Nghiên cứu hiệu năng của các cơ chế cấp kênh đường xuống cho mạng di động tế bào - femtocell nhận thức

Bài viết Nghiên cứu hiệu năng của các cơ chế cấp kênh đường xuống cho mạng di động tế bào - femtocell nhận thức nghiên cứu các cơ chế cấp kênh đường xuống của mạng femtocell nhận thức cho mạng di động sau thế hệ thứ tư, và thực hiện mô phỏng với mục đích so sánh và chọn ra cơ chế hoạt động hiệu quả nhất.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG CỦACÁC CƠ CHẾ CẤP KÊNH ĐƯỜNG XUỐNG CHO MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO - FEMTOCELL NHẬN THỨC A PERFORMANCE STUDY OF DOWNLINK ALLOCATION SCHEMES FOR COGNITIVE CELLULAR-FEMTOCELL MOBILE NETWORKS Nguyễn Hoàng Văn VNPT Thừa Thiên Huế Email: ehoangvan@gmail.com Nguyễn Văn Toàn, Nguyễn Đức Kiên, Nguyễn Nam Hồng Trường Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Email: nguyenvantoan263@gmail.com TÓM TẮT Trong mạng thơng tin di động, có khoảng 2/3 gọi 90% dịch vụ liệu thực nhà [1] Tuy nhiên, mật độ phủ sóng thị lớn vùng trũng trạm phát sóng yếu, làm để tăng mật độ chất lượng vùng phủ thách thức nhà cung cấp dịch vụ Các nghiên cứu phát triển triển khai femtocell gần hội cho nhà cung cấp dịch vụcải thiện vùng phủ sóng nhà với chi phí thấp Ngồi ra, cơng nghệ vơ tuyến nhận thức thông tin di động nghiên cứu ứng dụng Sự kết hợp femtocell vô tuyến nhận thức xem giải pháp giải vùng phủ tốc độ truyền liệu đến người dùng Trong báo nghiên cứu chế cấp kênh đường xuống mạng femtocell nhận thức cho mạng di động sau hệ thứ tư, thực mơ với mục đích so sánh chọn chế hoạt động hiệu Từ khố: Mạng tế bào - femtocell, vơ tuyến nhận thức, mạng di động sau hệ thứ tư, cấp kênh ABSTRACT In mobile communications networks, two thirds of the total calls and 90% of the data services are carried out indoors [1] However, with high coverage density in cities and low signal levels at cell edges and increase of signal quality of indoor coverage and cell edge exist the major challenge of all the mobile network operators The research and deployment of femtocell networks have recently brought a great opportunity for mobile network operators to improve the signal quality of indoor coverage at low cost Cognitive radio for mobile communications also has been proposed for future mobile communication The integration of femtocell and cognitive radio is considered to be an efficient solution for improving better coverage and higher data transmission In the paper, we investigate the downlink channel allocation scheme of cognitive cellular-femtocell mobile networks proposed for beyond fourth generation (4G) mobile communications The performance evaluation of the channel allocation schemes is carried out by computer simulation in order to identify the most efficient downlink channel allocation scheme Key words: Cognitive femtocell networks; cognitive radio; beyond 4G mobile networks; channel allocation; 5G Giới thiệu Femtocells điểm truy nhập mạng di động thiết bị di động tiêu chuẩn Femtocells kết nối đến mạng nhà cung cấp dịch vụ di động thông qua công nghệ đường dây thuê bao số DSL, kết nối cáp băng rộng, cáp quang trạm không dây cuối cùng.