Tối ưu hóa beamforming cho mạng hai lớp đa user

Một số giải pháp hiện nay như sử dụng dải băng tần 60 GHz chưa được sử dụng tới với công nghệ Radio over Fiber đã và đang phát huy hiệu quả trong các tòa nhà có mật độ người dùng lớn.. T

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: TRẦN ĐỨC PHONG MSHV: 09140938

Ngày, tháng, năm sinh: 06-11-1986 Nơi sinh: THÁI NGUYÊN Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : 605270

I TÊN ĐỀ TÀI: TỐI ƯU HÓA BEAMFORMING CHO MẠNG HAI LỚP ĐA USER

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:Phân tích và mô phỏng các giải thuật để tìm ra các chỉ số beamforming của các antenna phân tập phát ứng với các vấn đề tối ưu đưa ra trong trường hợp đa người dùng khi CSI là biết trước (centralized design và semi-decentralized design) và không biết trước (robust design)

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :04-07-2011

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:02-07-2012

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS PHẠM HỒNG LIÊN

Tp HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2012

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….………

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Quá trình được đạo tạo theo chương trình cao học tại trường cũng như thời gian làm

luận văn thực sự là khoảng thời gian quý giá đối với tôi Trong thời gian này, tôi đã

được rèn luyện kỹ năng làm việc có khoa học, chuẩn bị hành trang trên con đường

tiếp tục nghiên cứu khoa học sau này Để hoàn thành được luận văn này, tôi xin gửi

lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến những người đã giúp đỡ và chỉ dạy tôi

trong thời gian qua

Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn tới TS Phạm Hồng Liên, người đã tận tình

hướng dẫn tôi trong suốt khoảng thời gian làm đề tài này, tạo mọi điều kiện để tôi

có thể hoàn thành luận văn tốt nhất

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử trường Đại

Học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM Đặc biệt tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới thầy

Đỗ Hồng Tuấn, thầy Phạm Quang Thái, thầy Vũ Phan Tú, những người không chỉ

dạy cho tôi những kiến thức trên lớp, mà còn tận tình hướng dẫn tôi những kinh

nghiệm quý báu để bước tiếp trên con đường nghiên cứu khoa học

Cuối cùng, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người

luôn đồng hành, động viên trong cuộc sống, quá trình học tập cũng như thời gian

thực hiện luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 07 năm 2012

Trần Đức Phong

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ viễn thông hiện nay đem tới cho người dùng những trải nghiệm về dịch vụ đa phương tiện có chất lượng cao, băng thông rộng và tốc độ cao Việc truyền và nhận những gói tin có dung lượng cao trong một thời gian ngắn không còn là một thách thức lớn với nhà mạng khi công nghệ 4G ra đời Đi cùng với sự phát triển đó, khi số lượng người dùng tăng lên thì nguồn phổ trở thành một thách thức thực sự đối với những nhà mạng triển khai hệ thống thông tin di động Nguồn phổ không phải là tài nguyên vô hạn, chúng có thể cạn kiệt nếu không được quy hoạch tốt Một số giải pháp hiện nay như sử dụng dải băng tần 60 GHz (chưa được sử dụng tới) với công nghệ Radio over Fiber đã và đang phát huy hiệu quả trong các tòa nhà có mật độ người dùng lớn Tuy nhiên đó mới chỉ là giải pháp trong tương lai

Một hướng đi khác trong nghiên cứu tái sử dụng nguồn phổ bằng cách khai thác mạng smallcell chia mạng đơn lớp thành những mạng đa lớp với lưu lượng rất cao ở mỗi cell Từ đó công nghệ Femtocell ra đời như là xu hướng chung để giảm tải cho trạm Macrocell, nâng cao độ bao phủ trong nhà, cũng như đem tới cho người dùng những trải nghiệm dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao và chất lượng đường truyền tối ưu Tuy nhiên việc giảm kích thước cell làm tăng độ phức tạp cho các nhà mạng khi tiến hành bảo trì và tối ưu hóa mạng Bên cạnh đó, một trong những thách thức rất lớn đối với các nhà mạng đó là phải làm sao hạn chế được can nhiễu xuyên lớp Trong khuôn khổ của luận văn này, ta giả sử mạng hai lớp downlink gồm một MBS

đa antenna và một FAP đa antenna, mỗi trạm phục vụ nhiều users với đơn antenna Trong mô hình này, ta thiết lập các công thức để giải quyết các bài toán tối ưu beamforming trong môi trường nhiễu Gauss: i) vấn đề tối thiểu hóa tổng công suất phát, ii) vấn đề cân bằng MSE, iii) vấn đề tối thiểu hóa công suất can nhiễu Cách giải quyết từng vấn đề hướng tới mục tiêu đảm bảo QoS cho mỗi user (gồm MUs và HUs) Cuối cùng kết quả số được đưa ra nhằm củng cố lại những giải thuật được nêu ra

SUMMARY

The wireless communications have been one of the fastest – growing technologies

of all time This rapid growth has been exhibited in terms of both quality of mobile broadband data consumed and high data rates To transmit and receive huge blocks

of data in a short period of time were no longer a big challenge to operators since the introduction of 4G technologies In addition to this ever-growing development, radio resources are still a big issue when mobile users have been increasing faster and faster The spectral resources are not unlimited and they can be depleted if operators do not manage and control them effectively Currently, one of the strategies to combat with radio resource depletion is to exploit unlicensed 60 GHz frequency band (57–64 GHz) which is targeted towards short range in-building high-speed applications

Furthermore, another effective way is to decompose a traditional single-tier

then, Femtocell has been emerged at just the right time to provide indoor coverage for voice and high speed data services The deployment of femtocells will potentially also cause some problems to operators One of the drawbacks of femtocells for operators is that multi-tier interference becomes more random and harder to control Besides, operators will be encountering difficulties to control and optimize their network due to decreasing the cell size

In this thesis, we consider a downlink two-tier network comprising of a antenna MBS and a multiple-antenna FAP, each serving multiple users with a single antenna In this scenario, we formulate the following beamforming optimization problems: i) total transmit power minimization problem, ii) MSE balancing problem, and iii) interference power minimization problem to ensure that each QoS

multiple-of the MUs and home users (HUs) can be satisfied

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép của

ai Nội dung luận văn có sự tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các bài báo, tạp chí và các trang web trong và ngoài nước theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 7 năm 2012

