ỨNG DỤNG TRIỂN KHAI FEMTOCELL TRONG MẠNG DI ĐỘNG VINAPHONE

Các công nghệ quan trọng nhất trong mạng truy nhập vô tuyến của LTE là OFDM, ấn định tài nguyên đa kích thước thời gian, tần số và thích ứng đường truyền , truyền dẫn MIMO Multiple Input

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG LTE/LTE ADVANCE 1.1 Tổng quan hệ thống LTE

1.1.1 Giới thiệu hệ thống LTE

LTE (Long term evolution: phát triển dài hạn) là tên dành cho tieu chuẩn mới

do 3GPP phát triển để đáp ứng các yêu cầu không ngừng tăng về tốc độ số liệu để đáp ứng các dịch vụ đa phương tiện IP LTE là bước phát triển tiếp sau của các hệ thống 2G và 3G để tiến đến cung cấp mức độ chất lượng tương tự như các mạng truyền thống hiện nay

 Các mục tiêu để thiết kế chính của LTE bao gồm :

 Hệ thống phải hỗ trợ tốc độ đỉnh đường lên là 100Mbps và đường xuống

là 50 Mbps trong băng thông 20MHz hay tương đương với các giá trị hiệu suấtphổ tần pha đinh là 5 bps/Hz đường xuống là 2,5 bps/Hz đưởng lên Hệ thống tham chuẩn có 2 anten trong UE cho đường xuống và 1 anten trong UE cho đường lên

 Hiệu suất phổ tần đường xuống gấp 3 đến 4 lần R6 HSPA và đường lên gấp 2 đến 3 lần R6 HSPA trong mạng có tải

Các công nghệ quan trọng nhất trong mạng truy nhập vô tuyến của LTE là OFDM, ấn định tài nguyên đa kích thước (thời gian, tần số) và thích ứng đường truyền , truyền dẫn MIMO (Multiple Input Multiple Output), mã hóa turbo va HARQ (Hybrid Automatic Rêpat Request) với kết hợp mềm.

Trong LTE , cả sơ đồ truyền dẫn đường lên và đường xuống đều có thể ấn định băng tần khác nhau cho người sử dụng theo nguyên lý FDMA Ấn định này có thể được điều chỉnh theo thời gian dựa trên lập biểu Kiểu ấn định này được gọi là ấn định tài nguyên đa kích thước (thời gian, tần số) Để ấn định tài nguyên thuận tiện, tài nguyên LTE có thể trình bày ở dạng lưới thời gian – tần số Phần tử nhỏ nhất của lưới thời gian tần số được gọi là phần tử tài nguyên gồm 1 sóng mang con trong khoảng thời gian 1 ký hiệu Đơn vị ấn định tài nguyên nhỏ nhất là một khối tài nguyên gồm 12 sóng mang con trong thời gian 1 khe

 LTE sử dụng đa anten với các công nghệ MIMO khác nhau bao gồm:

+ SU-MIMO (Single User MIMO) đơn người dùng+ MU-MIMO (Multiple User MIMO ) đa người dùngMIMO: là một phương pháp để nhân rộng công suất của một kết nối vô tuyến

sử dụng nhiều truyền và nhận ăng-ten để khai thác tuyên truyền đa đường MIMO đã trở thành một yếu tố thiết yếu của tiêu chuẩn truyền thông không dây bao gồm IEEE 802.11n (Wi-Fi), IEEE 802.11ac (Wi-Fi), HSPA + (3G), WiMAX (4G), và Long Term Evolution (4G) Gần đây hơn, MIMO đã được áp dụng để giao tiếp điện-đường cho việc cài đặt 3 dây như là một phần của tiêu chuẩn ITU G.hn và đặc điểm kỹ thuật HomePlug AV2

 Kiến trúc vô tuyến 4G LTE

Giao diện vô tuyến được ký hiệu là LTE Uu (Hình 1.1) Khác với kiến trúc 3G UMTS, 4G LTE không sử dụng RNC được đặt ngay trong eNode B để có thể sử lý nhanh hơn các thay đổi trên đường vô tuyến nhanh hơn Ngoài ra mạng lõi là mạng lõi gói phát triển được xây dựng trên nền IP Giao diện vô tuyến giữa UE và eNodeB được

ký hiệu là LTE Uu

Hình 1.1: Kiến trúc mạng 4G LTE

1.1.2 LTE-Advanced

LTE Advanced là một tiêu chuẩn truyền thông di động và một cải tiến đáng kể của các tiêu chuẩn Long Term Evolution (LTE) Nó được chính thức đệ trình như một ứng cử viên hệ thống 4G ITU-T vào cuối năm 2009 là đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn IMT-Advanced