Điểm truy nhập femtocell (Femtocell Access Point - FAP) có nhiềuđiểm tương đồng vớiđiểm truy nhập WiFi (Wifi Access Point) WAP sử dụng công nghệ truy nhập không dây IEEE 802.11b, IEEE802.11g IEEE802.11n, FAP sử dụng công nghệ tế bào GSM, GPRS, EDGE, UMTS, HSPA, LTE mobile WiMAX (IEEE 802.16e) Trong báo này, đề xuất chế cấp kênh đường xuống mạng tế bào Femtocell kết hợp với công nghệ vô tuyến nhận thức (CR - Cognitive Radio) Công nghệ vô tuyến nhận thức trang bị với chếphân tích phổ nâng cao khả truy nhập phân tích phổ vơ tuyến phát băng tần mà không chiếm băng tần người dùng (MU - Macrocell Users), nguồn tài nguyên phổ tạo Như vậy, người dùng thứ cấp (FU- Femtocell Users) sử dụng 67 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 lại tài nguyên trống macrocell Bằng cách khai thác lợi hai công nghệ này, mạng di động tế bào - femtocell nhận thức mang đến hội chất lượng dịch vụ cao hơn, đặc biệt cho hoạt động nhà Hơn nữa, việc cung cấp đủ chất lượng dịch vụ cho người sử dụng nhà trở nên khả thi Nhà cung cấp mạng người sử dụng điện thoại di động vùng phủ sóng macrocell hưởng lợi từ công nghệ Bài báo bao gồm phần sau Mơ hình hệ thống trình bày phần Nguyên lý hoạt động chếcấp kênh trình bày phần Mơ hình mơ kết đánh giá so sánh hiệu so sánh phần Các kết luận trình bày phần cuối Mơ hình hệ thống Trong kiến trúc femtocell tại, FAP hoạt động tần số lựa chọn ngẫu nhiên Hình trình bày mơ hình mạng tế bào femtocell nhận thức mà nghiên cứu cho hệ thống thông tin di động sau 4G với việc triển khai điểm truy nhập femtocell nhận thức (CFAP) Một CFAP hoạt động với vùng truy nhập đóng (closed access) với nhóm người dùng truy nhập đến CFAP Trong trường hợp CFAP hoạt động giống điểm truy nhập riêng giống thiết bị Wifi Một số CFAP hình thành khu vực truy nhập femtocell mở với yêu cầu truy nhập chấp nhận người dùng xác thực,trường hợp áp dụng khu vực công cộng trung tâm mua sắm, sân bay, nhà ga xe lửa Các CFAP trang bị với chức nhận thức cảm biến phổ cảm biến chất lượng kênh, CFAP lựa chọn tần số hoạt động phù hợp để đáp ứng QoS cho người truy nhập Thực tế gọithời gian thực có yêu cầu nghiêm ngặt QoS [2] nên mạng tế bào femtocell nhận thức cần quan tâm đápứng u cầu [2] Trong mơ hình mạngtrình bày hình 1, giả thiết trạm gốccơ sở (MBS) 68 tương tác với CFAP nằm vùng phủ sóng MBS để trao đổi thông tin phổ tần số sử dụng MBS Giả thiết hệ thống quản lý femto (FMS-Femto Management System) hệ thống quản lý mạng truy nhập vô tuyến di động (MRMS-Mobile RAN Management System) trao đổi thông tin định kỳ Sự tương tác hai khối chức hỗ trợ cho quản lý di động quản lý tài nguyên vô tuyến Khi xem xét trường hợp người dùng di chuyển vùng femto vùng femto đến vùng MBS, người dùng cần cập nhật vị trí chuyển giao gọiđang thực FMS MRMS hỗ trợ thủ tục chuyển giao định chuyển giao, lựa chọn trạm gốc cấp tài nguyên FMS MRMS cần phối hợp việc quản lý tài nguyên vô tuyến Khi CFAP nhận yêu cầu gọi từ FU chuyển giao gọi CFAP cấp tài ngun vơ tuyến(kênh) đến người dùng Các MU xem người sử dụng QoS MU phải đảm bảo [3], CFAP phải chọn kênh gây tác động tối thiểu cho MUs vùng phủ MBS [4] Hình Mạng Tế bào – Femtocell nhận thức cho hệ thống sau 4G Trong mạng di động tế bào femtocell nhận thức này, người dùng trạm macrocell (MU) coi người dùng nên chất lượng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 dịch vụ (QoS) gọi họ phải đảm bảo Khi người dùng femtocell (FU) kết nối với CFAP yêu cầu gọi, lúc CFAP phải lựa chọn kênh cho FU cho đảm bảo QoS đường kết nối MU khác vùng ảnh hưởng Tỉ số tín hiệu tạp âm nhiễu kênh xuống (SINR) MU đặc trưng cho chất lượng