Trần Đức Phong

MỤC LỤC

Đề mục Trang

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

MỤC LỤC v

DANH SÁCH HÌNH VẼ viii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT xii

Chương 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động 1

1.2 Tính cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn 3

1.2.1 Triển vọng nhà khai thác dịch vụ di động 4

1.2.2 Triển vọng phía thuê bao 6

1.3 Mục đích của đề tài 7

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 7

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Khái niệm Femtocell 11

2.1.1 Femtocell là gì 11

2.1.2 Femtocell Access Point gồm những gì 11

2.2 Các loại nhiễu 11

2.2.1 Giới thiệu 11

2.2.2 Nhiễu đồng lớp 12

2.2.3 Nhiễu xuyên lớp 15

2.2.4 Vấn đề Near – Far 17

2.3 Các mô hình kênh truyền 19

2.3.1 Large Scale: suy hao trong lan truyền không gian tự do 20

2.3.2 Small Scale fading và hiệu ứng đa đường 23

2.3.3 Các thông số của Small Scale Fading 25

2.3.4 Phân loại kênh truyền Small Scale Fading 28

2.3.5 Kênh truyền chọn lọc tần số 34

2.4 Lý thuyết tối ưu hóa lồi 36

2.4.1 Giới thiệu 36

2.4.2 Các tập lồi 37

2.4.3 Các hàm convex 44

Chương 3 CÁC VẤN ĐỀ TỐI ƯU TRONG MẠNG HAI LỚP ĐA USER 51

3.1 Mô hình hệ thống 51

3.2 Thiết kế CENTRALIZED 54

3.2.1 Vấn đề tối thiểu công suất phát 54

3.2.2 Vấn đề cân bằng MSE 56

3.2.3 Vấn đề tối thiểu nhiễu mạng 58

3.3 Thiết kế SEMI-DECENTRALIZED 58

3.3.1 Vấn đề tối thiểu hóa công suất 60

3.3.2 Vấn đề cân bằng MSE 62

3.3.3 Tối thiểu công suất nhiễu 64

3.4 Thiết kế ROBUST với CSI không hoàn hảo 65

3.4.1 Thiết kế Centralized 66

3.4.2 Thiết kế Semi-Decentralized 68

Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 71

4.1 Tối thiểu hóa công suất phát 72

4.1.1 Centralized design 72

4.1.2 Semi-decentralized design 74

4.2 Vấn đề cân bằng MSE 77

4.2.1 Centralized Design 77

4.2.2 Semi-Decentralized Design 80

4.3 Tối thiểu hóa công suất nhiễu 83

4.3.1 Centralized design 83

4.3.2 Semi-decentralized design 86

4.4 Robust design 88

4.4.1 Centralized design 88

4.4.2 Semi-decentralized design 88

Chương 5 KẾT LUẬN 90

5.1 Đánh giá đề tài 90

5.2 Hướng phát triển đề tài 90

Tài liệu tham khảo 91

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 : Các vấn đề chính gây ra bởi nhiễu đồng lớp 13

Hình 2.2 : Nhiễu đồng lớp và xuyên lớp 14

Hình 2.3 : Các cách tiếp cận xử lý nhiễu đồng lớp 15

Hình 2.4 : Các vấn đề chính gây bởi nhiễu xuyên lớp 15

Hình 2.5 : Hiện tượng near-far trong điều khiển công suất 17

Hình 2.6 : SINR cho các giá trị P 2 khác nhau 18

Hình 2.7 : Mô hình phản xạ hai tia 22

Hình 2.8 : Bộ phát được đặt trên cao 23

Hình 2.9 : Hiệu ứng Doppler 24

Hình 2.10 : Đáp ứng xung của mô hình kênh truyền đa đường không dây 25

Hình 2.11 : Phân loại mô hình Small-Scale Fading dựa trên trải trễ đa đường 28

Hình 2.12 : Đặc tính kênh truyền fading phẳng 29

Hình 2.13 : Đặc tính kênh truyền fading lựa chọn tần số 29

Hình 2.14 : Phân loại Small-Scale Fading dựa trên trải Doppler 30

Hình 2.15 : Kênh truyền biến đổi chậm 31

Hình 2.16 : Đáp ứng xung kênh truyền theo tần số và thời gian 35

Hình 3.1 : Mạng hai lớp gồm một mạng macrocell đơn và femtocell đơn 51

Hình 3.2 : Mạng Femtocell MISO 52

Hình 4.1 : Tổng công suất phát cho thiết kế Centralized và Semi-decentralized trong hai trường hợp 71

Hình 4.2 : Cân bằng MSE Centralized khi QoS của các user như nhau 72

Hình 4.3 : Cân bằng MSE Centralized khi QoS của các user khác nhau 73

Hình 4.4 : Cân bằng MSE Semi - decentralized khi QoS của các user như nhau 74

Hình 4.5 : Cân bằng MSE trong thiết kế Semi - decentralized khi QoS của các user khác nhau 75 Hình 4.6 : Công suất nhiễu mạng cho thiết kế Centralized và Semi-decentralized 80 Hình 4.7 : Tổng công suất phát cho thiết kế robust centralized và robust semi-decentralized 81

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.1 : Kết quả tính toán tổng công suất phát khi QoS bằng nhau theo phương pháp Centralized 13 Bảng 4.2 : Kết quả tính toán tổng công suất phát khi QoS không bằng nhau theo phương pháp Centralized 14 Bảng 4.3 : Kết quả tính toán tổng công suất phát theo khoảng cách d khi QoS bằng nhau theo phương pháp Semi-decentralized 15 Bảng 4.4 : Kết quả tính toán tổng công suất phát theo khoảng cách d khi QoS không bằng nhau theo phương pháp Semi-decentralized 15 Bảng 4.5 : So sánh MSE trong hai trường hợp 10dB và 15 dB khi QoS bằng nhau theo phương pháp Centralized 15 Bảng 4.6 : So sánh MSE trong hai trường hợp 10dB và 15 dB khi QoS không bằng nhau theo phương pháp Cecentralized 15 Bảng 4.7 : So sánh MSE trong hai trường hợp 10dB và 15 dB khi QoS bằng nhau theo phương pháp Semi-decentralized 15 Bảng 4.8 : So sánh MSE trong hai trường hợp 10dB và 15 dB khi QoS không bằng nhau theo phương pháp Semi-decentralized 15 Bảng 4.9 : Vector beamforming của MBS và FAP khi QoS = 0.6 theo phương pháp Centralized 15 Bảng 4.10 : Tổng công suất can nhiễu khi QoS = 0.6 theo phương pháp Centralized 15 Bảng 4.11 : Vector beamforming của MBS và FAP khi QoS = 0.8 theo phương pháp Centralized 15 Bảng 4.12 : Tổng công suất can nhiễu khi QoS = 0.8 theo phương pháp Centralized 15

Bảng 4.13 : Tổng công suất can nhiễu khi theo phương pháp Semi-decentralized 15 Bảng 4.14 : Tổng công suất phát theo độ bất định kênh truyền theo phương pháp Centralized 15 Bảng 4.15 : Tổng công suất phát theo độ bất định kênh truyền theo phương pháp Semi-decentralized 15

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Trong các mạng di động tế bào, ước tính có tới 2/3 số cuộc gọi và 90% các dịch vụ

dữ liệu xuất phát từ trong nhà Chính vì vậy, một điều hết sức quan trọng mà các nhà mạng khai thác là cung cấp độ bao phủ trong nhà tốt không chỉ cho cuộc gọi voice mà còn cho các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao và video, những dịch vụ đang trở nên hết sức quan trọng trong kỷ nguyên công nghệ số hiện nay Tuy nhiên, một số cuộc khảo sát chỉ ra rằng có tới 45% hộ gia đình và 30% doanh nghiệp [1] cảm thấy không hài lòng với chất lượng dịch vụ Độ bao phủ trong nhà tốt cũng như chất lượng dịch vụ cao sẽ tạo ra nhiều lợi nhuận cho các nhà đài, nâng cao cam kết gắn bó từ khách hàng Mặt khác, độ bao phủ trong nhà kém sẽ tác động theo chiều hướng ngược lại Do đó, thách thức đối với các nhà khai thác di động chính là cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, cũng như độ bao phủ trong nhà tốt