Các mục tiêu của 3GPP LTE Advanced là để đạt và vượt các yêu cầu của ITU

LT Advanced cần được tương thích với các thiết bị LTE phát hành đầu tiên, và nên chia sẻ băng tần LTE phát hành đầu tiên Trong nghiên cứu khả thi cho LTE Advanced, 3GPP xác định rằng LTE Advanced sẽ đáp ứng các yêu cầu của ITU-R cho 4G

LTE Advanced (LTE-A) mạng là tiến hóa phát hành LTE, nhằm đáp ứng không dây mạng lưới tiếp thị nhiều hơn nhu cầu và ứng dụng, cũng như để đáp ứng hoặc vượt quáyêu cầu từ IMT-Advanced trong tương lai gần Trong khi đó, LTE-A vẫn còn lạc hậuso sánh cho LTE Các công nghệ mới như wilreless Carrier Aggregation,tăng cường UL / DL MIMO, phối hợp đa điểm Tx & Rx, Relay và nâng cao Giữa các cell nhiễu điều phối không đồng nhất Mạng được thông qua trongLTE-A hệ thống mạng

Nó làm tăng đáng kể khả năng hệ thống truyền cao điểmtốc độ dữ liệu, hiệu quả quang phổ trung bình, phổ trung bình của hiệu suất pin và dùng cạnh,cũng như tăng hiệu quả của mạng, do đó LTE- A sẽ trở thànhhầu hết công nghệ truyền thông tiềm năng

Một trong những lợi ích nâng cao LTE quan trọng là khả năng tận dụng lợi thế của mạng topo tiên tiến; tối ưu hóa mạng không đồng nhất với một kết hợp của macrocells với các nút công suất thấp như picocells, femtocell và các nút chuyển tiếp mới Tiếp theo thực hiện bước nhảy vọt đáng kể trong các mạng không dây sẽ đến từ việc tạo ra các cấu trúc liên kết, và mang mạng gần gũi hơn với người sử dụng bằng cách thêm nhiều các nút điện năng thấp - LTE Advanced sẽ cải thiện được khả năng và bao phủ, và đảm bảo sử dụng công bằng LTE Advanced cũng giới thiệu đa sóng để có thể sử dụng băng thông cực rộng, lên đến 100 MHz băng tần hỗ trợ tốc độ dữ liệu rất cao

Công nghệ di động LTE-Advanced sẽ mang lại năng lực mạng lưới cao hơn, tốc độ dữ liệu nhanh hơn, và vùng phủ sóng rộng hơn.

Hình 1.2 : Ưu điểm LTE Advanced

Đúng như ngụ ý của cái tên, LTE-Advanced là nhằm tăng cường cho LTE Điều tuyệt vời đối với khách hàng là hai chuẩn này hoàn toàn tương thích với nhau Các máy điện thoại LTE-Advanced sẽ vẫn hoạt động trên các mạng LTE, và các máy LTE

cũ vẫn kết nối được với các mạng LTE-Advanced Các nhà mạng cũng được hưởng lợi

từ điều này Những nhà mạng nào muốn nâng cấp lên LTE-Advanced không cần phải cóp nhặt cho được phổ tần số không dây mới hay xây dựng cơ sở hạ tầng mới như khi

họ chuyển đổi từ 3G lên LTE

Các nhà mạng sẽ không triển khai tất cả các tính năng của LTE-Advanced ngay lập tức Cũng giống như LTE, chuẩn mới này không phải là một công nghệ riêng lẻ mà

lại là một tập hợp gồm rất nhiều công nghệ, và các nhà mạng sẽ lựa chọn từng thành phần tùy theo nhu cầu Ví dụ như các nhà mạng ở Hàn Quốc hiện đang tuyên bố là có mạng LTE-Advanced thực ra chỉ nói tới duy nhất một chức năng của chuẩn này, được biết tới với tên gọi là “cộng gộp sóng mang” (carrier aggregation).

• Tính năng này giúp tăng băng thông tới một thiết bị di động bằng cách ghép các kênh tần số, hay còn gọi là sóng mang, nằm ở các phần khác nhau trên phổ tần

số không dây, lại với nhau LTE thông thường có thể truyền tải dữ liệu nhờ sử dụng các đoạn phổ tần số liền kề có chiều rộng tối đa là 20MHz Tuy nhiên do ngày càng có nhiều công ty và thiết bị tranh đua nhau sử dụng phổ tần số không dây, những dải phổ tần số rộng như vậy ngày càng hiếm hoi Hầu hết các nhà mạng do mua từng dải tần số lẻ tẻ mỗi khi họ có thể nên đều sở hữu những tập phổ tần số không liên tục

Công nghệ cộng gộp sóng mang giải quyết được vấn đề này Nó cho phép các nhà mạng kết hợp những kênh nhỏ, tách biệt của họ lại thành “một kênh cực lớn,” Sang-min Lee, một quản lý cấp cao tại trung tâm nghiên cứu phát triển của SK tại Seoul, cho biết Ví dụ, để truyền tải dịch vụ LTE-Advanced của mình, SK gộp hai kênh rộng 10MHz nằm ở 800MHz và 1,8GHz, lại thành một kênh rộng 20MHz, do đó về cơ bản có thể tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu khả dụng cho mỗi khách hàng