dịch vụ QoS bị ảnh hưởng tín hiệu liên kết xuống FU xung quanh mà sử dụng kênh với Mặt khác, SINR FU bị ảnh hưởng CFAP bên cạnh chúng chúng cấp kênh cho FU khác Để quản lý tốt nhiễu kênh xuống, chúng tơi đề xuất tạo nhóm CFAP vùng phủ sóng MBS Tại CFAP nhóm quản lý phổ việc trao đổi thông tin việc cảm nhận phân bố phổ Việc trao đổi thông tin thực mô hình trung tâm với FMS phần quản lý trung tâm mơ hình phân tán, mà CFAP nhóm sử dụng chung đường kênh điểu khiển vô tuyến chung cho việc trao đổi thông tin Các chế phân phối kênh Trong phần này, chúng tơi phân tích ba chế cấp kênh đường xuống triển khai CFAP: chế cấp kênh ngẫu nhiên (Random Scheme) [5], CFAP nhận thức (CFAP-based Scheme) [5] chế có phối hợp CFAP (Cooperative CFAP-based Scheme) Giả thiết MBS CFAPcó số kênh đường xuống NC kênh trực giao Trong trình hoạt động, CFAP MBS tái sử dụng kênh NC kênh để cấp phát cho người sử dụng Một CFAP hay MBS thời điểm cấp cho FU MU Khi CFAP cấp kênh cho FU, trước tiênchất lượng kênh đường xuống FU phải thỏa mãn mức QoS tối thiểu FU Ngoài ra, việc cấp kênh cho đường xuống FU không gây tác động nhiễu tới đường kết nối MU sử dụng chung kênh Để tránh ảnh hưởng xấu làm suy giảm QoS MU, đề xuất thủ tục kiểm chứng kênh trình bày bên Khi CFAP nhận yêu cầu kết nối từ FU đó, CFAP cấp tạm thời kênh đường xuống kcho FU Tiếp theo, CFAP gửi yêu cầu kiểm chứng kênh tới FMS để xác nhận xem QoS MU dùng chung kênh k có bị vi phạm hay không FMS chuyển yêu cầu kiểm chứng kênh đến MRMS khởi tạo khoảng thời gian chờ đợi, MRMS gửi tin truy vấn QoS đến MBS có vùng phủ sóng tới CFAP MBS lân cận Nếu MU dùng chung kênh k mà bị vi phạm QoS MBS phủ sóng MU gửi tin trả lời tới MRMS MRMS chuyển tin tới FMS đồng thời dừng việc gửi tin truy vấn QoS lại FMS trả tin xác nhận QoS cho CFAP hủy bỏ thời gian đợi Khi CFAP nhận tin phản hồi từ FMS, trường hợp khơng có MU bị vi phạm QoS CFAP chấp nhận hồn toàn FU vào hệ thống cấp kênh k cho FU để truyền liệu Ngược lại CFAP hủy bỏ kết nối với FU xem yêu cầu kết nối khơng thành cơng Khi CFAP sử dụng chế cấp kênh ngẫu nhiên(Random Scheme), thời điểm CFAP nhận yêu cầu kết nối FU, CFAP chọn ngẫu nhiên kênh chưa cấp phát cho FU hoạt động Sau CFAP tiến hành trình kiểm chứng kênh Khi sử dụng chế cấp kênh dựa CFAP nhận thức(CFAP-based scheme), CFAP đo mức độ nhiễu kênh chưa cấp phát cho FU hoạt động Khi CFAP nhận yêu cầu kết nối từ FU, CFAP chọn kênh k danh sách kênh đo Kênh k phải kênh có mức nhiễu nhỏ đo CFAP Sau đó, CFAP tiến hành q trình kiểm chứng kênh nêu Khi sử dụng chế cấp kênh nhận thức có phối hợpgiữa CFAP(Cooperative CFAPbased Scheme),mỗi CFAP cập nhật định kỳ danh sách kênh xấu cho CFAP khác nằm nhóm phối hợp quản lý cấp kênh Một kênh coi kênh xấu khoảng thời gian cập nhật trước 69 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 cấp cho yêu cầu kết nối FU không vượt qua trình kiểm chứng kênh Danh sách kênh xấu làm định kỳ để cập nhật lại trạng thái kênh Khi CFAP nhận u cầu kết nối từ FU, chọn mơt kênh đường xuống k thỏa mãn điều kiện sau: 1) kênh khơng thuộc danh sách kênh xấu cập nhập từ CFAP nhóm phối hợp quản lý cấp kênh, 2) kênh chưa sử dụng FU nằm CFAP, 3) kênh có mức nhiễu đo CFAP nhỏ Sau đó, CFAP tiến hành thủ tục kiểm chứng kênh Cơ chế cấp kênh nhận thức có phối hợp CFAP có ưu điểm vượt trội so với hai chế có khả thu nhận thông tin kênh xấu CFAP lân cận nên tránh việc cấp kênh xấu