Nghiên cứu về fem to cell và xây dựng hệ thống thông tin di động

Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc sống hằng ngày. Các kĩ thuật không ngừng được hoàn thiện đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng. Để đáp ứng nhu cầu băng thông lớn, tốc độ ngày càng cao của con người thì 3G cũng như phát triển lên 4G ngày càng trở lên vô cùng cấp thiết. Để có thể tạo ra một mạng 4G(LTE) đáp ứng được các nhu cầu người sử dụng, và áp dụng triển khai thực tế, các nhà mạng các công ty sản xuất thiết bị cũng như các tổ chức tiêu chuẩn đã không ngừng nghiên cứu và thử nghiệm. Việc áp dụng các lý thuyết cơ bản, các ứng dụng thực tế đã đem lại kết quả khả quan cho sự phát triển 4G. Một giải pháp tương đối đơn giản đó là làm giảm khoảng cách đến với thiết bị người dùng di động, thì hiệu quả mang lại là rất lớn. Khi trạm gốc được đặt trong nhà sẽ có khả năng cung cấp một dịch vụ băng thông rộng và tốc độ cao. Và truyền tải thoại không có ưu cầu quá cao sẽ vẫn được duy trì trên trạm gốc của nhà cung cấp dịch vụ đặt bên ngoài. Nhưng thực tế nó cũng gặp phải thách thức về nhiễu giữ trạm gốc trong nhà và trạm gốc bên ngoài. Các nhà cung cấp thiết bị hay các tổ chức nghiên cứu cũng đưa ra các giải pháp cho thách thức này

Đồ án Tốt nghiệp Đại học Chương 1 Tổng quan về LTE/LTE Advanced

MỞ ĐẦU

Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới vớinhững ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộcsống hằng ngày Các kĩ thuật không ngừng được hoàn thiện đáp ứng nhu cầu củangười tiêu dùng Để đáp ứng nhu cầu băng thông lớn, tốc độ ngày càng cao của conngười thì 3G cũng như phát triển lên 4G ngày càng trở lên vô cùng cấp thiết

Để có thể tạo ra một mạng 4G(LTE) đáp ứng được các nhu cầu người sử dụng, và

áp dụng triển khai thực tế, các nhà mạng các công ty sản xuất thiết bị cũng như các

tổ chức tiêu chuẩn đã không ngừng nghiên cứu và thử nghiệm Việc áp dụng các lýthuyết cơ bản, các ứng dụng thực tế đã đem lại kết quả khả quan cho sự phát triển4G Một giải pháp tương đối đơn giản đó là làm giảm khoảng cách đến với thiết bịngười dùng di động, thì hiệu quả mang lại là rất lớn Khi trạm gốc được đặt trongnhà sẽ có khả năng cung cấp một dịch vụ băng thông rộng và tốc độ cao Và truyềntải thoại không có ưu cầu quá cao sẽ vẫn được duy trì trên trạm gốc của nhà cungcấp dịch vụ đặt bên ngoài Nhưng thực tế nó cũng gặp phải thách thức về nhiễu giữtrạm gốc trong nhà và trạm gốc bên ngoài Các nhà cung cấp thiết bị hay các tổ chứcnghiên cứu cũng đưa ra các giải pháp cho thách thức này Vì vậy, trong đồ án này,

em nghiên cứu đề tài: “Hệ thống thông tin di động sử dụng Femtocell” với trọngtâm là tìm hiểu một số thuật toán điều khiển công suất cho mạng thông tin di động

sử dụng femtocell ở

Chương 3 Quyền đồ án gồm 4 chương là:

Chương1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advance Chương 2: Hệ thống thông tin di động LTE/LTE-Advanced sử dụng femtocell

Chương 3: Một số giải pháp cho hệ thống LTE/LTE-Advanced sử dụng femtocell Chương 4: Kết luận và kiến nghị

1

MỤC LỤC

CHƯƠNG1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

LTE/LTE ADVANCED 9

1.1 Tổng quan về lịch sử thông tin di động 9

1.1.1 Hệ thống 1G 9

1.1.2 Hệ thống 2G 9

1.1.3 Hệ thống 3G 13

1.1.4 Hệ thống 4G 16

1.2 Tổng quan LTE/LTE Advanced 18

1 2.1Lịch sử ra đời LTE

18 1.2.2 Mong muốn đặt ra cho LTE 19

1.2.3 Các truy cập vô tuyến trong LTE 20

1.2.4 Sử dụng hệ thống MIMO trong LTE : 25

1.2.5 Các băng tần hỗ trợ : 27

1.2.6 LTE Advanced 28

1.3 Các phương pháp tăng hiệu quả hệ thống thông tin di động (LTE) 29

CHƯƠNG2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE\LTE-ADVACEDSỬ DỤNG FEMTOCELL 32

2.1 Giới thiệu về Femtocell

32 2.2 Các khía cạnh kỹ thuật Femtocell

35 2.2.1 Tiêu chuẩn Femtocell 35

2.2.2 Đường lên và xuống Femtocell 37

2.2.3 Kết nối Femtocell tới mạng lõi 42

2.3 Thách thức đối với Femtocell 49

2.3.1 Thách thức về kỹ thuật 49

2.3.2 Các vấn đề kinh tế và quản lý 55

CHƯƠNG 3 MỘT SỐ GIẢI PHÁP CHO HỆ THỐNG LTE\LTE ADVANCED SỬ DỤNG FEMTOCELL 59

3.1 Quản lý công suất cho mạng femtocell xanh 59

3 1.1Femtocell môi trường doanh nghiệp 60

3.1.2 Thuật toán điểu khiển công suất 62

3.1.3 Ví dụ Femtocell tối ưu hóa 68

3.2 Thiết lập công suất thích

ứng 69 3.2.1 Đề án mức công suất thích nghi 70

3.3 Đánh giá và mô

phỏng 74 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN

NGHỊ 81

4.1 Kếtluận 81

4.2 Kiếnnghị 81

CHƯƠNG1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI

ĐỘNG LTE/LTE ADVANCED

Thông tin di động không còn là khái niệm xa lạ và sự phát triển nhanh chóng của nócũng được nhìn thấy rõ ràng Theo Martin Cooper Arraycomm: "Khả năng di động đãtăng gấp đôi sau 30 tháng kể từ hơn 104 năm qua" Và tốc độ của nó có thể vượt ngoài

dự đoán trước đây Trong chương 1 em muốn giới thiệu khái quát nhất về hệ thốngthông tin di động từ thế hệ đầu tiên là 1G đến thế hệ mới nhất là 4G(LTE) Đồng thờitrình bày tổng quan về hệ thống LTE/LTE-Advanced Một số cách làm tăng hiệu quả

hệ thống các giải pháp mới nhằm đáp ứng được sự tăng trưởng của hệ thống

1.1 Tổng quan về lịch sử thông tin di động

1.1.1 Hệ thống 1G

Công nghệ di động đầu tiên là công nghệ tương tự, là hệ thống truyền tín hiệu tương

tự (analog), là mạng điện thoại di động đầu tiên của nhân loại, được khơi mào ở Nhậtvào năm 1979 Những công nghệ chính thuộc thế hệ thứ nhất này có thể kể đến là :NMT (Nordic Mobile Telephone) được sử dụng ở các nước Bắc Âu, Tây Âu và Nga.Cũng có một số công nghệ khác như AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – hệthống điện thoại di động tiên tiến) được sử dụng ở Mỹ và Úc; TACS (Total AccessCommunication Sytem – hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) được sử dụng ở Anh,C-45 ở Tây Đức, Bồ Đào Nha và Nam Phi, Radiocom 2000 ở Pháp; và RTMI ở Italia

Hầu hết các hệ thống đều là hệ thống analog và yêu cầu chuyển dữ liệu chủ yếu

là âm thanh Với hệ thống này, cuộc gọi có thể bị nghe trộm bởi bên thứ ba Một sốchuẩn trong hệ thống này là: NTM, AMPS, Hicap, CDPD, Mobitex, DataTac Nhữngđiểm yếu của thế hệ 1G là dung lượng thấp, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năngchuyển cuộc gọi không tin cậy, chất lượng âm thanh kém, không có chế độ bảo mật…

do vậy hệ thống 1G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng

1.1.2 Hệ thống 2G

Năm 1982, hội nghị quản lý bưu điện và viễn thông ở Châu Âu (CEPT – EuropeanConference of Postal and Telecommunications adminstrations) thành lập 1 nhóm

nghiên cứu, GSM – Group Speciale Mobile, mục đích phát triển chuẩn mới về thôngtin di động ở Châu âu Năm 1987, 13 quốc gia ký vào bản ghi nhớ và đồng ý giới thiệumạng GSM vào năm 1991 Năm 1988, Trụ sở chuẩn viễn thông Châu Âu

(ETSI – European Telecommunication Standards Institute) được thành lập, có tráchnhiệm biến đổi nhiều tiến cử kỹ thuật GSM thành chuẩn European.Sự phát triển kỹthuật từ FDMA 1G, 2G là kết hợp FDMA và TDMA

Hệ thống 2G phát triển kèm theo nhiều cải tiến mới cũng như việc sử dụng triệt

để nguồn tài nguyên tần số vô tuyến Hệ thống thông tin mạng tế bào đã được triểnkhai góp phần tái sử dụng tần số Hình sau đây là hệ thống di động tế bào tái sử dụngtần số

Hình 1.1: Mạng tế bào tái sử dụng tần số.

