhưng nó lại không xuất hiện trong giải pháp cuối cùng về công suất

*( )k f

về cân băng lưu lượng tối ưu

D Trực giác về giải pháp lưu lượng tối ưu

Trong phần này, chúng tôi trình bày trực giác về khả năng tối ưu thời gian t f

Trường hợp H1: Đầu tiên, chúng tôi xem xét trường hợp tải lớn của thiết bị

wDevice trong đó thỏa mãn hai điều kiện (29) và (30)

1

tot L

tot W

'

f

t

của kênhtruyền băng tần không cần cấp phép miễn là thông lượng của băng tần cấp phép thìcũng có thể thu được từ băng tần không cần cấp phép