Cách thông thường để cung cấp độ bao phủ trong nhà là sử dụng các trạm macrocells Nhưng việc khai thác này có một số hạn chế :

nhà Ví dụ, trong mạng UMTS, một user indoor yêu cầu trạm gốc (RBS) tạo

ra công suất phát cao hơn để chống lại độ mất mát khi đâm xuyên qua tường Điều đó có nghĩa là các user khác sẽ nhận được ít công suất hơn và dẫn tới giảm thông lượng Điều này có thể giải thích là do mạng UMTS hoạt động dựa trên điều khiển công suất phát, có nghĩa là công suất phát càng cao thì băng thông càng lớn

việc lắp đặt các trạm RBS, cũng như thuê địa điểm trở nên phức tạp trong tình trạng mật độ dân cư ngày càng tăng

công suất cần nhiều hơn từ trạm gốc để phục vụ các user trong nhà…

 Khi mật độ cell trở nên dày đặc hơn, việc tối ưu và thiết kế mạng trở nên là một thách thức lớn, ví dụ trong mạng GSM/GPRS/EDGE đó chính là vấn đề thiết kế tần số, còn trong mạng CDMA đó chính là vấn đề thiết kế các miền chuyển giao mềm (soft-handover), …

GHz trở lên, do đó khả năng đâm xuyên là tương đối hạn chế

Để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn, thì cần phải có các lược đồ điều chế và

mã hóa cao hơn Muốn lược đồ điều chế và mã hóa càng cao thì cần phải có điều kiện kênh truyền tốt (ví dụ LOS, ít fading, … ) Trong các mạng HSDPA, WiMAX và LTE thì điều này chỉ xảy ra trong nhà khi thiết bị cầm tay gần cửa sổ (suy hao ít)

Chính vì vậy, các giải pháp trong nhà như DAS (Distributed Antenna Systems, hệ thống antenna phân tán) và các picocells trở nên là các giải pháp đáng quan tâm và thu hút hướng nghiên cứu khi antenna được đặt tại những điểm hotspot như các trung tâm thương mại, tòa nhà văn phòng và các điểm mua sắm (shopping malls) Các giải pháp trong nhà sẽ cải thiện độ bao phủ trong tòa nhà, traffic đi ra sẽ không liên quan tới các trạm macrocells, chính vì vậy nâng cao chất lượng dịch vụ và tạo điều kiện thuận lợi cho các dịch vụ tốc độ cao do chất lượng kênh truyền vô tuyến được cải thiện rất nhiều Với những giải pháp trong nhà trong mạng UMTS, tính trực giao được cải thiện, dẫn tới thông lượng cao Trong mạng HSPA/ LTE hay WiMAX, điều kiện kênh truyền tốt hơn giúp dễ dàng hơn trong các lược đồ điều chế và mã hóa, từ đó các dịch vụ tới người dùng nâng cao hơn và đảm bảo nhu cầu của thuê bao

Mặc dù các giải pháp trong nhà được nêu trên đã cải thiện rất nhiều về giá so với sử dụng giải pháp macrocell nhằm cung cấp độ bao phủ trong nhà cho các dịch vụ voice và truyền dữ liệu tốc độ cao, tuy nhiên chúng còn quá đắt khi được triển khai trong các môi trường như SOHO (Small Office and Home Office) và home users (cho nhu cầu liên lạc cá nhân và giải trí trong nhà, …) Gần đây, sự phát triển của

femtocells cung cấp một cơ hội tốt cho các giải pháp trong nhà đối với cả doanh nghiệp lớn cũng như SOHO Không giống như picocells, femtocells được triển khai bởi người dùng thuê bao

1.2 TÍNH CẤP THIẾT VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN

Triển khai Femtocell trên diện rộng được hi vọng vào năm 2012 [2], nhưng tại sao

nó lại quan trọng tới như vậy Các lý do dưới đây sẽ giải thích

thể lắp đặt

lượng macrocell (trong trường hợp sử dụng macrocells để cung cấp độ bao phủ trong nhà, cần nhiều công suất hơn từ trạm gốc để bù lại độ mất mát khi đâm xuyên, dẫn tới giảm dung lượng macrocell)

tầng femtocell sẽ cải thiện một cách quan trọng tổng dung lượng mạng bằng cách tái sử dụng nguồn phổ

vụ dữ liệu tốc độ cao không thể được cung cấp cho những nơi trong nhà mà

ở đó tín hiệu yếu hoặc gần như không có Điều này có thể giải thích là do tốc

độ dữ liệu cao đòi hỏi chất lượng kênh truyền RF phải tốt HSDPA là một ví

dụ điển hình cho dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, nếu chúng ta khai thác femtocell dựa trên nền tảng công nghệ này thì sẽ tạo ra một chất lượng dịch vụ tuyệt vời

femtocells Độ suy hao tới indoor FAP tất nhiên sẽ nhỏ hơn rất nhiều khi so sánh với các trạm gốc outdoor macrocell Thời lượng pin là một trong những nút cổ chai (bottlenecks) khi đưa ra dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho các thiết

bị đầu cuối

(enterprise femtocells), thiết bị đầu cuối chỉ cần chuyển sang chế độ làm việc

với indoor femtocell mà không cần phải sử dụng sóng từ các trạm macrocells Nhà mạng sẽ phải tính tới công suất tiêu thụ của các trạm gốc vì

nó ảnh hưởng tới sự chi tiêu vào hoạt động mạng lưới Do đó, sử dụng các trạm femtocell sẽ “xanh hơn” so với khi sử dụng trạm outdoor macrocell Ở nước Anh, lượng điện tiêu thụ để chạy một trạm BTS là hơn 3W cho 1 thuê bao Ở một số nước đang phát triển, công suất tiêu thụ chiếm tới 2/3 chi phí hoạt động

Convergence)

lắp đặt femtocells Chính vì vậy pha đầu tiên trong việc tích hợp và khai thác các mạng dữ liệu tốc độ cao như LTE có thể bắt đầu từ trong nhà nơi nhu cầu

dữ liệu tốc độ cao cần thiết nhất Triển khai LTE sẽ khác so với các kiểu triển khai mạng GSM hay UMTS Chính mô hình chuyển dịch kiểu mẫu này

sẽ là bước đà tiến tới cho việc triển khai các mạng thông tin di động kết nối lại với nhau

Femtocell có thể mang lại rất nhiều thuận lợi cho cả nhà khai thác dịch vụ di động cũng như người sử dụng thuê bao

1.2.1 Triển vọng nhà khai thác dịch vụ di động

Khi một lượng traffic đủ lớn (lên tới 70-80%), chúng có thể được tách luồng từ các trạm macrocells, có nghĩa rằng lượng traffic đi qua các trạm macrocells sẽ giảm tải Việc hạn chế trạm macrocells sẽ dẫn tới tiết kiệm CAPEX (Capital EXpenditure) cho các nhà đài Sự giảm tải traffic từ các trạm macrocells giúp tiết kiệm một cách đáng kể dung lượng đường truyền backhaul