Ta thấy mỗi vùng được phân chia thành 7 nhóm tế bào đánh số từ Cell 1 đến Cell 7.Các tế bào đánh số khác nhau sẽ sử dụng cùng một nhóm tần số giống nhau, và mỗi tếbào sẽ được sử dụng 1/7 số kênh có sẵn

Tất cả các chuẩn của thế hệ này đều là chuẩn kỹ thuật số và được định hướng thươngmại, bao gồm: GSM, iDEN, D-AMPS, IS-95, PDC, CSD, PHS, GPRS,

HSCSD, WiDEN và CDMA2000 (1xRTT/IS-2000) Trong đó khoảng 60% số mạnghiện tại là theo chuẩn của châu Âu Một số tiến bộ của hệ thống 2G so với 1G là:

- Bắt đầu có khả năng thực hiện các dịch vụ số liệu trên điện thoại di động, khởiđầu là tin nhắn SMS

- Sử dụng các phương pháp đa truy nhập chính là :

+ Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency Division Multiple Access )

+ Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access)

+ Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access)

1.1.2.2 Các hệ thống điển hình

Thế hệ thứ hai (2G) xuất hiện vào những năm 90 với mạng di động đầu tiên,sử dụng

kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Trong thời kỳ của thế hệ thứhai, nền công nghệ thông tin di động đã tăng trưởng vượt trội cả về số lượng thuê bao

và các dịch vụ giá trị gia tăng Các mạng thế thứ hai cho phép truyền dữ liệu hạn chếtrong khoảng từ 9.6 kbps đến 19.2 kbps Các mạng này được sử dụng chủ yếu cho mụcđích thoại và là các mạng chuyển mạch kênh.Tương tự như trong 1G, không tồn tạimột chuẩn chung toàn cầu nào cho 2G, hiện nay các hệ thống 2G dựa trên 3 chuẩn công nghệ chính sau:

- D-AMPS (Digital AMPS): Được sử dụng tại Bắc Mỹ D-AMPS đang dần

đượcthay thế bởi GSM/GPRS và CDMA2000

- GSM (Global System for Mobile Communications): Các hệ thống triển khai

GSM được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới (ngoại trừ Bắc Mỹ, Nhật) Hệthống GSM dồn kênh phân chia tần số được sử dụng, với mỗi đầu cuối di độngtruyền thông trên một tần số và nhận thông tin trên một tần số khác cao hơn(chênh lệch 80MHz trong D-AMPS và 55MHz trong GSM) Trong cả hai hệthống, phương pháp dồn kênh phân chia thời gian lại được áp dụng cho một cặptần số, làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ đồng thời của hệ thống Tuy nhiên,các kênh GSM rộng hơn các kênh AMPS (200kHz so với 30kHz) qua đó GSMcung cấp độ truyền dữ liệu cao hơn D-AMPS

- CDMA (code Division Multiple Access): CDMA sử dụng công nghệ đa truy

cập thông qua mã Nhờ công nghệ này mà CDMA có thể nâng cao dung lượngcung cấp đồng thời các cuộc gọi trong một cell cao hơn hẳn so với hai côngnghệ trên

- PDC (Personal Digital Cellular): Là chuẩn được phát triển và sử dụng duy

nhất tại Nhật Bản Giống như D-AMPS và GSM, PDC sử dụng TDMA

1.1.2.3 GSM Phát triển lên 2.75G

Trong đó :

- HSCSD( High Speed Circuit Switched Data): số liệu chuyển mạch kênh tốc độ

cao

- GPRS(General Packet Radio Service): dịch vụ vô tuyến gói chung:Hệ thống

GPRS bước đầu tiên hướng tới 3G Mở rộng kiến trúc mạng GSM Truy cậptốc độ cao và hiệu quả tới những mạng chuyển mạch gói khác (tăng tới115kbps) Có thể coi GPRS là thế hệ thông tin di động 2.5 G

- EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution): tốc độ số liệu tăng cường để

phát triển GSM:EDGE có thể phát nhiều bit gấp 3 lần GPRS trong một chu kỳ Đây là lý do chính cho tốc độ bit EDGE cao hơn ITU đã định nghĩa 384kbps làgiới hạn tốc độ dữ liệu cho dịch vụ để thực hiện chuẩn IMT-2000 trong môitrường không lý tưởng 384kbps tương ứng với 48kbps trên mỗi khe thời gian,giả sử một đầu cuối có 8 khe thời gian Đây là công nghệ di động thế hệ 2.75G

1.1.3 Hệ thống 3G

Hình 1.3: Tổng quan mạng 3G

Mạng 3G (Third-generation technology) là thế hệ thứ ba của chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu,gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh ) 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạchgói và chuyển mạch kênh Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn

khác so với hệ thống 2G hiện nay Điểm mạnh của công nghệ này so với công nghệ 2G

và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho

cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau Với công nghệ3G, các nhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện,như âm nhạc chất lượng cao; hình ảnh video chất lượng và truyền hình số; Các dịch vụđịnh vị toàn cầu (GPS); E-mail; video thời gian thực ; chơi game tốc độ cao;

Quốc gia đầu tiên đưa mạng 3G vào sử dụng rộng rãi là Nhật Bản Vào năm 2001,NTT Docomo là công ty đầu tiên ra mắt phiên bản thương mại của mạng WCDMA.Năm 2003 dịch vụ 3G bắt đầu có mặt tại châu Âu Tại châu Phi, mạng 3G được giớithiệu đầu tiên ở Marốc vào cuối tháng 3 năm 2007 bởi Công ty Wana

- Cung cấp dịch vụ thoại chất lượng cao

- Các dịch vụ tin nhắn (e-mail, fax, SMS, chat, )

- Các dịch vụ đa phương tiện (xem phim, xem truyền hình, nghe nhạc, )

- Truy nhập Internet (duyệt Web, tải tài liệu, )

- Sử dụng chung một công nghệ thống nhất, đảm bảo sự tương thích toàn cầugiữa các hệ thống

Để thoả mãn các dịch vụ đa phương tiện cũng như đảm bảo khả năng truy cập Internetbăng thông rộng, IMT-2000 hứa hẹn cung cấp băng thông 2Mbps, nhưngthực tế triểnkhai chỉ ra rằng với băng thông này việc chuyển giao rất khó, vì vậy chỉ có nhữngngười sử dụng không di động mới được đáp ứng băng thông kết nối này, còn khi đi bộbăng thông sẽ là 384 Kbps, khi di chuyển bằng ô tô sẽ là 144Kbps

Theo đặc tả của ITU một công nghệ toàn cầu sẽ được sử dụng trong mọi hệ thống

Tuy nhiên, hiện nay trên thế giới tồn tại hai công nghệ 3G chủ đạoUMTS(WCDMA)

và CDMA2000

- UMTS (W-CDMA):UMTS (Universal Mobile Telephone System), dựa trên

công nghệ W-CDMA, là giải pháp được ưa chuộng cho các nước đang triểnkhai các hệ thống GSM muốn chuyển lên 3G UMTS được hỗ trợ bởi LiênMinh Châu Âu và được quản lý bởi 3GPP (third Generation PartnershipProject), tổ chức chịu trách nhiệm cho các côngnghệ GSM, GPRS UMTShoạt động ở băng thông 5MHz, cho phép các cuộc gọi có thể chuyển giao mộtcách

hoàn hảo giữa các hệ thống UMTS và GSM đã có

- CDMA2000:Một chuẩn 3G quan trọng khác là CDMA2000, chuẩn này là sự

tiếp nối đối với cáchệ thống đang sử dụng công nghệ CDMA trong thế hệ 2.CDMA2000 được quản lý bởi 3GPP2, một tổ chức độc lập và tách rời khỏi3GPP của UMTS CDMA2000 có tốc độ truyền dữ liệu từ 144Kbps đếnMbps

Hệ thống CDMA2000 không có khả năng tương thích với các hệ thống GSMhoặc D-AMPS của thế hệ thứ 2

- TD-SCDMA:Chuẩn được it biết đến hơn là TD-SCDMA đang được phát triển

tại Trung Quốc bởi các công ty Datang và Siemens

Tần số: hiện tại có 6 băng sử dụng cho UMTS/WCDMA, tập trung vào UMTS tầnsố

cấp phát trong 2 băng Uplink (1885 – 2025)MHz và Downlink (2110 – 2200)MHz.UMTS sử dụng WCDMA như một cơ cấu vận chuyển vô tuyến Điều chế trên đườnglên và xuống là khác nhau Đường xuống sử dụng dịch khóa pha cầu phương (QPSK)cho tất cả những kênh vận chuyển Tuy nhiên, đường lên sử dụng 2 kênh riêng biệt đểthực hiện quay vòng của bộ phát ở trạng thái on và off để không gây ra nhiễu trênđường audio, những kênh đôi ( dual channel phase chifl keying) dùng để mã hóa dữliệu người dùng tới I hoặc đầu vào In-phase tới bộ điều chế DQPSK, và điều khiển dữliệu đã được mã hóa bằng việc sử dụng mã khác nhau tới đầu vào Q hoặc quadraturetới bộ điều chế

Ưu điểm của công nghệ W-CDMA so với GSM:

- Tiêu chuẩn thống nhất toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến

- Có khả năng truyền tải đa phương tiện

- Thực hiện truyền tải dịch vụ hình ảnh tốc độ thấp cho đến tốc độ cao nhất là2Mbps