+ Ngoài cộng gộp sóng mang, LTE-Advanced còn có bốn tính năng chính khác biệt với chuẩn tiền nhiệm Đầu tiên trong số này là MIMO (Multiple Input, Multiple Output-đa đầu vào, đa đầu ra) Nó cho phép các trạm thu phát

và các thiết bị di động gửi và nhận dữ liệu bằng nhiều ăng-ten LTE có hỗ trợ phần nào MIMO nhưng chỉ cho chiều tải xuống Ngoài ra chuẩn này còn giới hạn số lượng ăng-ten ở mức tối đa là bốn bộ phát ở phía trạm và bốn bộ thu ở thiết bị di động LTE-Advanced thì cho phép tối đa tám cặp thu phát ở chiều tải xuống và bốn cặp ở chiều tải lên

• MIMO thực hiện hai chức năng Ở môi trường không dây nhiều nhiễu như tại rìa các cell hoặc trong một ô tô đang di chuyển các bộ phát và thu sẽ phối hợp với nhau để tập trung tín hiệu vô tuyến vào một hướng cụ thể Chức năng “tạo tia” (beamforming) này giúp cho tín hiệu thu được mạnh lên mà không cần phải tăng công suất phát

Khi sóng tín hiệu mạnh còn nhiễu thì yếu như khi người dùng đứng yên

và ở gần trạm phát MIMO có thể được dùng để làm tăng tốc độ dữ liệu, hay tăng số lượng người dùng, mà không phải dùng thêm phổ tần số Kỹ thuật này

có tên là “ghép kênh không gian” (spatial multiplexing), giúp nhiều luồng dữ liệu được truyền đi cùng lúc, trên cùng tần số sóng mang Ví dụ, một trạm thu phát với tám bộ phát có thể truyền đồng thời tám luồng tín hiệu tới một máy điện thoại có tám bộ thu Do mỗi luồng dữ liệu tới mỗi bộ thu có hướng, cường

độ, và thời gian hơi khác nhau một chút nên các thuật toán xử lý trong máy có thể kết hợp chúng với nhau và dựa vào những khác biệt này để tìm ra các luồng

dữ liệu gốc

Thông thường thì ghép kênh (theo) không gian có thể làm tăng tốc độ dữ liệu tỷ lệ thuận với số cặp ăng-ten thu phát Do vậy, trong trường hợp khả quan nhất, tám cặp thu phát có thể tăng tốc độ dữ liệu lên khoảng tám lần

Một công nghệ quan trọng khác của LTE-Advanced là truyền nối tiếp (relaying), được dùng để mở rộng vùng phủ sóng tới những nơi có tín hiệu yếu Các kỹ sư thiết kế mạng vẫn thường dùng công nghệ này để mở rộng vùng phủ sóng của các trạm thu phát tới nơi xa xôi hoặc trong đường hầm của tầu hỏa Dẫu vậy thì các bộ truyền nối tiếp thông thường, hay còn gọi là bộ lặp, lại khá đơn giản Chúng nhận tín hiệu, khuyếch đại, rồi truyền đi

• LTE-Advanced hỗ trợ các chế độ truyền nối tiếp tiên tiến hơn Trước tiên nó sẽ giải mã tất cả các dữ liệu thu được rồi sau đó chỉ chuyển đi những dữ liệu có đích đến là các thiết bị di động mà mỗi bộ truyền nối tiếp đang phục vụ Phương pháp này giúp giảm can nhiễu và tăng số lượng khách hàng kết nối tới

bộ truyền nối tiếp LTE-Advanced còn cho phép các bộ truyền nối tiếp dùng cùng phổ tần số và các giao thức của trạm thu phát để liên lạc với trạm thu phát

và với các thiết bị đầu cuối Lợi thế của việc này là nó cho phép các máy LTE kết nối tới bộ truyền nối tiếp như thể đó là một trạm thu phát thông thường Bộ truyền nối tiếp sẽ chỉ phát sóng vào những thời điểm cụ thể khi mà trạm thu phát không hoạt động để tránh gây nhiễu cho trạm thu phát

Một công cụ quan trọng khác của LTE-Advanced thì sẽ giúp giải quyết hiện tượng nghẽn mạng Được biết tới với cái tên eICIC (enhanced inter-cell interference coordination), nó sẽ được sử dụng trong hệ thống được gọi là mạng phức hợp Trong mạng này, các trạm thu phát công suất thấp sẽ tạo ra các cell nhỏ nằm chồng lên mạng lưới các cell lớn do các trạm thu phát thông thường tạo ra Rất nhiều nhà mạng đã bắt đầu sử dụng các trạm thu phát nhỏ với nhiều mức kích cỡ (còn được gọi bằng các tên metro-, micro-, pico-, hay femtocell)