Sự cắt giảm các trạm macrocells sẽ làm đơn giản công việc khảo sát site và quá trình planning; có nghĩa rằng chi phí bỏ ra để lắp đặt và khai thác các trạm gốc sẽ giảm đi Quá trình triển khai mạng 3G/4G diễn ra khó khăn do vị trí thuê địa điểm lắp đặt trạm là một thách thức lớn cho các nhà mạng, đặc biệt ở những khu vực

thành thị Femtocells có thể giúp các nhà mạng tiết kiệm chi phí xây dựng, lắp đặt mạng lưới cũng như tiến trình nâng cấp dung lượng mạng với giảm thiểu độ rủi ro

và khủng hoảng tài chính Có hai lý do chính để Femtocell làm được điều này : thứ nhất, femtocells là giải pháp tiết kiệm chi phí khi tính đến độ bao phủ trong nhà, thứ hai các users sẽ chỉ mất một phần phí lắp đặt thiết bị, người dùng sẽ chi trả chi phí mua thiết bị và lắp đặt FAPs trong khi nhà mạng sẽ chịu trách nhiệm bảo trì thiết bị Femtocell sẽ cải thiện chất lượng dịch vụ, chính vì vậy nó tăng tính trung thành của người dùng Cuộc khảo sát cho thấy rằng chất lượng dịch vụ tốt là yếu tố quan trọng nhất để quyết định giữ thuê bao cam kết gắn bó với nhà đài

Femtocells sẽ giúp các nhà mạng di động cung cấp các dịch vụ đa dạng hơn nhằm tạo ra nhiều lợi nhuận hơn Chỉ dịch vụ voice là chưa đủ đem lại lợi nhuận cho các thế hệ mạng kế tiếp như 3G/ 4G, nhà mạng còn phải cung cấp cho khách hàng các dịch vụ băng rộng tốc độ cao như video call, mobile TV, game online, …

Khi so sánh với picocells và các công nghệ trong nhà khác, femtocells là giải pháp

ít tốn kém nhất để tăng độ bao phủ trong nhà và cải thiện chất lượng dịch vụ Femtocells giúp các nhà mạng đưa ra các trải nghiệm cho mọi người dùng từ môi trường indoor, outdoor, nơi làm việc, đang di chuyển hay tại nhà, và cung cấp một dịch vụ đồng nhất là hội tụ các dịch vụ từ voice, video và data tới các thiết bị di động

Ngay cả trong các khu vực có thể được phục vụ bởi macrocells, femtocells có thể vẫn mang tới nhiều tiện ích như chúng loại bỏ sự phụ thuộc vào các dịch vụ được cung cấp bởi outdoor macrocell

Femtocells mang tới các nhà mạng di động với các giải pháp khác nhau khi triển khai mạng Ví dụ, một nhà mạng mới thành lập có thể cung cấp các giải pháp indoor ở các điểm hotspot sử dụng picocells và femtocells, đưa ra giải pháp femtocells cho home users nhằm cạnh tranh với các nhà mạng lớn đã có thâm niên trong lĩnh vực thông tin di động

Cho tới nay, chúng ta chỉ bàn tới lợi ích mà femtocells mang lại cho nhà mạng Sự triển khai femtocells bằng một cách nào đó đã vô tình gây ra một số vấn đề đối với nhà mạng Một trong những hạn chế đó là nhiễu giao thoa giữa các trạm femtocells với nhau và femtocells với macrocells trở nên ngẫu nhiên và khó kiểm soát Đây chính là vấn đề mà các mạng dựa trên công nghệ CDMA, WCDMA thường gặp phải Để cải thiện dung lượng toàn cục mạng, các nhà mạng thường sử dụng cùng băng tần cho các trạm macrocell và femtocell Chính vì thế, nhiễu giao thoa từ các trạm femtocells làm giảm hoạt động của trạm macrocell, gây ra các hố bao phủ (coverage holes) Đối với các mạng dựa trên công nghệ CDMA, khả năng macrocell

bị ảnh hưởng bởi nhiễu giao thoa cao nếu không kiểm soát tốt các trạm femtocell

1.2.2 Triển vọng phía thuê bao

Với những ai cảm thấy không hài lòng với chất lượng dịch vụ mạng khi tín hiệu sóng di động trong nhà yếu, femtocells là giải pháp đem tới các thuê bao tận hưởng chất lượng sóng tốt nhất Với femtocells, ngoài tính năng voice còn có các dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao khác như: video call, multimedia, … Khi chất lượng trong nhà được cải thiện đáng kể, người dùng có thể trải nghiệm cả dịch vụ voice lẫn data Femtocells sẽ mang đến người dùng chỉ một hóa đơn tính tiền bao gồm cho điện thoại cố định, di động không dây băng rộng Người dùng hưởng lợi từ các dịch vụ này hơn so với khi sử dụng dịch vụ từ các nhà cung cấp khác Femtocells đóng vai trò là một tiêu cự mà ở đó kết nối tất cả các thiết bị điện tử trong nhà tới một máy chủ và cũng là một cổng để kết nối các thiết bị này ra ngoài Internet Femtocells sẽ tiết kiệm năng lượng của UEs Khi khoảng cách giữa UE và FAP là ngắn hơn so với từ UE tới macrocell, công suất phát trên đường uplink có thể được giảm đi rất nhiều, dẫn tới tiết kiệm năng lượng trên UE Pin cũng là một thách thức lớn trong việc đưa ra dịch vụ truyền dữ liệu tốc độ cao cho các thiết bị di động Khi công suất phát của UE được giảm, các vấn đề liên quan tới sức khỏe khi sử dụng thiết bị di động cũng giảm đi Cần nhấn mạnh rằng nếu có những lo ngại gì về sức khỏe xuất phát từ việc sử dụng thông tin di động, đều bắt đầu từ nguyên nhân chính

là công suất phát trên đường uplink (từ UE tới trạm gốc), bởi vì UE rất gần với người dùng (mà cụ thể ở đây là đầu)

1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Phân tích, mô phỏng các giải thuật để tìm ra các chỉ số beamforming của các antenna phân tập phát ứng với các vấn đề tối ưu đưa ra trong trường hợp đa người dùng khi CSI là biết trước (Centralized & Semi-decentralized ) và không biết trước (Robust design)

1.4 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI

Các nghiên cứu trước đây về mạng phân chia theo lớp đều chủ yếu giả sử rằng một nhà khai thác dịch vụ di động triển khai mạng macrocell với các mạng đơn/ đa microcell [3]-[4] Một trạm microcell có độ bao phủ vô tuyến (100-500m) lớn hơn nhiều so với femtocell và thường nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng triển khai Centralized Điều này cho phép nhà khai thác dịch vụ di động hoặc là cân bằng tải cho users hoặc cho phép một nhóm các users trải nghiệm dịch vụ tốc độ cao riêng [5]-[6] Hơn nữa, femtocells được cài đặt bởi người tiêu dùng và yêu cầu về lưu lượng tại femtocells là do người dùng đặt ra, không phụ thuộc vào nhà mạng