- Tính bảo mật của cuộc thoại và mức độ hiệu quả khai thác băng tần cao hơn

- Có khả năng chuyển mạch mềm, tích hợp được với mạng NGN

- Chất lượng thoại được nâng lên và dung lượng mạng tăng lên 4-5 lần so vớiGSM

- CDMA có cơ chế giúp tiết kiệm năng lượng, giúp tăng thời gian thoại của pin

- Khả năng mở rộng dung lượng của CDMA dễ dàng và chi phí thấp hơn so vớiGSM

1.1.3.2 Mạng 3G phát triển lên 3.5G

3.5G là những ứng dụng được nâng cấp dựa trên công nghệ hiện có của 3G.Công nghệ của 3.5G chính là HSDPA (High Speed Downlink Package Access) Đây làgiải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ, được phát triển trên cơ sở của hệ thống3G W-CDMA HSDPA cho phép download dữ liệu về máy điện thoại có tốc độ tươngđương tốc độ đường truyền ADSL, vượt qua những cản trở cố hữu về tốc độ kết nốicủa một điện thoại thông thường HSDPA là một bước tiến nhằm nâng cao tốc độ vàkhả năng của mạng di động tế bào thế hệ thứ 3 UMTS HSDPA được thiết kế chonhững ứng dụng dịch vụ dữ liệu như: dịch vụ cơ bản (tải file, phân phối email), dịch

vụ tương tác (duyệt web, truy cập server, tìm và phục hồi cơ sở dữ liệu), và dịch vụStreaming

- Mặc dù được hứa hẹn khả năng chuyển vùng toàn cầu, nhưng do tồn tại nhữngchuẩn công nghệ 3G khác nhau nên gây khó khăn trong việc chuyển vùng(roamming) giữa các môi trường dịch vụ khác biệt trong các băng tần số khácnhau

- Thiếu cơ chế chuyển tải “seamless” (liền mạch) giữa đầu cuối với đầu cuốikhimở rộng mạng con di động với mạng cố định

Trong nỗ lực khắc phục những vấn đề của 3G, để hướng tới mục tiêu tạo ra một mạng

di động có khả năng cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ thoại, truyền dữ liệu vàđặc biệt là các dịch vụ băng rộng multimedia tại mọi nơi (anywhere), mọilúc(anytime), mạng di động thế hệ thứ tư - 4G (Fourth Generation) đã được đề xuấtnghiên cứu và hứa hẹn những bước triển khai đầu tiên trong vòng một thập kỷ nữa Lịch sử ra đời, tổng quan và khái quát về công nghệ 4G(LTE) em sẽ trình bày trongphần 2 của chương 1

1.1.5 Thống kê và dự đoán về thông tin di động

Dựa trên nhưng kiến thức trên ta có thể có cái nhìn tổng quan về hệ thống thôngtin di động Tiến trình phát triển của công nghệ thông tin di động có thể được khái quá qua mô hình dưới đây:

Hình 1.4: Tiến trình phát triển thông tin di động

Báo Lenta của Nga vừa dẫn thông báo của Ericsson cho biết thế giới đã có 6 tỷ thuêbao di động tính đến tháng 2/2012 Trong đó, số người thực dùng di động hàng ngàylên tới hơn 4 tỷ Tính theo dân số thế giới hiện thời là 7 tỷ thì số người dùng di động

trên toàn thế giới đã vượt 60% Số thuê bao khác với số người dùng thực vì một người

có thể sở hữu nhiều thuê bao

* Công nghệ di động - thuê bao GSM/EDGE giảm sau 2012

GSM/EDGE sẽ tiếp tục đi đầu về mức tăng trưởng trong những năm tới cho dùcông nghệ HSPA cũng đang có mức tăng trưởng nhanh chóng Lý do cho xu hướngnày là vì người sử dụng ở nhóm thu nhập thấp tại các quốc gia đang phát triển có xuhướng sử dụng các loại điện thoại giá rẻ đồng thời cần thời gian để nâng cấp hệ thốngnền tảng điện thoại Tuy nhiên, sau năm 2012, xu thế thuê bao GSM/EDGE sẽ giảm

Hình 1.5: Số lượng thuê bao di động 2008-2017

LTE đang được triển khai ở một số vùng trên thế giới và có khoảng 1 tỉ thuêbao vào năm 2017 Tính tới năm 2017, sẽ có khoảng 9 tỉ thuê bao di động

1.2 Tổng quan LTE/LTE Advanced

1.2.1Lịch sử ra đời LTE

LTE(Long Term Evolution) bắt đầu tiếp tục công việc phát triển hệ thống di động 3Gvới Work Shop phát triển node truy nhập vô tuyến RAN, ngày 2-3 tháng 11 năm 2004tại Toronto, Canada Work Shop này mở ra tạo được sự quan tâm của các tổ chức, cácthành viên hay không phải thành viên của 3GPP, các nhà khai thác, các nhà sản xuất

và các tổ chức nghiên cứu đưa ra hơn 40 ý kiến đóng góp, nhận định và những đề nghịcho việc phát triển mạng truy nhập vô tuyến

Để cung cấp các dịch vụ dữ liệu cao hơn và giảm giá thành cho vận hành khai thác thìviệc nghiên cứu tập trung vào các dịch vụ hỗ trợ được cung cấp từ miền PS gồm:

- Tăng dung lượng hệ thống và giảm giá thành trên bít, cũng như là tận dụng phổ 2G và 3G có sẵn

- Tốc độ dữ liệu đỉnh tức thời đường xuống là 100 Mbps trong 20 Mhz phổ cấpphát cho đường xuống (5bps/hz)

- Tốc độ dữ liệu đỉnh tức thời đường lên là 50 Mbps trong 20 Mhz phổ cấp phátcho đường lên (2.5bps/hz)

- Vùng phủ lớn hơn bằng việc cung cấp dữ liệu cao hơn trên các vùng đất rộnghơn và mềm dẻo trong sử dụng dải tần có sẵn và dải tần mới

- Đạt được dung lượng hệ thống cao hơn tới 3 lần dung lượng hệ thống hiện tại

và tăng dữ liệu dịch vụ, nhiều dịch vụ với chi phí thấp hơn

1.2.2 Mong muốn đặt ra cho LTE

Hệ thống LTE được mong đợi sẽ cạnh tranh được trong rất nhiều năm tới nên các yêucầu và mục đích thiết lập trước khá nghiêm ngặt Các mục tiêu chính là tăng dịch vụ

dữ liệu và giảm số người dùng/ giá khai thác Đặc biệt hơn là một số yêu cầu quantrọng và dung lượng cuối cùng

- Trễ thấp: Cho cả người dùng và điều khiển, với phổ phân bổ là 5 MHz với trễcuối cùng dưới 5 ms

- Phạm vi băng thông: Băng thông khác nhau có thể được sử dụng phụ thuộc vàocác yêu cầu (1.25 tới 20 MHz)

- Tốc độ dữ liệu đỉnh: 100 Mbps cho DL và 50 Mbps cho UL

- Tăng từ 2 tới 3 lần dung lượng ở đường lên so với release 6 của HSUPA

- Lưu lượng người sử dụng ở đường xuống tăng 3 tới 4 lần so với release 6 củaHSDPA

- Chỉ hỗ trợ miền chuyển mạch gói

- Ít nhất là 200 người sử dụng trong một ô tế bào trong trạng thái tích cực, vớiphổ cấp phát lên tới 5 Mhz

- E- UTRAN cần phải được tối ưu hóa cho tốc độ di động thấp từ 0 đến 15 km/h

- Giảm sự phức tạp của hệ thống và thiết bị đầu cuối

- Dễ dàng chuyển đổi từ mạng cũ

- Đơn giản hóa và tối ưu số lượng giao diện

- E- UTRA sẽ hoạt động theo phổ được cấp phát theo các kích cỡ khác nhau, baogồm 1,25 Mhz, 1,6 Mhz, 2,5 Mhz, 5 Mhz, 10 Mhz, 15 Mhz, 20 Mhz ở cả đườnglên và đường xuống Việc sử dụng phổ theo cặp hay không theo cặp sẽ được hỗtrợ

- Hệ thống sẽ có thể hỗ trợ khối nội dung phát qua một tập hợp các tài nguyênbao gồm tài nguyên về băng tần vô tuyến (như công suất, lập lịch thích nghi, )trong cùng các băng tần khác Ở cả đường lên và đường xuống, và cả các kênhsắp xếp liền kề hay không liền kề Một tài nguyên băng tần vô tuyến được địnhnghĩa như một phổ tần được sử dụng cho một nhà khai thác

1.2.3 Các truy cập vô tuyến trong LTE

1.2.3.1 Công nghệ đa truy nhập cho đường xuống OFDMA

Kỹ thuật OFDM (viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing) làmột trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóngmang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phépchồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự chồng lấnphổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với

kỹ thuật điều chế thông thường

Các khối tài nguyên nào và có bao nhiêu người dùng nhận được tại một điểm nhấtđịnh phụ thuộc vào cơ cấu lập danh mục cải tiến trong chiều thời gian và tần số

Danh mục các tài nguyên có thể được cập nhật hàng ms, có nghĩa là 2 khối tàinguyên,rộng 180 kHz và có tổng chiều dài là 1 ms, gọi là khối danh mục Cơ cấu lậpdanh mục trong LTE tương tự như cơ cấu được sử dụng trong HSPA và cho phép tối

ưu hiệu suất cho các dịch vụ khác nhau trong các môi trường vô tuyến khác nhau

a Khoảng cách giữa các sóng mang con của OFDM :

Tồn tại 2 tiêu chí cần cân nhắc trong việc chọn sóng mang con :

- Khoảng cách giữa các sóng mang con càng nhỏ càng tốt ( TFFT càng lớn càng

- Khoảng cách giữa các sóng mang con quá nhỏ sẽ tăng sự nhạy cảm của truyềndẫn OFDM với trải Doppler