để tăng mức tải dữ liệu trong các vùng đô thị đông đúc Những bộ thu phát này

có kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, không cồng kềnh, và lắp đặt thì dễ dàng hơn Do vậy mà giới phân tích cho rằng chúng có tương lai tươi sáng Nhưng khi các nhà mạng đặt ngày càng nhiều trạm thu phát vào cùng một khu vực, họ

sẽ phải tìm cách để giảm thiểu can nhiễu khó tránh khỏi giữa chúng

• Giao thức eICIC được xây dựng dựa trên giao thức ICIC của LTE vốn để giúp giảm can nhiễu giữa hai cell lớn Sử dụng ICIC, một trạm thu phát có thể giảm công suất phát ở những tần số và khoảng thời gian cụ thể trong khi một trạm kế bên sử dụng những tài nguyên đó để liên lạc với các máy đang ở rìa vùng phủ sóng của nó Tuy nhiên phương pháp chia sẻ phổ này chỉ có tác dụng với các

luồng dữ liệu Để liên lạc được với một thiết bị di động và giúp nó hiểu được luồng dữ liệu thì trạm phát phải truyền đi các tín hiệu điều khiển trong đó có chứa các thông tin về quản lý như lịch trình hoạt động, các yêu cầu phát lại, và các chỉ dẫn để giải mã Do thiết bị di động chờ các thông điệp này tới trên các tần số và thời điểm cụ thể, nên một trạm phát không thể thoải mái cho các trạm bên cạnh dùng những tài nguyên đó mỗi khi chúng cần LTE giải quyết vấn đề này bằng cách phát các tín hiệu điều khiển có thể chịu được lượng can nhiễu tương đối cao.

Tuy vậy, sự xuất hiện của các cell nhỏ lại làm cho mọi việc phức tạp hơn Ví dụ khi một số thiết bị di động muốn thiết lập kết nối tới một cell nhỏ đang nằm trong một cell lớn, thì các tín hiệu điều khiển từ cell lớn có thể lấn át những tín hiệu này từ cell nhỏ Giao thức eICIC xử lý tình huống này theo một trong hai cách sau Nếu hệ thống mạng có sử dụng kỹ thuật cộng gộp sóng mang để ghép hai hay nhiều kênh tần số thì cell lớn và cell nhỏ sẽ chỉ việc sử dụng các kênh tách biệt để gửi các tín hiệu điều khiển Tuy vậy cả hai cell đều

sử dụng tất cả các kênh để truyền dữ liệu nên khách hàng di động vẫn hưởng lợi

từ việc gộp băng thông Hai cell này chia sẻ phổ tần số, bằng cách phối hợp với nhau để sử dụng các tần số trong những thời điểm khác nhau, tương tự như trong ICIC

Đối với các mạng chỉ sử dụng một kênh tần số, eICIC có một giải pháp khác Nó cho phép cell lớn dừng việc truyền dữ liệu và giảm công suất phát tín hiệu điều khiển trong những khoảng thời gian dài 1/1000 giây đã được quy định trước, gọi là các khung cấp thấp (subframe) Một cell nhỏ có thể thu xếp để truyền cả tín hiệu điều khiển và dữ liệu trong những khoảng thời gian này Kỹ thuật này cho phép nhiều người dùng kết nối tới cell nhỏ và do vậy tăng dung lượng dữ liệu

• Tính năng chính cuối cùng trong danh sách các tính năng của LTE-Advanced sẽ giúp cải thiện hơn nữa tín hiệu và tăng tốc độ dữ liệu tại rìa cell, nơi mà có thể khó có được một kết nối tốt Kỹ thuật này có tên gọi là CoMP (coordinated multipoint – phối hợp đa điểm) Về cơ bản, nó cho phép một thiết bị di động cùng một lúc trao đổi dữ liệu với nhiều trạm thu phát Ví dụ như hai trạm thu phát liền kề có thể cùng lúc gửi dữ liệu giống nhau tới một thiết bị do đó tăng khả năng nhận được tín hiệu tốt của thiết bị đó Tương tự như vậy, một thiết bị cũng có thể cùng một lúc tải dữ liệu lên cả hai trạm thu phát, các trạm này đóng vai trò như một mảng ăng-ten ảo sẽ cùng nhau xử lý tín hiệu thu được để loại

bỏ lỗi Hoặc thiết bị có thể tải dữ liệu lên qua cell nhỏ ở gần bên, giúp giảm năng lượng phát trong khi vẫn nhận tín hiệu tải xuống tốt từ một trạm thu phát lớn hơn

Các nhà mạng sẽ mất tới hàng năm trời để đưa vào sử dụng tất cả các tính năng của LTE-Advanced Hiện tại, rất nhiều nhà mạng vẫn chưa triển khai

những tính năng phức tạp của LTE như các dịch vụ thoại và phần mềm “tự tổ chức” vốn được thiết kế để giúp các trạm thu phát tự động thích nghi với các trạng thái mạng hay tự hồi phục lại sau sự cố.