Trong bài báo [10], Huang đưa ra mô hình truyền theo lớp với việc tái sử dụng lại nguồn phổ Bài báo phân tích khả năng của đường truyền khi các user tại biên của cell được hỗ trợ bởi một node relay

Các giải thuật điều khiển công suất đường lên (uplink) sử dụng phương pháp centralized và distributed [11] được nghiên cứu cho các mạng macrocell một antenna với mạng femtocell một antenna Sử dụng cách tiếp cận bằng lý thuyết thông tin [12] và các bộ triệt nhiễu trong hệ thống đơn cell và đa cell tương ứng với MBS và FAP để phân chia các vùng có tốc độ có thể đạt được (uplink) Phương pháp tránh nhiễu và phân tích khả năng đường lên được giới thiệu cho mạng CDMA hai lớp[13] và phân tích độ bao phủ đường xuống được mở rộng trong trường hợp nhiều antenna với bộ tiền mã hóa zero-forcing[14] Các phương pháp beamforming đơn giản cho FAPs [15] được đề nghị để giảm nhiễu xuyên tầng cho

MU nhưng không đảm bảo QoS Một phương pháp khác nữa là sử dụng hệ thống OFDM [16] để quản lý nhiễu xuyên tầng giữa femtocell và macrocell Lựa chọn sóng mang đường xuống và điều khiển công suất phát [17] được đề nghị như những

kỹ thuật chính để quản lý nhiễu xuyên tầng cho hệ thống 3G Thay vì những đóng góp kể trên, tối ưu mạng hai lớp về quản lý nhiễu và tính phức tạp của hệ thống trong mạng femtocell không được nghiên cứu sâu, đặc biệt về tính bất định của thông tin trạng thái kênh truyền CSI Các đường backhaul giữa các trạm gốc femtocell và macrocell thường bị hạn chế về băng thông do chúng thường tác động lên đường kết nối Internet băng rộng của người dùng

MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) là kỹ thuật sử dụng nhiều antenna phát và nhiều antenna thu Hệ thống MIMO được xem như chìa khóa quan trọng để cải tiến hiệu năng của kênh truyền không dây Việc sử dụng nhiều antenna tại máy phát và máy thu nhằm hướng tới hệ thống thông tin tin cậy với tốc độ cao Kỹ thuật giải mã

và giải điều chế lặp đã được đề xuất cho nhiều lĩnh vực trong truyền thông tin bao gồm xử lý đa người dùng, xử lý space-time và xử lý của bit interleaved coded modulation (BICM) [18] Kỹ thuật này cũng cải thiện hiệu năng trên kênh truyền AWGN (Additive White Gausian Noise)

Ta biết rằng nhiều antennas có thể được sử dụng để khai thác độ lợi ghép kênh, độ lợi phân tập, hay độ lợi antenna, làm tăng tốc độ dữ liệu, chất lượng lỗi, hay SINR của hệ thông không dây [19] -[23] Cụ thể, trong mô hình hạn chế nhiễu nhiều user,

có nhiều công trình nghiên cứu chỉ ra cách sử dụng các kỹ thuật beamforming để triệt nhiễu cũng như thỏa mãn QoS của hệ thống [24]-[30] Các vấn đề cân bằng SINR và tối thiểu công suất phát [24]-[25] được nghiên cứu dựa vào kết hợp tối ưu beamformer đường xuống và công suất phát Các vấn đề về tối thiểu MSE (Mean-Square Error) và cân bằng MMSE (Minimum Mean-Square Error) được đề nghị [26] Trong hệ thống CDMA nếu ta ước lượng CSI không tốt sẽ ảnh hưởng tới ước lượng beamforming MIMO Một cách tiếp cận khác cho thiết kế phát các vector beamforming dựa trên SLNR [28]-[30] được đề nghị cho các kênh truyền MIMO nhiều người dùng (cho đường xuống) Do đó, hướng tiếp cận trong tương lai là ứng

dụng tối ưu MIMO trong các mạng femtocell khi CSI không lý tưởng và các mạng

đa lớp ảnh hưởng lẫn nhau

Trong khuôn khổ của luận văn này, ta giả sử mạng hai lớp downlink gồm một MBS

đa antenna và một FAP đa antenna, mỗi trạm phục vụ nhiều users với đơn antenna Trong mô hình này, ta thiết lập các công thức để giải quyết các bài toán tối ưu beamforming trong môi trường nhiễu Gauss: i) vấn đề tối thiểu hóa tổng công suất phát, ii) vấn đề cân bằng MSE, iii) vấn đề tối thiểu hóa công suất can nhiễu Cách giải quyết từng vấn đề hướng tới mục tiêu đảm bảo QoS cho mỗi user (gồm MUs và HUs)

Nội dung của luận văn có cấu trúc như sau:

Chương 1: Giới thiệu

Chương này giới thiệu về vấn đề độ bao phủ, tài nguyên băng thông phổ, tiêu thụ năng lượng cũng như nhiễu trường điện từ của hệ thống thông tin di động hiện nay, đưa ra giải pháp trong tương lai gần sử dụng công nghệ femtocell và các vấn đề về nhiễu, can nhiễu khi sử dụng công nghệ này

Cũng trong chương này, giới thiệu sơ lược về tình hình nghiên cứu hiện nay về các giải pháp triệt nhiễu cũng như nâng cao hiệu suất truyền thông tin như : sử dụng kỹ thuật MIMO, OFDM, mạng hai lớp downlink Đưa ra các đánh giá tổng quan cho từng phương pháp thực hiện

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Giới thiệu sơ lược hệ thống Femtocell: khái niệm và phân loại, và các loại nhiễu khi triển khai thực tế mạng Femtocell, đồng thời đưa ra cơ sở lý thuyết về các mô hình kênh truyền bao gồm Large Scale, Small Scale Convex optimization đang là một công cụ rất mạnh để giải quyết các bài toán tối ưu trong kỹ thuật, chính vì vậy chương 2 sẽ sử dụng tài liệu [32] để giới thiệu các khái niệm cơ bản về convex optimization

Chương 3: Các vấn đề tối ưu trong mạng hai lớp đa user

Giới thiệu mô hình hệ thống nghiên cứu, chức năng, cách thức thực hiện cũng như thông số của các khối trong mô hình Chương này sử dụng bài báo [30]-[32] làm tài liệu tham khảo

 Centralized & Semi-decentralized: dưới điều kiện CSI hoàn hảo ta giải quyết các vấn đề tối ưu về tổng công suất phát, cân bằng MSE, công suất nhiễu khi đường backhaul có sẵn Tuy nhiên trong thực tế, đường backhaul thường là đường ADSL hoặc mạng điện thoại cố định, cho nên băng thông thường bị hạn chế, do đó ta thiết kế phương pháp Semi-decentralized để MBS và FAP giải quyết từng vấn đề tối

ưu riêng với việc hạn chế trao đổi thông tin giữa các bộ phát này

 Robust design với CSI không hoàn hảo: do bản chất môi trường truyền không dây là nhiễu và trễ cho nên CSI không phải lúc nào cũng

dự đoán được Do đó sử dụng giải thuật robust worst-case để khắc phục độ bất định của CSI