Khi truyền qua kênh phadinh vô tuyến , do trải Doppler lớn, kênh có thể thay đổi đáng

kể trong đoạn lấy tương quan TFFT dẫn đến trực giao hóa giữa các sóng mang bị mất

và nhiễu giữa các sóng mang

Trong thực tế, đại lượng nhiễu giữa các sóng mang có thể chấp nhận rất lớn tùy thuộc vào dịch vụ cần cung cấp và mức độ tín hiệu thu chịu được tạp âm và các nhân

tố gây giảm cấp khác Chẳng hạn tại biên của một ô lớn tỉ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu có thể khá thấp khi tốc độ số liệu thấp vì thế một lượng nhỏ nhiễu bổ xung giữa các sóng mang con do trải Doppler có thể bỏ qua Tuy nhiên trong trường hợp tỷ lệ số tạp âm cộng nhiễu cao (chẳng hạn trong các ô nhỏ hay tại vị trí gần BS ), khi cần cung cấp tốc độ số liệu cao, cùng một lượng nhiễu giữa các sóng mang con như trên cũng cóthể gây ảnh hưởng xấu hơn nhiều

b Số lượng các sóng mang con :

Số lượng các sóng mang con được xác định dựa trên băng thông khả dụng vàphát xạ ngoài băng Độ rộng băng tần cơ sở của tín hiệu OFDM bằng P.∆f , nghĩa là

số sóng mang con nhân với khoảng cách giữa các sóng mang con Tuy nhiên phổ củatín hiệu OFDM cơ sở giảm rất chậm bên ngoài độ rộng băng tần OFDM cơ sở Lý dogây ra phát xạ ngoài băng lớn là do việc sử dụng tạo dạng xung chữ nhật dẫn đến cácbúp sóng bên giảm tương đối chậm Tuy nhiên trong thực tế lọc hoặc tạo cửa sổ miềnthời gian được sử dụng để loại bỏ phần lớn các phát xạ ngoài băng của OFDM Trongthực tế cần dành 10% băng tần cho băng bảo vệ đới với tín hiệu OFDM Chẳng hạnnếu băng thông khả dụng là 5MHz thì độ rộng băng tần OFDM (P∙∆f) chỉ có thể vàokhoảng 4,5MHz Giả sử LTE sử dụng khoảng cách giữa các sóng mang là 15KHz, thìđiều này tương đương với vào khoảng 300 sóng mang con trong 5MHz

c Thu phát tín hiệu OFDM

Hình 1.6: Sơ đồ thu phát OFDM

Những tín hiệu OFDM được tạo ra trong miền tần số vì khó tạo ra những băng lớn các

bộ dao động và những máy thu khóa pha trong miền tương tự Phần máy phát biến đổi

dữ liệu số cần truyền, ánh xạ vào biên độ và pha của các tải phụ Sau đó nó biến đổibiểu diễn phổ của dữ liệu vào trong miền thời gian nhờ sử dụng biến đổi Fourier rờirạc đảo (Inverse Discrecte Fourier Transform) Biến đổi nhanh Fourier đảo (InverseFast Fourier Transform) thực hiện cùng một thuật toán như IDTF, ngoại trừ rằng nótính hiệu quả hơn nhiều và do vậy nó được sử dụng trong tất cả các hệ thống thực tế

Để truyền tín hiệu OFDM tín hiệu miền thời gian được tính toán được phách lên tần sốcần thiết Máy thu thực hiện thuật toán ngược lại với máy phát Khi dịch tính hiệu RFxuống băng cơ sở để xử lý, sau đó sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT) để phân tíchtín hiệu trong miền tần số Sau đó biên độ và pha của các tải phụ được chọn ra và đuợcbiến đổi ngược lại thành dữ liệu số Biến đổi nhanh Fourier đảo (IFFT) và biến đổiFourier nhanh(FFT) là hàm bổ sung và thuật ngữ thích hợp nhất được dùng phụ thuộcvào liệu tín hiệu đang được thu hoặc đang được phát Trong nhiều trường hợp tín hiệu

là độc lập với sự phân biệt này nên thuật ngữ FFT và IFFT có thể được sử dụng thaythế cho nhau

d kỹ thuật OFDMA

Với tín hiệu OFDM tiêu chuẩn rất hẹp, thiết bị đầu cuối truyền dẫn có thể bịhiện tượng phadinh băng hẹp và can nhiễu Đó là lý do tại sao 3GPP đã chọn OFDMAcho đường xuống, trong đó có kết hợp yếu tố của đa truy nhập phân chia thời gian

(TDMA) OFDMA cho phép các nhóm nhỏ của sóng mang con được cấp phát giaođộng giữa những người dùng khác nhau trên băng tần này, như trong hình:

Hình 1.7: OFDMA

Kết quả là một hệ thống mạnh mẽ hơn với công suất tăng lên Điều này là do hiệu quả

sử dụng ghép kênh người dùng cấp độ thấp, và khả năng lập lịch trình cho người sửdụng bởi tần số, đồng thời làm giảm ảnh hưởng của phadinh đa đường

Trong OFDMA, vấn đề đa truy nhập được thực hiện bằng cách cung cấp chomỗi người dùng một phần trong số các sóng mang có sẵn Bằng cách này, OFDMAtương tự như phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số thông thường (FDMA);tuy nhiên nó không cần thiết có dải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA để táchbiệt những người dùng khác nhau Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tầnhơn hẳn các hệ thống DS-CDMA và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ đượcxuyên nhiễu trong một tế bào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tếbào

1.2.3.2 Công nghệ đa truy nhập cho đường lên SC-FDMA

Đối với việc truyền dữ liệu ở hướng lên, 3GPP đã chọn một phương thức điều chế hơikhác một chút Việc truyền OFDMA phải chịu một PAPR (Peak to Average PowerRatio - Tỷ lệ côngsuất đỉnh so với trung bình) cao Điều này có thể dẫn đến những hệquả tiêu cực đối với việc thiết kế một bộ phát sóng nhúng trong UE Đó là khi truyền

dữ liệu từ UE đến mạng, cần có một bộ khuếch đại công suất để nâng tín hiệu đến lên

một mức đủ cao để mạng bắt được (pick up) Bộ khuếch đại công suất là một trong

những thành phần tiêu thụ năng lượng lớn nhất trong một thiết bị, và vì thế nên có hiệuquả công suất cao càng cao càng tốt để làm tăng tuổi thọ pin của máy

Tính hiệu quả của bộ khuếch đại công suất phụ thuộc vào hai yếu tố :

- Bộ khuếch đại đó phải có khả năng khuếch đại giá trị đỉnh cao nhất của sóng

Do những ràng buộc trong chất bán dẫn, giá trị đỉnh này quyết định mức tiêuthụ năng lượng của bộ khuếch đại

- Tuy nhiên, các giá trị đỉnh của sóng không mang nhiều thông tin hơn chút nào

so với công suất trung bình của tín hiệu trong thời gian truyền nhận Vì thế, tốc

độ truyền không phụ thuộc vào mức công suất ngõ ra cần thiết cho các giá trị đỉnh mà phụ thuộc vào mức công suất trung bình của sóng

Bởi vì cả mức tiêu thụ năng lượng lẫn tốc độ truyền đều quan trọng đối với các nhàthiết kế UE, cho nên bộ khuếch đại công suất nên tiêu thụ càng ít năng lượng càng tốt.Như vậy, UE nào sử dụng phương thức điều chế có tỉ lệ PAPR càng thấp thì thời gianhoạt động của nó ở một tốc độ truyền nhất định càng dài

Một phương thức điều chế tương tự với OFDMA cơ bản, nhưng có một PAPR tốt

(thấp) hơn, là SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access - Đa

Truy cập Phân Tần MộtKênh truyền duy nhất) Do PAPR của nó tốt hơn, nó được

3GPP chọn để truyền dữ liệu ở hướng lên Tuy mang cái tên như vậy song SC-FDMAcũng truyền dữ liệu qua giao tiếp vô tuyến trong nhiều kênh con, nhưng bổ sung thêmmột bước xử lý nữa, như được minh họa trong hình 1.8 Thay vì đặt 2, 4 hoặc 6 bitvới nhau như trong giống OFDM để tạo thành tín hiệu cho một kênh con, khối xử lý

bổ sung trong SC-FDMA trải thông tin của mỗi bit ra trên tất cả các kênh con Điềunày được thực hiện như sau: Cũng một số bit (ví dụ như 4 đối với điều chế 16-QAM)được nhóm lại với nhau, nhưng trong OFDM, các nhóm bit này là dữ liệu nhập chohàm IFFT, còn trong SC-FDMA, các bit này được đưa vào một hàm FFT (Fast FourierTransformation) trước đã Dữ liệu xuất của quá trình này là cơ sở cho việc tạo ra cáckênh truyền con cho hàm IFFT theo sau Bởi vì không phải tất cả các kênh con đềuđược dùng bởi UE, nên nhiều kênh được đặt ở mức không (0) trong đồ thị Nhữngkênh này có thể được dùng bởi các UE khác hoặc không

Ở phía máy thu, tín hiệu được giải điều chế, được khuếch đại và được xử lý bởi hàmFFT theo cách giống như trong OFDMA Nhưng biểu đồ biên độ kết quả không được

phân tích thẳng ra để có được dòng dữ liệu ban đầu, mà được nạp vào một hàm IFFT

để gỡ bỏ tác dụng của quá trình

xử lý tín hiệu bổ sung đã được thực hiện ở phía máy phát Ra khỏi hàm IFFT này, tínhiệu lại trở thành tín hiệu miền thời gian Tiếp đến, tín hiệu miền thời gian này đượccung cấp cho một khối phát hiện (detector), khối này tái tạo lại các bit dữ liệu ban đầu.Như vậy, thay vì phát hiện các bit trên nhiều kênh con khác nhau, người ta chỉ dùngmột hàm phát hiện duy nhất trên một kênh truyền duy nhất