1.2 Giới thiệu về mạng femtocell LTE

Hiện nay, chúng ta đang sống trong thời đại thương mại của 4G sử dụng LTE, tuy nhiên vẫn còn tồn tại một thách thức đối với nguồn tài nguyên tần số hạn chế Vấn

đề này dẫn đến tần số cao được điều hành trong hệ thống mạng thông tin liên lạc mới, thông thường hệ thống hoạt động ở tần số cao hơn 2GHz Do sự suy giảm của sóng điện từ tuyên truyền, tín hiệu truyền sóng ở mức độ khác nhau của sự suy giảm trong môi trường khác nhau như tín hiệu truyền thông qua các bức tường, cửa sổ Riêng tần số cao hơn 2GHz, khi sóng truyền đi qua bức tường của tòa nhà sẽ bị suy giảm nghiêm trọng hơn Kết quả là, vấn đề này gây rắc rối cho mạng trong nhà hiệu quả của người sử dụng

Để giải quyết vấn đề này, mạng femtocell đã được đề xuất trong LTE và trong LTE- Advanced nó không chỉ nhằm giải quyết rằng mạng lưới để trong nhà, phạm vi bao phủ sử dụng, nhưng cũng để tránh hiệu quả các vấn đề của sự can thiệp giữa các tế bào và tăng cường chất lượng

Một macrocell là một tế bào trong một mạng điện thoại di động cung cấp vùng phủ sóng vô tuyến phục vụ bởi một trạm gốc tế bào năng lượng cao (tháp) Nói chung, macrocells có bao phủ lớn hơn microcell Các ăng-ten cho macrocells được gắn trên cột buồm trên mặt đất, mái nhà và các cấu trúc khác hiện có, ở độ cao mà cung cấp một cái nhìn rõ ràng hơn những tòa nhà xung quanh và địa hình trạm gốc macrocell

có đầu ra sức mạnh của thường hàng chục watt [cần dẫn nguồn] macrocell hiệu suất

có thể được tăng lên bằng cách tăng hiệu quả của transreciever

Hình 1.3: Macrocell một tế bào trong một mạng điện thoại di động

Một picocell là một trạm gốc tế bào nhỏ thường bao gồm một khu vực nhỏ, chẳng hạn như trong xây dựng (văn phòng, trung tâm mua sắm, nhà ga, thị trường chứng khoán, vv), hay gần đây trong máy bay Trong các mạng di động, picocells thường được sử dụng để mở rộng bao phủ đến các khu vực trong nhà, nơi các tín hiệu

ngoài trời không đạt tốt, hoặc để thêm năng lực mạng lưới ở khu vực có sử dụng điện thoại rất dày đặc, như các trạm xe lửa hoặc sân vận động Picocells cung cấp vùng phủ sóng và năng lực trong các vùng khó khăn hay tốn kém để đạt được bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận macrocell (Một macrocell là một tế bào trong một mạng điện thoại di động cung cấp bao phủ phát thanh phục vụ bởi một trạm gốc tế bào năng lượng cao) truyền thống hơn

Hình 1.4 : Picocell trạm gốc tế bào nhỏ

Femtocell là công suất thấp trạm gốc tế bào nhỏ, thường được thiết kế để sử dụng trong gia đình hoặc doanh nghiệp nhỏ Một thuật ngữ rộng hơn đó là phổ biến trong ngành công nghiệp là tế bào nhỏ, với Femtocell là một tập hợp con Nó cũng được gọi là femto AccessPoint (AP) Nó kết nối với mạng lưới các nhà cung cấp dịch

vụ thông qua băng thông rộng (như ADSL hoặc cáp); thiết kế hiện nay thường hỗ trợ 4-8 điện thoại di động hoạt động đồng thời trong một khung cảnh dân cư phụ thuộc vào số phiên bản và phần cứng femtocell, và tám đến 16 điện thoại di động trong cài đặt doanh nghiệp Một femtocell cho phép các nhà cung cấp dịch vụ để mở rộng vùng bao phủ dịch vụ trong nhà hoặc ở rìa tế bào, đặc biệt là nơi truy cập nếu không sẽ bị hạn chế hoặc không có Mặc dù nhiều sự chú ý được tập trung vào WCDMA, khái niệm được áp dụng cho tất cả các tiêu chuẩn, bao gồm GSM, CDMA2000, TD-SCDMA, WiMAX và các giải pháp LTE