Chương 4: Thực hiện mô phỏng

Đưa ra các kết quả mô phỏng, so sánh giữa các phương pháp thực hiện,

Chương 5: Đánh giá và hướng phát triển

Đánh giá đề tài, ưu, nhược điểm và đề xuất hướng phát triển

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 KHÁI NIỆM FEMTOCELL

2.1.2 Femtocell Access Point gồm những gì

Thiết bị femtocell về chức năng không khác gì một trạm gốc truyền thống (node-B trong UMTS) Femtocell unit về hình dáng giống như một WiFi access point Tuy nhiên nó lại bao gồm cả chức năng của một RNC (Radio Network Controller trong mạng UMTS) hoặc BSC (Base Station Controller trong mạng GSM) và các thành phần của mạng lõi Chính vì vậy, nó không đòi hỏi mạng lõi tế bào, mà chỉ cần kết nối dữ liệu tới mạng Internet bên ngoài thông qua cable hoặc DSL, sau đó đi vào mạng lõi của nhà đài Ta sử dụng từ viết tắt FAP (Femtocell Access Point) thay cho femtocell unit bao gồm cả chức năng của trạm gốc và mạng lõi Một FAP giống như trạm phát sóng WiFi trong nhà (WAP – WiFi Access Point), tuy nhiên cấu trúc bên trong thì khác căn bản WAP sử dụng công nghệ WiFi theo chuẩn IEEE 802.11b, 802.11g, và 802.11n Femtocell sử dụng công nghệ thông tin di động tế bào như GSM/GPRS/EDGE, UMTS/HSPA/LTE và mobile WiMAX (IEEE 802.16e)

2.2 CÁC LOẠI NHIỄU

2.2.1 Giới thiệu

Việc triển khai femtocells đưa ra một số thay đổi về cấu trúc tổng quan của các mô hình mạng macrocellular Kiến trúc mạng mới bao gồm hai lớp riêng rẽ, lớp macrocell và lớp femtocell Chính kiến trúc mạng này được gọi là mạng two-layer hay two-tier network Lớp đầu tiên bao hàm mạng tế bào truyền thống, trong khi lớp thứ hai kết hợp một số cells tầm ngắn mà có thể được bố trí (microcells) hoặc phân

phối theo một cách ngẫu nhiên (femtocells) Trong trường hợp trạm gốc trong nhà, chúng được đặt ở vị trí ngẫu nhiên trong cùng một khu vực địa lý được bao phủ bởi mạng tế bào lớn hơn (hay còn gọi là umbrella macrocell) và chúng có thể khai thác cùng một phổ tần số giống như macrocell Do đó, một trong những thuận lợi của khai thác những cells nhỏ hơn trong cấu trúc mạng như thế này là tăng độ bao phủ ở những khu vực chưa được bao phủ hết bởi macrocell Hơn nữa, do những femtocells được sử dụng bởi một số ít thuê bao, tốc độ dữ liệu cũng được nâng cao hơn

Tuy nhiên, cấu trúc của các mạng hai lớp mang đến nhiều vấn đề và tạo ra nhiều thách thức mới về thiết kế Khi nhiều bộ phát phát ra tín hiệu trong cùng một dải tần

và trong cùng một khu vực địa lý, hệ thống thu nhận thấy rằng băng tần không thể phân biệt được bộ phát nào mà nó đang lắng nghe Đây là vấn đề sơ đẳng của nhiễu trong hệ thống viễn thông và nó là một trong những thách thức lớn khi triển khai femtocell phải đối mặt với Các hệ thống chống nhiễu như là CDMA sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi sự xuất hiện của femtocell và cần các kỹ thuật tránh nhiễu như time-hopping và điều khiển công suất Hơn nữa, hệ thống hạn chế về dung lượng như OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiphle Access) sẽ cần sử dụng các chiến thuật phân chia tần số để giảm thiểu sự có mặt của nhiễu trên các sóng mang phụ gây ra bởi lớp femtocell

Femtocells sẽ cung cấp hiệu suất phổ cao hơn, tái sử dụng tần số và độ bao phủ tốt hơn trong các khu vực không thể bao phủ bởi macrocells, ví dụ phòng trong nhà và những vị trí nằm gần biên của cell Tuy nhiên, nếu các kỹ thuật triệt nhiễu hoặc tránh nhiễu không được áp dụng, các vùng chết xuất hiện và gây gián đoạn dịch vụ

2.2.2 Nhiễu đồng lớp

Nhiễu hay can nhiễu đồng lớp được miêu tả như là tín hiệu không mong muốn thu tại một femtocell mà phát ra từ các femtocells khác, do đó giảm chất lượng thông tin Tên “co-layer” xuất phát từ thực tế rằng tất cả các femtocells thuộc về cùng một lớp femtocell, trong khi các thành phần khác như BTS, NodeB thuộc về lớp

macrocell Nhiễu đồng lớp xảy ra giữa các cell xung quanh do độ tách biệt giữa các căn hộ sử dụng femtocell không tốt

Để minh họa điều này, ta giả sử rằng femtocell GSM fa nằm tại vị trí bất kỳ La, ta nói rằng La thuộc về khu vực bao phủ của fa Nếu có thêm các tín hiệu từ các femtocells xung quanh sử dụng cùng tần số, vị trí La được gọi là bị ảnh hưởng bởi

nhiễu đồng kênh Hơn nữa, khi tín hiệu từ nhiều femtocells có mặt tại một vị trí đã định, toàn bộ nhiễu có thể lớn hơn bất cứ mức độ công suất phát nào của femtocell Nếu giá trị CINR (Carrier to Interference and Noise Ratio) là thấp, ta không thể thiết lập truyền tin tới bất cứ femtocell nào khác và coi như vùng mà femtocell này quản lý được coi là vùng chết Vùng chết thường hay bị nhầm lẫn với hố bao phủ (Coverage holes), hố bao phủ xảy ra khi pilot CINR thấp do path loss, chính vì vậy

UE (User Equipment) không nhận được sóng

Do femtocells có thể được khai thác trong chế độ nhóm thuê bao đóng CSG (Closed Subscriber Group), open-access hoặc hybrid access, ảnh hưởng của nhiễu đồng lớp

sẽ khác nhau phụ thuộc vào phương pháp truy cập

Trong femtocell, có hai loại nguồn có khả năng tạo ra nhiễu đồng lớp tới các femtocells khác : FAP (downlink) và UE (uplink) Nếu tất cả các femtocells trong

cùng một khu vực được đồng bộ với nhau (ví dụ chu kỳ downlink bắt đầu giống nhau), truyền thông tin từ một FAP sẽ gây nhiễu cho UEs của các femtocell xung quanh chỉ theo đường downlink Cũng tương tự trong chu kỳ uplink, nếu chu kỳ của các femtocells cạnh nhau được đồng bộ, users của các femtocell này sẽ trở thành nguồn gây nhiễu, do đó thông tin truyền từ user femtocell này sẽ bị coi như là nhiễu trên đường uplink của FAPs bên cạnh