Hình 1.8: Thu và phát SC-FDMA

Điều chế SC-FDMA cho các cuộc truyền hướng lên

Những khác biệt giữa OFDM và SC-FDMA có thể được tổng kết như sau: OFDM tạo

ra các nhóm bit nhập (các con số 0 và 1) để lắp ráp vào các kênh con; sau đó các kênhcon này được xử lý bởi hàm IFFT để có được một tín hiệu miền thời gian Ngược lại,SC-FDMA trước hết chạy một hàm FFT trên các nhóm bit dữ liệu nhập rồi đưa kếtquả vào hàm IFFT để hàm này tạo ra tín hiệu miền thời gian Đây là lý do khiến đôikhi SC-FDMA còn được gọi là phương thức OFDM trải FFT (FFT spread OFDM)

1.2.4 Sử dụng hệ thống MIMO trong LTE :

Cho đến nay việc truyền dữ liệu thông thường thông qua một dòng tín hiệu duy nhấttrong không gian giữa bộ phát sóng và bộ thu sóng Hầu hết các hệ thống không dâyhiện nay đều hoạt động theo chế độ này, và một bộ phát sóng thứ hai trên cùng tần sốđược xem là nhiễu không mong muốn, làm giảm chất lượng kênh truyền Tuy nhiêntrong thực tế, có thể thấy rằng ngay cả một tín hiệu duy nhất cũng bị phản xạ và tán xạbởi những đối tượng trong lộ trình truyền, và đầu kia nhận được vài bản sao của tínhiệu ban đầu từ những góc độ khác nhau vào những thời điểm hơi lệch nhau một chút.Đối với những công nghệ truyền không dây đơn giản, các bản sao này cũng là nhiễukhông mong muốn Nhưng LTE lại lợi dụng sự tán xạ và phản xạ trên lộ trình truyềnbằng cách truyền vài dòng dữ liệu độc lập qua những ăng-ten riêng Các ăng-ten nàyđược đặt cách nhau ít nhất là một nửa bước sóng, điều này tự nó tạo ra những cuộctruyền riêng biệt, vốn phản ứng khác nhau khi chúng gặp những chướng ngại trong lộtrinh truyền Ở phía máy thu, những dòng dữ liệu khác nhau được bắt (pick up) bởi cácăng-ten độc lập và các dây chuyền thiết bị thu độc lập Việc truyền vài tín hiệu độc lậptrên cùng băng tần này được gọi là MIMO (Multiple Input Multiple Output), và Hìnhdưới cho thấy một cách biểu diễn đồ họa đơn giản hóa của kỹ thuật này Trong thực tế,điều này có nghĩa là vài lưới tài nguyên LTE được gửi đồng thời trên cùng tần sốnhưng thông qua những ăng-ten khác nhau

Hình 1.9: Nguyên tắc của truyền MIMO

Chuẩn LTE chỉ định hai và bốn cuộc truyền riêng biệt trên cùng một băng tần, tức đòihỏi phải có hai hoặc bốn ăng-ten tương ứng ở cả máy phát lẫn máy thu Hệ quả là,những cuộc truyền như vậy được gọi là 2x2 MIMO và 4x4 MIMO Trong thực tế, 2x2MIMO nhiều khả năng sẽ được dùng trước, do bởi những ràng buộc về kích cỡ củacác UE và do sự kiện là các ăng-ten phải được đặt cách nhau ít nhất một nửa bướcsóng Hơn nữa, hầu hết các UE đều cho phép dùng vài băng tần, mỗi băng thường đòihỏi bộ ăng-ten của riêng nó trong trường hợp hoạt động MIMO được hậu thuẫn trongbăng đó Ở phía mạng, có thể có được những cuộc truyền 2x2 MIMO bằng một

ăngten phân cực chéo (cross polar antenna) “duy nhất”, kết hợp hai ăng-ten theo cách

sao cho mỗi ăng-ten truyền đi một dòng dữ liệu riêng biệt với một dạng phân cực khácnhau (ngang và đứng)

Tuy trên hình mô tả khái niệm tổng quát của truyền MIMO, nhưng nó không chính xác

ở phía máy thu, bởi vì mỗi ăng-ten nhận không phải chỉ một tín hiệu duy nhất mà làmột sự kết hợp của tất cả các tín hiệu khi chúng chồng chéo lên nhau trong khônggian Vì thế, mỗi dây chuyền thiết bị thu cần phải tính toán một cách truyền kênh cóxét đến mọi cuộc truyền để phân biệt các cuộc truyền với nhau Các ký hiệu truyềnpilot đã nói ở trên được dùng cho mục đích này Những thành tố cần thiết cho các tính

toán này bao gồm độ lợi (gain), pha (phase) và các ảnh hưởng đađường truyền

(multipath effect) cho mỗi lộ trình truyền độc lập Vì khuôn khổ có hạn, tài liệu nàykhông đi sâu vào cách tính toán này

Bởi vì các kênh MIMO phân biệt với nhau, nên 2x2 MIMO có thể làm tăng tốc

độ truyền tổng thể lên hai lần, còn 4x4 MIMO thì tăng lên bốn lần Tuy nhiên điều nàychỉ có thể đạt được trong những điều kiện tín hiệu lý tưởng Vì vậy, MIMO chỉ đượcdùng cho các cuộc truyền hướng xuống trong LTE, bởi vì bộ phát sóng của trạm cơ sở

ít bị ràng buộc về công suất hơn bộ phát sóng ở hướng lên Trong những điều kiệntruyền ít thuận lợi hơn, hệ thống tự động quay trở lại kiểu truyền một dòng dữ liệu duynhất và cũng giảm luôn cấp điều chế từ 64-QAM xuống 16- QAM hay thậm chí

QPSK Ngoài ra, như đã trình bày trong phần nói về HSPA+, còn có một sự quân bình(được này mất kia) giữa điều chế cấp cao hơn và sử dụng MIMO Vì thế trong nhữngđiều kiện tín hiệu kém hơn lý tưởng, truyền MIMO chỉ được dùng với điều chế 16-

QAM thôi, như vậy không thể gấp đôi tốc độ truyền so với truyền một dòng duy nhất

sử dụng 64-QAM

Ở hướng lên, thật khó cho các UE sử dụng MIMO do bởi kích cỡ ăng-ten hạn chế vàcông suất ngõ ra của nó, cho nên chuẩn LTE hiện nay không có MIMO Tuy nhiên bảnthân kênh truyền hướng lên LTE vẫn thích hợp cho truyền MIMO hướng lên Để tận

dụng trọn vẹn kênh truyền này, một số công ty đang tính tới việc thực hiện MIMO

cộng tác (collaborative MIMO), hay còn gọi là MIMO đa người dùng (multiuser

MIMO), trong tương lai Ở đây, hai UE sử dụng cùng một kênh hướng lên cho lưới tàinguyên của chúng Về phía trạm cơ sở, hai dòng dữ liệu này được phân tách bởi bộ thusóng MIMO và được xử lý như là hai cuộc truyền từ những thiết bị độc lập, chứ khôngphải như hai cuộc truyền từ một thiết bị duy nhất nên phải được kết hợp lại Tuy điềunày không làm cho tốc độ truyền của mỗi thiết bị cao hơn, nhưng dung lượng hướnglên tổng thể của cell được gia tăng đáng kể

1.2.5 Các băng tần hỗ trợ :

Các đặc điểm kỹ thuật của LTE thừa hưởng tất cả các băng tần được xác địnhcho UMTS , và là một danh sách tiếp tục phát triển hiện có 13 băng tần FDD và 8băng tần TDD Quan trọng là sự chồng chéo của một số các băng tần đã tồn tại , nhưngđiều này không nhất thiết phải thu gọn các băng tần mà từ đó có thể được thực hiện cụthể dựa trên nhu cầu thực tế của từng khu vực

UL-DL Band Separation (MHz)

- Tổng hợp sóng mang (Carrier Aggregation)

- Đa ăng ten cải tiến (Multi-antenna Enhancements)

- Trạm chuyển tiếp (Relays)

- Mạng không đồng nhất (Heterogeneous Networks)

- Phối hợp đa diểm (Coordinated Multipoint – CoMP)

Downlink 16.3(4x4 MIMO) 30 (8x8 MIMO)

Bảng 2: So sáng LTE-Advanced với LTE

Bằng việc áp dụng thêm nhiều giải pháp công nghệ kỹ thuật mới như trên, LTEAdvanced có các đặc tính cao hơn hẳn so với LTE về nhiều mặt (tốc độ, băng thông,hiệu suất sử dụng phổ, độ trễ xử lý…) Trong khi LTE chỉ cho phép truyền dữ liệu vớitốc độ tối đa là 326 Mbps thì LTE-Advanced có tốc độ đỉnh lên đến 1 Gbps Độ trễ xử

lý nhỏ nhất của LTE-Advanced là ~5 ms trong khi ở LTE là ~10ms (gấp 2 lần so vớiLTE-Advanced)… Bảng so sánh trên cho thấy rõ những điều này

1.3 Các phương pháp tăng hiệu quả hệ thống thông tin di động (LTE)

Trong phần 1.5 chúng ta đã thấy số lượng thuê bao di động đã đặt ngưỡng 6 tỷ thuêbao tại tháng 2 năm 2012 Vào sẽ tăng mạnh trong những năm tiếp theo đặc biệt là sốlượng thuê bao LTE Yêu cầu cho nhà mạng ngày càng cao khi số lượng tăng nhanh

và chất lượng dịch vụ cũng phải tăng Các nhà sản xuất các tổ chức nghiên cứu và cácnhà cung cấp dịch vụ mạng không ngừng cải tiến hệ thông thông tin di động nóichung, cũng như thúc đẩy hoàn thiện hệ thống LTE Đã có rất nhiều các giải phápđược nêu ra và đã áp dụng Trong phần 2.4 đã giới thiệu công nghệ đa an-ten mộttrong những giải pháp tăng hiệu quả cho LTE Ngoài ra còn rất nhiều các giải pháp