Bảng 1.2: So sánh với Picocell và Femtocell

Như kết quả femtocell ra đời do nhu cầu của vùng phủ sóng trong nhà hiệu quả,chức năng của nó liên tục được cải thiện, Do IFS cắm - và – sử dụng , femtocell không chỉ được sử dụng trong các môi trường trong nhà, nhưng cũng có thể nó thực hiện rất tốt trong trường hợp của cạnh vùng phủ sóng của mạng Ví dụ, macrocell được phân phối tùy theo dân số cường độ, cường độ thấp của khu dân cư thường nằm ở cạnh của tế bào mạng, trong trường hợp này khu vực này có thể sử dụng femtocell Bởi vì

sử dụng Femtocell là không cần thiết để tăng điện lưới từ macrocell, do đó để đạt được mục tiêu tiết kiệm số khá tài nguyên

 Cho đến nay, chúng ta có thể tóm tắt vài nét về femtocell như dưới đây:

• Femtocell cung cấp QoS cao, nó kết nối đến mạng lõi thông qua mạng

IP, như cũng như cung cấp chất lượng cao của VoIP (Voice over IP) và dịch vụ dữ liệu

• Người sử dụng trong Femtocell có kết nối với người sử dụng trong macrocell, nói cách khác,người dùng chuẩn bị cho macrocell là cùng femtocell

• Dễ dàng cài đặt, femtocell có thể sử dụng , một khi nó đã được kích hoạt bởi nhà điều hành.

• Giảm tải cho macrocell hay femtocell khác, nâng cao năng lực mạng

• Chi phí thấp

 Mặc dù có rất nhiều lợi thế trong femtocell, nó vẫn có một số vấn đề cần giải quyết

mô tả các vấn đề như sau:

- Quản lý can nhiễu : Femtocell phân bố bên trong macrocell, sự can thiệp của nócó thể làm giảm khả năng của macrocell bàn giao, nguyên nhân macrocellvà băng thông femtocell thấp hơn hoặc ngắt kết nối Vấn đề này là một vấn đề củathủ tục kiểm soát bàn giao, nếu chúng ta có hiệu quả quản lý giao nhận giữahai cấp mạng LTE femtocell vĩ mô hoặc giữa cross-tier, để tránh không cần thiếtbàn giao, vấn đề này sẽ được giải quyết

- Quản lý di động: Chìa khóa của quản lý di động là bàn giao , giữa macrocell và femtocell hoặc giữa femtocell có giới hạn thời gian Vấn đề này không chỉ liên quan đến tần số hệ thống và tốc độ , mà còn liên quan đến cơ chế chuyển giao hoàn thành

- Kiểm soát kết nối: Vì femtocell sở hữu ba chế độ kiểm soát truy cập,đó là truy cập mở, truy cập lai và tiếp cận khép kín UE được xác thực bất cứ khi nào nó truy cập đến Femtocell

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE/LTE ADVANCE SỬ

DỤNG KỸ THUẬT FEMTOCELL 2.1 Giải pháp cải thiện vùng phủ sóng di động trong nhà

Cải thiện tốt vùng phủ và nâng cao chất lượng sẽ góp phần làm gia tăng thu nhập cho các nhà mạng, nâng cao sự gắn bó giữa các thuê bao và giảm thiểu sự xáo trộn về thuê bao cho nhà mạng Do đó, làm thế nào để đảm bảo vùng phủ sóng tốt trong môi trường indoor, đặc biệt là đối với các dịch vụ số liệu tốc độ cao là một thử thách lớn đối với các nhà mạng

Vấn đề cải thiện vùng phủ sóng trong nhà đã và đang càng ngày trở thành một vấn đề quan trọng Đây là lý do tại sao phải đề xuất các giải pháp khác nhau việc cải thiện vùng phủ vô tuyến trong nhà bằng cách thêm các cell ngoài trời không thực sự tối ưu vì nó không làm tối ưu trực tiếp vùng phủ trong nhà do đó hiệu quả của phương pháp này không thực sự tối ưu Đầu tiên, giải pháp sử dụng hệ thống anten phân bố DAS được phát triển Các anten khác nhau được phân bố trong tòa nhà để tạo ra một vùng phủ đồng nhất Các anten này kết nối tới một trạm gốc chung Để phủ sóng các đường hầm và các hành lang có khoảng cách dài Cáp bức xạ sẽ thay thế cho anten để tín hiệu truyền qua nó Một giải pháp gần đây được đề xuất đó là lắp đặt các trạm phát sóng nhỏ trong nhà như picocell hoặc Femtocell

2.2 Định nghĩa Femtocell

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

Femtocell là một trạm phát sóng nhỏ của mạng thông tin di động tế bào được dùng để nâng cao chất lượng dịch vụ và cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng ở phạm

vi gia đình hay văn phòng, công sở Femtocell được xem như trạm phát sóng trong nhà (Home Base Station) hay điểm truy nhập mạng tế bào giống điểm truy nhập WiFi