Trong trường hợp các femtocell không đồng bộ với nhau, nguồn gây nhiễu trong hệ thống TDD không xác định được Chu kỳ uplink và downlink của các femtocells sẽ trùng lắp và tạo ra các nguồn hỗn tạp nhiễu (FAPs và UEs) Khi đó, các femtocells xung quanh sẽ sử dụng các timeslot của nhau và khó kiểm soát nhiễu hơn Định thời chính xác là một đặc tính quan trọng của FAPs dựa trên công nghệ TDD Tuy nhiên, làm sao để đồng bộ FAPs một cách chính xác không phải là công việc dễ dàng

Hình 2.2 : Nhiễu đồng lớp và xuyên lớp

Do tất cả MBS (Macrocell Base Station) thuộc về cùng một lớp mạng (lớp macrocell), nhiễu giữa các macrocell cũng là nguyên nhân của nhiễu đồng lớp Tuy nhiên triển khai macrocells là kế hoạch của nhà mạng Do đó vấn đề nhiễu đồng lớp macrocell là độc lập với vấn đề của femtocell

Hình 2.3 : Các cách tiếp cận xử lý nhiễu đồng lớp

2.2.3 Nhiễu xuyên lớp

Trong các mạng hai lớp, tín hiệu gây nhiễu được cho là tạo ra nhiễu xuyên lớp nếu nguồn gây nhiễu và nạn nhân thuộc về hai lớp mạng khác nhau, ví dụ méo gây ra bởi FAP (thuộc về lớp femtocell) phát ra tín hiệu nhiễu trên đường downlink của một hoặc nhiều macrocells (thuộc về lớp macrocell) Tương tự nhiễu xuyên lớp xảy

ra nếu méo gây ra bởi các user macrocell (thuộc về lớp macrocell) gây ra trên đường uplink của các FAPs (thuộc về lớp femtocell) Nhiễu xuyên lớp là vấn đề đặc biệt trong mạng CDMA sử dụng mạng hai lớp do cả femtocell và macrocell cùng sử dụng cùng một dải tần Bên cạnh đó, do điều khiển công suất, công suất phát càng cao sẽ gây ra càng nhiều vùng chết và giảm tính khả thi của mạng

Hình 2.4 : Các vấn đề chính gây bởi nhiễu xuyên lớp

Chia phổ là một giải pháp để tránh nhiễu xuyên lớp Tuy nhiên, chi phí và sự khan hiếm của phổ trường điện từ dẫn tới việc tái sử dụng tần số trở nên kém hiệu quả Chia phổ xảy ra như sau : nhà mạng nắm giữ giấy phép cho dải băng tần độ rộng B

lớp femtocell Nói chung, khi mật độ femtocell cao tại khu vực macrocell, chia phổ

là giải pháp tối ưu để hạn chế mức độ nhiễu xuyên lớp Tuy nhiên, khi cả hai dải băng tần nằm cạnh nhau, một vấn đề xuất hiện nữa là nhiễu kề băng (adjacent band interference), thông số ACIR (Adjacent Channel Interference Rejection ratio) cần được giảm tới mức tối đa khi thiết kế công suất phát ACIR được định nghĩa là tỷ số của tổng công suất phát từ nguồn gây nhiễu chia cho tổng công suất nhiễu mà gây ra cho nạn nhân

ra nhiễu như nhiễu giữa các sóng mang do lệch tần Điều này dẫn tới tính trực giao không còn nữa, và nguy cơ làm giảm độ ổn định của hệ thống

Cuối cùng, cũng như trong trường hợp nhiễu xuyên lớp, đồng bộ thời gian là vấn đề

cơ bản để đảm bảo rằng femtocells và macrocells không sử dụng chu kỳ phát của nhau Một trong những mục đích chính của đồng bộ là để khắc phục nhiễu

2.2.4 Vấn đề Near – Far

Giải thuật điều khiển công suất là một phần thiết yếu trong các mạng tế bào SINR (Signal to Interference pluc Noise Ration) là tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng can nhiễu được định nghĩa tại node-B trên đường uplink Nếu SINR tại macrocell không đạt yêu cầu, kết nối sẽ bị hủy bỏ Để đạt tới ngưỡng này, có nhiều thủ tục trong suốt quá trình node-B hỏi UE để tăng công suất phát, đó là giải thuật điều khiển công suất Tuy nhiên, nếu tăng công suất không được điều chỉnh theo cách thức Centralized, mobile nào gần node-B tăng công suất quá nhiều sẽ làm che khuất tín hiệu của nhiều mobile khác Hiện tượng này gọi là hiệu ứng near-far (gần-xa) Để giải quyết vấn đề này, node-B cố gắng kiểm soát tất cả công suất của UE bằng việc tránh những sự dao động vượt quá công suất thu giữa tất cả các mobiles, các trạm phát gần sẽ phát ra ít công suất hơn so với trạm phát xa

Hình 2.5 : Hiện tượng near-far trong điều khiển công suất

tín hiệu chịu suy hao L 1 dB Tương tự, UE nằm xa Node-B phát công suất P 2 và

chịu suy hao L 2 dB Do bộ phát thứ hai nằm xa MBS hơn, giả sử rằng L 2 > L 1 Các

công suất thu P r1 và P r2 từ mỗi bộ phát tại Node-B trong đường Uplink là :

P r1 = P 1 – L 1 (2.2.1)

P r2 = P 2 – L 2 (2.2.2) Giả sử mức nhiễu n, nhiễu I tại phía thu trên mỗi link là như sau

I2 = 10 × log10(p r1 + n) (2.3.2) Khi đó, SINR tại mỗi link được tính như sau

SINR1 = P r1 – I1 = P1 – I1 – 10 × log10(p r2 + n) (2.4.1)

SINR2 = P r2 – I2 = P2 – I2 – 10 × log10(p r1 + n) (2.4.2) Trong trường hợp không dùng giải thuật điều khiển công suất, giả sử cả hai UEs

bằng nhau) Do L 2 > L 1, nên dễ dàng thấy (SINR2 < SINR1) Tuy nhiên nếu sử dụng giải thuật điều khiển công suất, UE gần nhất được yêu cầu giảm công suất khi đó

Điều khiển công suất có thể được xem như là bù độ mất mát do hiệu ứng fading Trong trường hợp fast fading do hiệu ứng Doppler, điều khiển công suất phải diễn

ra rất nhanh để đáp ứng tính di động của người dùng Ví dụ, trong mạng UMTS, các UEs phải thay đổi công suất phát theo tần suất 2 lần trong một giây Thiết bị đầu cuối phải có khả năng đáp ứng các yêu cầu của node-B nhanh và có độ rộng công suất phát lớn Điều này thường gây ra tăng chi phí cho những thiết bị này

Để tránh hiện tượng Near-Far, femtocell cũng cần phải điều khiển công suất Tuy nhiên, để tránh gây nhiễu uplink với macrocell, các user khi truy cập vào femtocells phải được kiểm soát một cách cẩn thận Đó là bởi vì giả sử như femtocells được đồng bộ với trạm gốc, các UEs femtocell được yêu cầu tăng công suất sẽ trở thành những nguồn gây nhiễu trên đường Uplink của các node-B xung quanh (nhiễu tại MBS) Do ngưỡng nhạy cảm của bộ thu femtocells thấp hơn so với macrocells, yêu cầu tăng công suất từ femtocell không được vượt quá yêu cầu tăng công suất từ macrocell