Tăng phổ tần: Với những nghiên cứu làm tăng hiệu quả cho hệ thống thông tin di

động ban đầu đã chỉ ra là: “ Hiệu quả và lợi ích tăng lên 25 lần nếu như ta nới rộngphổ tần” Và thực tế thì con người đã sử dụng tối đa các băng tần vô tuyến Tần sốvốn là tài nguyên của vô tuyến Vì thế mà con người đã nghiên cứu và và sử dụng tần

số một cách hợp lý nhất để mang lại hiệu quả cao Giải pháp tăng cao từ việc nới rộngbăng tần vô tuyến là rất khó

Chia nhỏ phổ tần: Bằng cách chia nhỏ dải tần thì một hệ thống thông tin di động có

thể cho ta cải tiến hiệu quả gấp 5 lần ban đầu Đã có rất nhiều các nghiên cứu và côngnghệ áp dụng để chia nhỏ tần số cũng nhưng tăng số lượng người sử dụng trong mộtbăng tần Nhưng công nghệ OFDMA áp dụng cho đường xuống trong LTE là một sựtối ưu trong sử dụng tần số

Điều chế: Thiết kế các bộ điều chế tốt hơn sẽ mang lại hiệu quả gấp 5 lần cho hệ

thống di động Thực tế đã chứng điều chế mang lại hiệ quả lớn cho vô tuyến truyềnthông Hàng loạt các phương pháp điều chê được đưa ra áp dụng và chia làm hai loại

cơ bản là: Điều chế tương tự và điều chế số Sự khác biệt giữa điều chế tương tự và số

là tín hiệu tương tự vô hạn mức, người ta dùng tín hiệu nguồn làm biến đổi sóng mang

để truyền đi Còn điều chế số thì khác, có hữu hạn mức, tín hiệu nguồn được gán vàocác mức (biên độ, tần số, pha) rồi truyền, qua đường truyền, mức tín hiệu đó có thểkhông còn nguyên vẹn ở mức đó nhưng nếu nó chưa nhiễu quá (nhảy sang mức khác)

mà vẫn ở gần mức gốc thì người ta vẫn nhận được và khôi phục lại được còn tín hiệutương tự thì chịu

Tạo cell nhỏ: Một hiệu quả khổng lồ từ việc giảm khoảng cách đường truyền với hàng

hàng loạt các lợi ích đi kèm Nó giúp tăng hiệu quả của hệ thống lên 1600 lần, quả làmột con số ấn tượng cho các nhà mạng cũng như người sử dụng Vì khi khoảng cáchđường truyền ngắn nó không còn lo ngại đến suy hao và việc tái sử dụng lại tần số(tàinguyên quý giá của vô tuyến) trở nên dễ dàng Nhưng đối mặt với quá trình vi mô hóa

tế báo chính là chi phí lắp đặt cho các nhà mạng khi số lượng trạm gốc(BS) tăng cao

Hình 1.10:Giải pháp small cell

Như vậy chất lượng dịch vụ sẽ tăng theo với chi phí sản xuất Một trong những pháttriển gần đây là giải pháp femtocell hay còn gọi là trạm gốc trong nhà (home basestation BSs) Thiết bị BS được lắp trực tiếp trong nhà thỏa mãn yêu cầu giảm khoảngcách đồng thời tiết kiệm năng lượng Giải pháp Femtocell hứa hẹn sẽ tạo ra một hệthống thông tin di động hội tụ cao về thoại và dữ liệu Trong chương tiếp theo em xintrình bày về hệ thống LTE/LTE-Advanced sử dụng công nghệ Femtocell

CHƯƠNG2 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG LTE\LTEADVACEDSỬ

DỤNG FEMTOCELL

Trong chương 1 đã có giới tổng quan về tiến trình phát triển đi lên của hệ thốngthông tin di động LTE Trình bày một vài giải pháp cơ bản giúp tăng hiệu quả hệthống thông tin diđộng nói chung cũng như LTE nói riêng Và trong chương 2 em xintrình bày một giải pháp mới được áp dụng trên LTE nhằm đáp ứng xây dựng mộtmạng 4G mạnh mẽ và đầy tính thực tế Sau đầy là phần trình bày về giải pháp côngnghệ Femtocell được áp dụng cho LTE

2.1 Giới thiệu về Femtocell

Các nghiên cứu về sử dụng vô tuyến cho thấy rằng hơn 50% của tất cả các cuộcgọi thoại và hơn 70% lưu lượng dữ liệu có nguồn gốc trong nhà Mạng thoại đượcthiết kế để chịu đựng chất lượng tín hiệu thấp, kể từ khi tỷ lệ dữ liệu cần thiết cho cáctín hiệu bằng giọng nói là rất thấp, thứ tự của 10 kb/s hoặc ít hơn Mặt khác mạng dữliệu đòi hỏi chất lượng tín hiệu cao hơn nhiều để cung cấp nhiều bit tốc độ cao vớimong muốn người dùng Đối với các thiết bị trong nhà, đặc biệt là ở các tần số caohơn có thể được triển khai trong các hệ thống băng thông rộng không dây nhiều Suyhao giảm sẽ làm cho chất lượng tín hiệu cao và do đó tốc độ dữ liệu cao rất khó khăn

để đạt được Điều này đặt ra câu hỏi rõ ràng: tại sao không khuyến khích người dùngcuối để cài đặt một thiết bị trong nhà tầm ngắn tiêu thụ điện năng thấp liên kết tại các

vị trí này?

Một mô hình cải tiến mới với nốt B được đặt trong nhà (HeNB) được gọi làFemtocell Các thuê bao trong nhà, trung cư, công sở có thể sử dụng dịch vụ LTE chấtlượng cao trực tiếp qua nốt B trong nhà của Femtocell và sử dụng thoại cơ bản vẫn cóthể qua trạm gốc của Marcocell Femtocell có phần gần giống với Wifi khi có thể chiangười dùng thành các loại cơ bản như: Loại thứ nhất là người dùng trực tiếp(chủ sởhữu), loại thứ hai là khách thường xuyên và loại thứ ba là khách không thường xuyên.Như vậy Femtocell cũng đặt ra các chính sách sử dụng như là:

- Chính sách mở hoàn toàn: mọi thuê bao bất kỳ đều có thể truy cập femtocell khinằm trong vùng phủ của nó Chính sách này không đảm bảo tính bảo mật cũng như lợi

ích cho thuê bao chính trong nhà Nhưng nó giúp phần sử dụng hiệu quả hệ thốngthông tin di động đảm bảo tính trong suốt cho mạng vô tuyến

- Chính sách đóng: Chỉ có thuê bao chủ nhà femtocell mới có quyền sử dụng tàinguyên femtocell Điểm mạnh của chính sách này là tính bảo mật và lợi ích của chủnhà được đảm bảo Nhưng nó làm hạn chế tính linh hoạt cho mạng vô tuyến khi cóthuê bao khách là LTE di chuyển sang vùng lân cận

- Chính sách trung gian: Mở một phần giới hạn tài nguyên cho khách sử dụng.Vừa đảm bảo tính linh hoạt và trong suốt cho vô tuyến Vừa đảm bảo lợi ích chủ nhàcũng như tính bảo mật

Hình 2.1: Femtocell đơn giản

Hình ảnh trên cho thấy một cách nhìn đơn giản về femtocell, tín hiệu thoại vẫn đượcduy trì trên BS-macrocell Đây là bản chất của chính của phương pháp femtocell Thuê

số lượng lưu lượng truy cập trên mạng macrocell đắt tiền của họ, và có thể tập trungnguồn lực vào việc người dùng di động thực sự

Sau đây là một lợi ích mà Femtocell mang lại:

- Vùng phủ và công suất tốt hơn: Do khoảng cách truyền nhận ngắn nên

Femtocell làm giảm công suất truyền tài Giúp tiết kiệm năng lương cho thiết bịcầm tay kéo dài tuổi thọ pin cho thiết bị di động Đặc biệt làm tăng tỷ lệ tín hiệutrên nhiễu cộng tiếng ồn (SINR) Do sự di chuyển giảm diện tích vùng phủđược tập trung và làm giảm nhiễu nên người sử dụng có thể được đóng gói vàomột khu vực cùng một vùng quang phổ Làm tăng hiệu quả sử dụng diện tíchquang phổ

- Cải thiện độ tin cậy cho Macrocell : Nếu lưu lượng trong nhà có nguồn gốc,

có thể được hấp thụ vào các mạng femtocell trên đường trục IP, các BSmacrocell có thể chuyển hướng các nguồn lực của mình trong việc cung cấptiếp nhận tốt hơn cho người sử dụng điện thoại di động

- Chi phí lợi ích: Triển khai Femtocell sẽ làm giảm hoạt động và chi phí chi phí

vốn cho các nhà khai thác Một macrocell đô thị điển hình chi phí lên tới1000$/tháng trong hợp đồng thuê địa điểm, và chi phí bổ sung cho điện vàbackhaul Mạng macrocell sẽ được nhấn mạnh bởi các chi phí hoạt động, đặcbiệt là khi thuê bao tăng trưởng không phù hợp với nhu cầu gia tăng về lưulượng dữ liệu Việc triển khai các Femtocell sẽ làm giảm sự cần thiết phải thêmtháp Macro-BS Một nghiên cứu gần đây cho thấy chi phí hoạt động quy mô từ60.000$/năm/macrocell để chỉ 200$/year/femtocell

- Doanh thu thuê bao: Vùng phủ đang được xây dựng một cách nghèo nàn gây

ra sự không hài lòng của khách hàng Khuyến khích họ hoặc chuyển đổi vậnhành hoặc duy trì một đường dây riêng biệt bất cứ khi nào trong nhà Nâng caokhả năng vùng phủ trong nhà được cung cấp bởi femtocells sẽ làm giảm độnglực cho người dùng gia đình chuyển sang dùng mạng khác