Hình 2.1 Mô hình Femtocell

Lợi ích mà công nghệ Femtocell mang đến:

• Giảm chi phí gọi điện thoại di động tại nhà

• Có một kết nối tốt, chất lượng dịch vụ tốt hơn, tốc độ cao hơn

• Tăng chất lượng phủ sóng trong các công trình cũng như tăng dung lượng và các dịch vụ giá trị gia tăng cho người dùng

2.3 Lịch sử hình thành và chuẩn hóa Femtocell

Ý tưởng đầu tiên về Femtocell được bắt đầu vào khoảng năm 2002 khi một nhóm kỹ sư của Motorola nghiên cứu các ứng dụng mới có thể sử dụng với truyền thông di động Mặt khác, để phát triển các chương trình truyền hình di động, họ cũng thử đặt những trạm UMTS rất nhỏ

Vào năm 2004, khi ý tưởng đã có được một số hướng đi rõ hơn, hàng loạt các công ty lớn đã chú ý đến nó, đặc biệt là hai công ty mới, Ubiquisys và 3WayNetworks được thành lập ở Anh để giải quyết các khu vực của Femtocell

Với các ý tưởng ban đầu, và rất nhiều nghiên cứu về Femtocell của các công ty lớn, Femto Forum (www.femtoforum.org) được thành lập vào tháng 7 năm 2007 Mục đích của nó là thúc đẩy việc áp dụng Femtocell với quy mô rộng Với sức ép công nghiệp để có thể triển khai công nghệ Femtocell, Femto Forum cũng đóng một vai trò điều phối trong việc đảm bảo rằng các tiêu chuẩn đã được thống nhất và phát hành càng nhanh càng tốt

2.4 Kiến trúc mạng LTE femtocell

2.4.1 Femtocell trong kiến trúc mạng LTE

Hình 2.2 cho thấy kiến trúc mạng LTE hỗ trợ Femtocell và các thành phần chính trong mạng EPS là viết tắt của Evolved Packet System (Hệ thống chuyển mạch

gói), eNB – E nodeB và UE – User Equipment (thiết bị người dùng) EPC là mạng lõi dựa trên kiến trúc mạng IP Các tín hiệu EPC được quản lý bởi Mobility Management Entity, và lưu lượng dữ liệu được điều khiển bởi S-GW (Serving-Gateway) Các eNB hay HeNB và HeNB GW tạo thành phần quản lí truy cập, còn có tên là E-UTRAN (evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network).

Các eNB và HeNB kết nối với MME và S-GW thông qua giao diện S1 Trong khi đó, các eNB và HeNB kết nối với nhau thông qua gao diện X2 Cả S1 và X2 là các giao diện logic, chúng hỗ trợ chuyển tín hiệu trong các lớp logic Thủ tục chuyển giao tín hiệu cho X2 dễ dàng hơn so với S1, vì các tín hiệu được truyền trực tiếp giữa các eNB hoặc HeNB, không cần thông qua MME Lợi thế này rất phù hợp cho chuyển giao cứng HeNB có thể kết nối gián tiếp với S-GW và MME thông qua HeNB-GW

Hình 2.2 Femtocell trong kiến trúc mạng LTE

Như chúng ta đã biết, S1 là giao diện logic kết nối các eNB hay HeNB tới MME và S-GW, phân tách E-UTRAN và EPC, bao gồm mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng X2 là giao diện giữa các (H)eNB, cũng như S1, nó bao gồm 2 phần

là mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng Ngoài ra, X2 còn là giao diện logic

mở, nó cung cấp các kết nối đầu cuối logic gián tiếp giữa eNB và HeNB, trong trường hợp không có các giao diện vật lí Hiện tại, chức năng của giao liện logic X2 càng quan trọng hơn trong phiên bản mới của 3GPP

Chuyển giao giữa các Femtocell hay giữa Femtocell và Macrocell chủ yếu dựa trên giao diện X2

Có sự khác biệt lớn giữa mạng LTE và 3G Trước hết, LTE phân cấp hệ thống thành từng phần, nó bỏ đi Hệ thống chuyển mạch CS (Circuit Switch), kết hợp NodeB

với RNC trong mạng 3G Ngoài ra, công nghệ truy cập thay đổi thành OFDMA và FDMA Do công nghệ truy cập mới, hệ thống mạng LTE có thêm các chức năng mới ở lớp vật lí.