Như đã trình bày, giải pháp chính cho vấn đề nhiễu gây ra bởi điều khiển công suất

là hạn chế công suất phát tối đa mà UEs của femtocell và macrocell phát ra Do đó, bất kỳ nhà mạng nào quan tâm tới khai thác lớp femtocell phải cân bằng rất cẩn thận công suất tối đa mà FAPs và MBS yêu cầu user thực hiện

2.3 CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN

Trong hệ thống thông tin di động, kênh truyền vô tuyến là một yếu tố luôn được xét đến Bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian cũng như không gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng to lớn đến hoạt động của hệ thống Để có có thể hạn chế ảnh hưởng kênh truyền và thiết kế thành công một hệ thống thông tin với các thông số tối ưu, ta phải nắm bắt được các đặc tính của kênh truyền vô tuyến cũng như mô hình hóa kênh truyền hợp lý Trong chương này chúng ta sẽ có cái nhìn tổng quan về đặc tính kênh truyền đồng thời phân loại kênh truyền vô tuyến theo đặc tính của chúng Người ta xem xét các ảnh hưởng lên tín hiệu dựa trên mô hình large scale fading và small scale fading

2.3.1 Large Scale: suy hao trong lan truyền không gian tự do

2.3.1.1 Suy hao đường truyền

Tại antenna phát, các sóng vô tuyến được truyền đi theo mọi hướng (sóng mở rộng

theo hình cầu) Công thức điện trường của một sóng phẳng đơn sắc

Mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu Hay nói cách khác là

cường độ sóng giảm tỉ lệ bình phương khoảng cách Công thức mật độ thông lượng

2 2

W

T T d

P G P

Ví dụ ta xét mô hình phản xạ 2 tia Bao gồm một tin truyền trực tiếp từ phía phát đến phía thu và một đường phản xạ mạnh (thường là phản xạ từ mặt đất ) Trường điện từ cho tín trực tiếp ký hiệu là Ed và trường điện từ chỉ tín hiệu phản xạ ký hiệu

khác nhau này Khoảng cách sóng truyền theo đường trực tiếp và đường phản xạ lần lượt là d1 và d2 Giả sử phản xạ hoàn toàn từ mặt đất do đó tín hiệu phản xạ có hệ số phản xạ bằng -1 và ngược pha sóng tới Trường điện từ tổng cộng là

Hình 2.7 : Mô hình phản xạ hai tia Định nghĩa :  = d1 – d2

Nhận xét : trong trường hợp truyền thẳng , công suất bức xạ giảm 6 dB khi tăng gấp

đôi khoảng cách, còn nếu có đa đường thẳng đứng thì công suất ở máy thu lúc này

giảm 12 dB khi tăng gấp đôi khoảng cách truyền

2.3.1.3 Suy hao do sự che khuất

Khi truyền vô tuyến, tín hiệu bị che khuất bởi các vật cản như đồi núi, các tòa nhà cao tầng … giữa nơi phát và nơi thu (đặc biệt hay gặp sự che khuất khi truyền tin trong vùng đô thị) Tùy vào tần số sử dụng mà tín hiệu vô tuyến nhiễu xạ (diffraction) từ vật che khuất sẽ tạo ra các ảnh hưởng của tín hiệu Tần số càng thấp thì tính nhiễu xạ càng lớn Với các tín hiệu tần số cao như UHF hay sóng vi ba thì yêu cầu đường truyền trực tiếp để bảo đảm cường độ tín hiệu Khắc phục vấn đề này, bộ phát đặt trên cao để loại bỏ tầm che khuất của các vật cản

Hình 2.8 : Bộ phát được đặt trên cao

2.3.2 Small Scale fading và hiệu ứng đa đường

Small scale fading là sự thay đổi về biên độ và pha của tín hiệu khi có sự thay đổi nhỏ về khoảng cách bộ phát và bộ thu

2.3.2.1 Hiệu ứng Doppler

Khi truyền sóng, sự di chuyển của bộ phát hay bộ thu dẫn đến dịch tần số Doppler Ngoài ra các vật di chuyển trong môi trường vô tuyến cũng tạo ra hiệu ứng Doppler

Hình 2.9 : Hiệu ứng Doppler

Xét trường hợp bộ thu di chuyển với vận tốc v Khi đó chênh lệch về đường truyền

sóng từ nguồn S đến vật X và Y là

Δl = dcosθ = νΔtcosθ (2.16)

Với t là khoảng thời gian xe đi từ điểm X đến điểm Y

Khi đó sự thay đổi về pha giữa 2 điểm X và Y là

Dịch Doppler cực đại f m : f m = vf c /c khi |cos | = 1, ở đây f c là tần số sóng mang

Khi một sóng sin được truyền đi, thay vì bị dịch một khoảng tần số duy nhất tại bộ thu phổ của tín hiệu sẽ trải rộng từ f c -f m đến f c +f m được gọi là phổ Doppler Sử dụng

mô hình hai chiều và giả sử góc đến của mỗi tín hiệu được chọn từ một phân bố đồng nhất từ 0 dến 2, phổ tại bộ thu xác định như sau :

trải Doppler sẽ có tác động lên tín hiệu nhận Nếu băng thông tín hiệu lớn hơn nhiều

băng thông Doppler BD = 2f m thì tín hiệu ít chịu ảnh hưởng của dịch Doppler

2.3.3 Các thông số của Small Scale Fading

2.3.3.1 Thông số tán xạ thời gian

Để so sánh tính chất của các kênh truyền dẫn đa đường, người ta sử dụng các thông

số như độ trễ trung bình vượt mức (mean excess delay), trải trễ hiệu dụng (rms

delay spread) Các thông số này có thể được tính từ đặc tính công suất truyền tới bộ

thu của các thành phần đa đường ( power delay profile)

Hình 2.10 : Đáp ứng xung của mô hình kênh truyền đa đường không dây

Giả sử kênh truyền tĩnh , đáp ứng xung kênh truyền có thể biểu diễn như sau :

n là trễ thời gian đường đi thứ n

Độ trễ trung bình vượt mức

2 1 2 1

N

n n n

N n n

a a

môi trường thành phố, 200 đến 2100 ns trong môi trường ngoại ô và 10 đến 140 ns

nếu ở trong nhà

2.3.3.2 Băng thông kết hợp (Coherence Bandwidth)

kênh truyền có thể được xem là “phẳng” (nghĩa là kênh truyền cho qua tất cả các

thành phần tần số nằm trong khoảng tần số đó với độ lợi gần như nhau và pha gần

như tuyến tính Băng thông kết hợp là dải tần số mà trong đó các kênh vẫn giữ biên

độ có giá trị hằng số)

khoảng này trên mức 90% được xấp xỉ là :

thông kết hợp Trên thực tế, để có những ước lượng tốt hơn người ta dựa vào các

phép biến đổi Fourier của đặc tính của trễ công suất (power delay profile)