2.2 Các khía cạnh kỹ thuật Femtocell

Hình 2.2: Tổng quát Femtocell

Hình vẽ trên cho thấy khái quát rõ hơn về Femtocell, có thể coi hệ thống thông tin diđộng với nốt B cải tiến đặt trong nhà.Các thiết bị LTE trong nhà khi sử dụng dịch vụ

dữ liệu tốc độ cao sẽ được HeNB kết nối với Internet qua đường backhaul, mạng lõi diđộng được kết nối với internet để quản lý Khi thuê bao LTE muốn kết nối thoại thì nó

sẽ kết nối trực tiếp với eNB của Macrocell chính Chi tiết kết nối tới mạng lõi sẽ đượctrình bày trong phần dưới đây

2.2.1 Tiêu chuẩn Femtocell

Từ quan điểm công nghệ femtocell không chỉ đặc trưng bởi phạm vi giao tiếpngắn và thông lượng cao, mà còn bởi khả năng dễ dàng tương tác với các mạng diđộng truyền thống ở tất cả các lớp của ngăn xếp mạng, thực hiện các nhiệm vụ nhưchuyển giao (HO), quản lý nhiễu, thanh toán, và xác thực Điều này đòi hỏi hỗ trợđáng kể của các cơ quan tiêu chuẩn phù hợp Các cơ quan quản lý với tác động cho lànhất lên các cơ quan tiêu chuẩn là diễn đàn smallcell Đó là một tổ chức phi lợi nhuậnđược các thành viên lập ra vào năm 2007 để kích hoạt và thúc đẩy smallcell trong đó

có công nghệ Femto trên toàn thế giới Ngày nay, có trên hơn 70 nhà cung cấp công

động Nó đã có một tác động lớn trong các cơ quan tiêu chuẩn hóa khác nhau, chẳnghạn như ETSI và 3GPP Nó phục vụ trong số những người khác, để phát triển mộtkhuôn khổ chính sách khuyến khích và thúc đẩy tiêu chuẩn hóa các khía cạnh quantrọng của femtocell công nghệ trên toàn thế giới Hoạt động chính là hai lĩnh vựcchính: (1) tiêu chuẩn, quy định và khả năng tương tác Và ( 2) tiếp thị và xúc tiến cácgiải pháp femtocell trên toàn ngành công nghiệp và các nhà báo, các nhà phân tích,nhà quản lý, các nhóm lợi ích đặc biệt và các cơ quan tiêu chuẩn Bây giờ chúng tanhìn tổng quan như thế nào femtocell phù hợp với các mạng 3G CDMA, và sau đó4G(LTE)

1) UMTS/cdma2000 Femtocells: hiện thân thế hệ 3 UMTS (đưa ra bởi 3GPP) và

CDMA2000 (đưa ra bởi 3GPP2) có kiến trúc tương tự và được dựa trên CDMA.IMT2000 tuân thủ, về mặt lý thuyết cung cấp thứ tự của mức cường độ dữ liệu caohơn hơn so với các họ GSM, mặc dù phụ thuộc vào tải, kinh nghiệm người dùng cóthể không khác nhau nhiều Mạng CDMA bị hạn chế về nhiễu và hiệu suất của chúngphụ thuộc mong manh vào việc điểu khiển công suất Nếu không có điều khiển côngsuất một cách chính xác thì hiệu ứng “gần- xa” gây ra gần đó để người dùng gần nhậnđược công suất cao hơn người sử dụng xa, khi họ sử dụng cùng một băng tần Vớifemtocell điều khiển công suất tập trung gần như là không thể thực hiện bởi vì cácmức công suất nhận được không thể được đồng thời cân bằng tỷ số ở nhiều điểm trongkhông gian Ví dụ, một đường lên macrocell điện thoại di động người dùng có thểtruyền tải ở mức năng lượng hiệu quả vô hiệu hóa femtocell lân cận trong băng tần

đó Vì vậy, thêm ngay cả một số lượng nhỏ của femtocell CDMA có thể có một tácđộng sâu sắc, như đã thấy lý thuyết trong Hai giải pháp đơn giản cho vấn đề tồn tạinày Tuy nhiên đầu tiên là để đi đến một mô hình điều khiển truy cập mở, nơi mỗi điệnthoại di động chỉ đơn giản là giao tiếp với trạm cơ sở có mạnh Do đó nhiễu mạnh đơngiản chuyển giao và sau đó giảm công suất của họ Khi điều này không phải là có thể

và femtocell chính sách đóng, điện thoại di động có thể chuyển đổi băng tần 3G khác(hầu hết các nhà khai thác có ít nhất hai kênh kết hợp 5 MHz cho mỗi thị trường) hoặc

trở lại GSM 2) LTE / LTE-A Femtocells: 3GPP hiện nay tập trung vào Long Term

Evolution (tức là LTE, chính thức 3GPP Release 8 trở đi) và công nghệ LTE-Adanved(LTE-A

Release 10 trở đi), trong khi các hoạt động 3GPP2 bây giờ chủ yếu là ngừng phát triểnWiMAX Nghiên cứu bao gồm các hoạt động tiêu chuẩn femtocell, nhưng tác độngcủa nó tại các thị trường phát triển có quy mô nhỏ Tác động vật lý và lớp MAC củafemtocell LTE và WiMAX là khá giống nhau, do thiết kế so sánh lớp vật lý và MACcủa họ, mà là dựa trên truy cập tần số trực giao phân chia (OFDMA) Kể từ khi LTE

có khả năng chi phối dữ liệu di động nền tảng cho tương lai gần, tích hợp trơn tru củafemtocell vào LTE đặc biệt quan trọng, và là chủ đề của một bài báo đưa ra

Một sự khác biệt quan trọng trong OFDMA (cả LTE và WiMAX) là số lượng lớn thời gian tự động phân bổ và khe cắm tần số Sự gia tăng đáng kể trong sự linhhoạt của phân bổ nguồn lực là cả một may mắn và một thách thức Bởi vì femtocell cóthể được phân bổ các nguồn tài nguyên trực giao pico gần đó và macrocells, khả năngquản lý nhiễu điều chỉnh tồn tại, trong khi nó không ở GSM hay CDMA Đó là, trong

lý thuyết, một tối ưu hóa mạng lưới phức tạp có thể được thực hiện theo đó femtocellcho các nguồn tài nguyên cũng giống như họ "cần", với macrocells sau đó tránh sửdụng những thời gian và khe cắm tần số đang sử dụng Và đây là thách thức: có khảnăng một số lượng lớn phối hợp là cần thiết Một thỏa hiệp phổ biến là tái sử dụng tần

số phân đoạn, trong đó tần số (hoặc thời gian) các nguồn tài nguyên có thể được bántĩnh được phân bổ trong, cạnh biên hoặc người sử dụng tế bào nhỏ, với điều khiểncông suất trên đã nêu trên đầu đồ án để giảm sự bất bình đẳng thông qua kinh nghiệmtrong các kịch bản này Ngoài ra, một phân vùng bán tĩnh có thể giữa femtocell vàmacrocells Các kết quả chỉ ra rằng ngay cả với các triển khai femtocell dày đặc, hầuhết các nguồn lực cần đi đến các macrocell, kể từ khi mỗi femtocell chỉ cần một sốlượng nhỏ các khối tài nguyên để cung cấp tương đối cao thông cho người sử dụng của

họ

2.2.2 Đường lên và xuống Femtocell

Kênh và các mô hình mạng không dây chính xác là nền tảng cho sự phát triển

truyền thống, trước khi chuyển sang mô hình hóa các hệ thống như vậy với cácfemtocell, tức là hai tầng mạng di động Kết luận bằng cách thảo luận về trường hợp(thực tế quan trọng) chung nhất của các hệ thống di động nhiều tầng bao gồmmacrocells, femtocell, picocells và có thể thêm các yếu tố bức xạ (như chuyển tiếp,ăng-ten phân phối, hoặc cơ sở hạ tầng trong tương lai)

2.2.2.1 Mô hình hóa Macrocellular

liên kết duy nhất, hoặc kênh không dây Kênh như vậy phụ thuộc vào một số lượnglớn các yếu tố bao gồm môi trường, đường truyền, phạm vi, tần số sóng mang, đặt ăngten, và các loại ăng-ten Thông thường tất cả những yếu tố này được trừu tượng vàomột trong hai lý thuyết ví dụ như tổn thất đường dẫn, fading và chính xác hơn nhưng

ít đơn giản hình thực nghiệm, chẳng hạn như những người sử dụng bởi 3GPP Kể từfemtocell thường có sự khác biệt đáng kể so với hệ thống tiêu chuẩn di động trong tất

cả các loại trên, ngoại trừ tần số sóng mang, nó có thể được giả định rằng hành vi kênhcủa họ sẽ tương tự như các kênh WiFi so với các kênh di động Tuy nhiên, chẳng hạn

"trong nhà" các kênh dành cho hầu hết các phần dễ tại một loạt các tần số, với các môhình chung hiện nay, chẳng hạn như kênh Winner II mô hình bao gồm trong nhà như

là một trường hợp đặc biệt

hệ thống di động được coi là xuất hiện khi nhiều người sử dụng đồng thời Mặc dù kếtquả lý thuyết tinh túy và kỹ thuật đã được phát triển cho đường xuống (aka quảng bá)các kênh và các kênh đường lên (đa truy nhập), các mô hình và liên quan kỹ thuật tối

ưu họ thường có các thiếu sót đáng kể không xem xét vai trò của (phi nhiễu Gauss)nhiễu sóng hoặc tăng cao khác nhau (30-50 dB) giữa những người sử dụng khác nhau