SC-Chức năng của HeNB rất giống với eNb, sự khác biệt chính ở đây là số lượng các UE truy cập, thường eNB là 3, trong khi HeNB là 1 Vì vậy HeNB cần ít năng lượng truyền tải hơn eNB Nói cách khác, HeNB linh hoạt hơn eNB

Mobility Management Entity (MME) quản lí sự di chuyển của các UE, chức năng của nó được thể hiện trong hình 2.3

Hình 2.3 Chức năng của MME

• Tracking Management: Quản lí vị trí của UE, chức năng của nó tương tự như

LA (Location area) và RA (Routing Area) trong mạng 3G

• Mobility Management for Idle UE Accessing: Quản lí kết nối các UE trong trạng thái rỗi

• Mobility Management for Connected UE Accessing: Quản lí các UE trong trạng thái kết nối

Mobility Management for UE between 3GPP networks: Quản lí UE trong mạng 3GPP Trong hệ thống mạng 3GPP, luôn cần có chuyển giao để tiết kiệm tài nguyên cho eNB

Kiến trúc kết nối Home NodeB (HNB) hay Femtocell tới mạng lõi của 3GPP được thể hiện như trong hình 2.4

Hình 2.4 : Kiến trúc kết nối Femtocell tới mạng lõi

2.4.2 Các giải pháp kết nối từ Femtocell đến mạng lõi di động

a Kiến trúc dựa trên UMTS

Giải pháp Iub trên IP

Trong giải pháp này, Femtocell đóng vai trò của một Node B, còn FGW sẽ nằm giữa femtocell và RNC như minh họa ở hình 2.4 Giải pháp này thích hợp khi có ít người kết nối với Femtocell cùng lúc (ví dụ trong gia đình hay văn phòng ít người)

Hình 2.5 Kiến trúc giải pháp Iub trên IP

Giải pháp Iu trên IP

Trong giải pháp này, các femtocell sẽ được tích hợp với mạng lõi di động thông qua các FGW như minh họa ở hình 2.6 Những chức năng của RNC và Node B sẽ được cài đặt trên femtocell và do đó femtocell sẽ liên lạc với FGW thông qua giao diện 3G Iu trên IP

Hình 2.6 Kiến trúc giải pháp Iu trên IP

b Kiến trúc dựa trên giải pháp UMA/GAN

Giải pháp UMA/GAN có thể được mở rộng đế hỗ trợ giải pháp femtocell bằng cách tích hợp thêm các chức năng của FGW vào trong bộ điều khiển GANC Hướng giải pháp này rất phù hợp cho những nhà cung cấp mạng đã triển khai hạ tầng GAN/UMA để cung cấp thêm các dịch vụ giá trị gia tăng của công nghệ HSPA (High Speed Packet Access) Kiến trúc kết nối sẽ giống như ở hình 2.4 Tuy nhiên, các liên lạc giữa femtocell và FGW sẽ được thực hiện trên giao diện Up của giải pháp UMA

c Kiến trúc dựa trên IMS

Giải pháp này nhằm kết nối femtocell trực tiếp với mạng lõi IMS (IP Multimedia Subsystem) Một giải pháp thay thế trong cùng hướng này là dùng softwitch trong đó các femtocell được kết nối với các softwitch thông qua giao diện SIP (Session Initiation Protocol)

Hình 2.7 Kiến trúc giải pháp dựa trên IMS/SIP

2.5 Vấn đề nhiễu

2.5.1 Nhiễu đồng lớp

Các vấn đề chính do nhiễu đồng lớp femtocell gây ra được tổng hợp trong hình 2.8

Hình 2.8 Các vấn đề chính gây ra bởi nhiễu đồng lớp Femtocell

Các giải pháp khắc phục nhiễu đồng lớp được tổng hợp trong hình 2.9

Hình 2.9 Các giải pháp chống nhiễu đồng lớp

2.5.2 Nhiễu xuyên lớp

Nhiễu xuyên lớp xảy ra khi các thuê bao nằm trong vùng phủ của cả Macrocell

và Femtocell hoặc trong vùng phủ của hai Femtocell trong hệ thống mạng Ví dụ, sự biến đổi do hoạt động của điểm truy cập femtocell thuộc lớp Femtocell, tại đường xuống của một hay một vài macrocell thuộc lớp Macrocell rõ ràng sẽ là một nhiễu xuyên lớp (Hình 2.10)

2.6.2 Ấn định đồng kênh

Ấn định đồng kênh là một phương pháp khác để đối phó với nhiễu Các kênh con được chia sẻ giữa lớp macrocell và lớp femtocell, tạo nên một cách sử dụng hiệu quả phổ tần hơn mặc dù khá phức tạp trong triển khai thực hiện

2.7 Mô hình cung cấp một số dịch vụ qua femtocell

2.7.1 Dịch vụ shopping

Hình 2.11 Mô hình dịch vụ shopping qua femtocell

2.7.2 Bảo tàng

Hình 2.12 Mô hinh ứng dụng femtocell trong bảo tàng

2.7.3 Hội tụ thoại trên di động và cố định

Hình 2.13 Mô hình ứng dụng femtocell trong hội tụ di động – cố định