Phát triển phân tích các mô hình dễ xử lý cho các hệ thống di động là rất khókhăn Thực tế này được chứng minh rõ ràng sự tồn tại của "mô hình Wyner" cực kỳđơn giản, thông qua xác định SINR (hoặc cố định trung bình) cho người sử dụng trongmột tế bào, bất kể họ là trong nhà hoặc người sử dụng cạnh Một cách tiếp cận nhưvậy, không có gì khác, không phải là đặc biệt chính xác trong hầu hết các trường hợp.Với số lượng ít ỏi của các mô hình phân tích dễ xử lý, công nghiệp và hầu hết các học

giả đã bị mắc kẹt vào mô hình được chấp nhận lưới hình lục giác để đánh giá các tínhnăng thiết kế hệ thống ứng cử viên Mô hình lưới là mạng di động dễ dàng Đủ để môphỏng và được cho là gần sát với cũng như các kế hoạch triển khai di động, đã chophép nó chịu được sự thử thách của thời gian

Một triết lý thay thế nhưng hiện tại ít phổ biến là mô hình các trạm gốc nhưnăm ngẫu nhiên Có lẽ phản trực giác, làm cho các trạm cơ sở ngẫu nhiên nằm dẫn đếnmột mô hình phân tích dễ xử lý (giả sử các vị trí được độc lập và phân phối giốngnhau) và cuối cùng là khá đơn giản biểu thức chính xác có thể được phát triển cho việcphân phối SINR (các số liệu sản phẩm con như mất điện) Người ta có thể nhìn thấytrong hình từ 2.3 đến 2.5 chủ quan ít nhất, một triển khai thực thế giới macrocell nằmkhoảng giữa một mạng lưới đầy đủ xác định một vị trí hoàn toàn ngẫu nhiên (được độclập và phân phối giống nhau) Chúng ta sẽ thấy dưới đây xa hơn lợi thế của mô hìnhnày là nó tự nhiên hơn tích hợp femtocell và các yếu tố khác không đồng nhất

2.2.2.2 Điều khiển truy cập Femtocell

Một điều quan trọng phân loại cho femtocell mạnh mẽ ảnh hưởng đến các môhình là loại điều khiển truy cập Đối với một nhóm thuê bao đóng (CSG), chỉ trước khiđăng ký người sử dụng điện thoại di động có thể sử dụng một femtocell nhất định.Điều này thường sẽ là một phần rất nhỏ trong dân số di động Ở thái cực khác, trongmột Nhóm thuê bao mở (OSG), bất kỳ điện thoại di động có thể sử dụng bất kỳfemtocell, hoặc ít nhất là một trong đó là "mở" Đương nhiên, các phương pháp tiếpcận lai là có thể: ví dụ như một femtocell có thể cho phép người sử dụng điện thoại diđộng không đăng ký để truy cập vào nó, nhưng sau đó không thừa nhận người dùngmới Điều này sẽ hạn chế tải trên femtocell và kết nối backhaul của nó

Nói chung, truy cập mở là một cách tiếp cận tốt hơn từ một điểm năng lựcmạng lưới, và từ quan điểm người sử dụng điện thoại di động Một chủ femtocell cụthể có thể mong đợi để xem suy biến QoS bằng cách mở nó lên cho tất cả các điệnthoại di động trong mạng Nhưng trong thực tế, điều này thường không xảy ra, vàtrong các đường lên CDMA đặc biệt hiệu suất femtocell là tốt hơn nhiều ngay cả đối

những tính năng quan trọng trong bất kỳ mô hình tế bào bao gồm các femtocell

2.2.2.3 Mô hình hóa Mạng Femtocell

Ngoài ra công nghệ femtocell rõ ràng đòi hỏi một sự tiến hóa của mô hình di độngtruyền thống Có lẽ có bốn cấp cao phương pháp tiếp cận femtocell mô hình hóa trongcác mạng di động, mặc dù các chi tiết có thể thay đổi khá một chút từ những bài báo

đã viết Và tất nhiên, một số bài báo có thể sử dụng và thậm chí còn so sánh một số

của các mô hình dưới đây Phương pháp tiếp cận đầu tiên là để giữ cho các mô hìnhlưới quen thuộc cho vĩ mô các trạm cơ sở (bao gồm cả trường hợp đặc biệt của một

BS Macrocell), và để thả femtocell trên đầu của nó, hoặc là ngẫu nhiên hoặc trong mộthình dạng xác định Một BS (thường là gần nhất hoặc mạnh nhất) sẽ kết nối với người

sử dụng điện thoại di động, với tất cả các macrocell khác và BS-femtocell (downlink)hoặc người sử dụng điện thoại di động (uplink) hành động là gây nhiễu Truy cập khépkín, có thể không được để kết nối với các trạm cơ sở ưu tiên, trong trường hợp này canthiệp dù chỉ là từ một nhiễu có thể mạnh hơn so với tín hiệu mong muốn, đó là một sựkhác biệt quan trọng từ một mạng di động truyền thống

Hình 2.3: Mô hình truyền thống

Một mô hình thứ hai đơn giản nhưng ít tập trung vào một femtocell duy nhất (vàngười sử dụng có liên quan) giảm xuống trong mạng di động Trong đường xuống, sựcan nhiễu cho người sử dụng femtocell được giả định là chỉ từ macrocells khác nhau,trong một triển khai femtocell khá thưa thớt, có lẽ là chính xác Trong đường lên cũng

như nhiễu mạnh là ràng buộc để đi từ điện thoại di động gần đó phát sóng ở mức côngsuất cao đến trạm BS-Macrocell do đó, các mô hình có thể được hợp lý Các hạn chếchính của mô hình này so với Mô hình một là kinh nghiệm femtocell mạnh mẽ cannhiễu tùy thuộc vào vị trí của họ không thể được chính xác đặc trưng

Hình 2.4: Mô hình 4G Marcocell đang dùng

Mô hình thứ ba, xuất hiện gần đây nhất là cho phép cả hai macrocells vàfemtocell được đặt ngẫu nhiên Đây là cách tiếp cận của tư liệu thứ ba trong vấn đềnày đặc biệt, và tốt nhất của kiến thức hiện nay, có những công trình dài và đầy đủ để

đề xuất một cách tiếp cận như vậy

Hình 2.5: Mô hình BS ngẫu nhiên hoàn toàn

Một khía cạnh hấp dẫn của phương pháp này là ngẫu nhiên thực sự cho phéptheo một cách truyền đạt đặc biệt, dễ cải thiện và sự phân bố SINR có thể được tìmthấy một cách rõ ràng Điều này có thể cho phép tác động cơ bản khác nhau PHY vàMAC thiết kế được đánh giá về mặt lý thuyết trong tương lai

Một mô hình thứ tư chỉ đơn giản là để giữ cho tất cả các độ lợi kênh (bao gồm cảnhiễu kênh) và có thể ngay cả những khả năng khác nhau cho mỗi người dùng nóichung, mà không cần xác định mô hình chính xác không gian cho các trạm gốc khácnhau Điều này có thể được sử dụng trong nhiều công thức cấp cao hơn Vì vậy, cuốicùng, mô hình thứ tư thường sẽ phù hợp với một trong ba mô hình trên

2.2.3 Kết nối Femtocell tới mạng lõi

Trong mạng thông tin di động thế hệ thứ 3G UMTS, các trạm phát sóng Node

B (bao gồm các macro-cell, micro-cell hay cả pico-cell) kết nối trực tiếp với khối điềukhiển mạng vô tuyến RNC (Radio Network Controller) bằng đường truyền dành riêngnhư E1/T1 Các RNC ghép các lưu lượng dữ liệu từ các Node B trước khi gửi chúngđến mạng lõi di động RNC phân phát lưu lượng thoại (của mạng chuyển nối mạch)đến các tổng đài MSC (Mobile Switching Center) thông qua giao diện Iu-CS và dữliệu gói (của mạng chuyển nối gói) đến SGSN (Serving GPRS Support Node) thôngqua giao diện Iu-PS

Vì lý do giá thành và tiện lợi sử dụng, femtocell phải đáp ứng tính năng cắm vàchạy (plug-and-play) giống như cách mà người ta cài đặt và sử dụng một trạm truynhập WiFi Trong tương lai, hàng ngàn femtocell sẽ được nối kết với kiến trúc mạnglõi di động thông qua mạng công cộng Internet Điều này đặt ra bài toán về khả năng

mở rộng (scalability), tính bảo mật và sự chuẩn hóa của các thiết bị và giải pháp Dướiđây, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu giải pháp đã được đề nghị để kết nối thiết bị femtocellđến mạng lõi di động

2.2.3.1 Kiến trúc dựa trên UMTS

Giải pháp đầu tiên đi theo hướng giữ nguyên hạ tầng mạng nằm phía sau RNC Việc liên lạc từ các femtocell về mạng lõi sẽ thực hiện bằng đường hầm IP được bảo mật

thông qua mạng IP băng rộng công cộng Chúng ta có thể phân ra 2 loại: Iub trên IP (nếu đường hầm IP được thiết lập giữa femtocell và RNC) và Iu trên IP (nếu đường

hầm được thiết lập giữa RNC và MSC/SGSN) Trong khung giải pháp này,Iuconcentrator (còn được gọi là Femtocell Gateway - FGW) được đề nghị để như điểmtập trung lưu lượng thông tin từ hàng nghìn femtocell trước khi đi vào mạng lõi di

động để tăng khả năng mở rộng a) Giải pháp Iub trên IP:

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

số lượng femtocell kết nối với FGW mà FGW và RNC có thể thiết kế trong cùng mộtthiết bị hay 2 thiết bị riêng lẻ Ở đây ta xét trường hợp chúng tách biệt nhau và liên lạcgiữa FGW và RNC thực hiện trên giao diện Iub

Hình 2.6: Kiến trúc giải pháp Iub-trên-IP

Hình 2.7: Bộ giao thức của giải pháp « Iub trên IP »