cho yêu cầu kết nối Ưu điểm đặc biệt hữu ích xét trường hợp mật độ CFAP dày đặc (trong tòa nhà, khu dân cư) Kênh chọn kênh có mức nhiễu nhỏ nên công suất phát cần thiết nhỏ Điều hạn chế tăng nhiễu toàn hệ thống Cơ chế yêu cầu cần thêm tính tốn việc loại bỏ kênh xấu khỏi danh sách cấp kênh Ngoài ra, u cầu CFAP lân cận cập nhật thơng tin với thông qua kênh điều khiển chung qua khối FMS truyền MBS tới MU từ 1mW đến 200mW, công suất CFAP tới FU cho cố định 1mW Thêm công suất sử dụng MBS 50% tổng cơng suất lớn MBS QoS lớp vật lý kênh đường xuống (SINR kênh đường xuống) FU MU 10dB 5dB Để hình thành cụm CFAP, chia vùng phủ MBS thành 16 khu vực nhỏ với bán kính 50m phân bố CFAP cách ngẫu nhiên vào khu vực Mỗi CFAP chọn CFAP hàng xóm khác bên cạnh nằm bán kính tương quan Trong báo này, bán kính tương quan để giá trị hai lần bán kính vùng phủ sóng CFAP.Các CFAP FU xem thiết bị nhà (indoor), MBS MU đươc xem thiết bị trời (outdoor).Chúng tơi sử dụng mơ hình kênh truyền tổn hao tiêu chuẩn hóa theo ITU[6] để tính SINR trạm phát hay điểm truy cập với người sử dụng Các mơ hình kênh truyền tổn hao chia làm trường hợp: nhà - nhà, nhà trời, trời - trời, ngồi trời nhà Thêm vào đó, giá trị độ lệch chuẩn suy giảm để 4dB, 12dB, 8dB 10dB cho trường hợp Mơ đánh giá hiệu Chương trình mơ sử dụng Matlab Mơ hình mơ bao gồm bảy MBS phân bố hình 2.Mỗi tế bào MBS có vùng phủ sóng với bán kính 500m độ cao anten 30m Trong báo này, không xét MU FU di chuyển mô Các CFAPs MUs phân bố MBS, CFAP có vùng phủ sóng với bán kính 15m với độ cao anten từ 1m đến 5m Trong tình mơ phỏng, MBS CFAP quản lý số lượng NC = 100 kênh đường xuống.Số lượng CFAP số lượng FU CFAP thay đổi tùy thuộc vào tình mơ Giả sử kênh đường xuống gán cho MU suốt thời gian mô Tiếp theo cơng suất 70 Hình Mơ hình mơ 7-cell Trong kịch mô thứ nhất, thực mô nhằm quan sát so sánh xác suất yêu cầu kết nối không thành công chế cấp kênh đường xuống trường hợp CFAP phân bố ngẫu nhiên TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 hệ thống Số lượng CFAP 10 CFAP có số lượng FU 10 Số lượng MU macrocell biến đổi từ 10 đến 100.Kết mơ hình 3, chế cấp kênh có phối hợp CFAP cho xác suất yêu cầu kết nối không thành công 10% số lượng MU 60MU/MBS, nhỏ không đáng kể so với chế CFAP nhận thức Trong chế ngẫu nhiên đem đến kết Trong kịch mơ này, ta thấy hiệu cấp kênh chế sử dụng thông tin thu thập CFAP tốt so với chế cấp kênh ngẫu nhiên Do đó, kết nối FU có khả gây suy giảm QoS MU dùng chung kênh Cơ chế cấp kênh ngẫu nhiên có xác suất yêu cầu kết nối không thành công gần 20% số lượng MU 60MU/MBS CFAP chọn ngẫu nhiên kênh để cấp cho FU, kênh không thỏa mãn QoS FU MU đồng thời tăng nhiễu hệ thống Trong tình này, CFAP phân bố ngẫu nhiên nên khơng có cụm CFAP hình thành Khi hệ thống khơng có cụm CFAP nào, chế cấp kênh nhận thức có phối hợp CFAP hoạt động chế chế cấp kênh dựa mức độ nhiễu đo kênh CFAP, chế cấp kênh nhận thức có phối hợp CFAP cho xác suất gọi không thành công giống với chế chế cấp kênh dựa mức độ nhiễu đo kênh CFAP Trong kịch mô thứ hai, thực mô nhằm quan sát so sánh xác suất yêu cầu kết nối không thành công chế cấp kênh đường xuống trường hợp CFAP phân bố dày đặc số điểm khác hệ thống (hệ thống có mật độ CFAP dày đặc) Các thơng số mô giữ nguyên giống với thơng số tình thứ nhất, kết mơ mơ tả hình Cơ chế có phối hợp CFAP cho xác suất yêu cầu kết nối không thành công nhỏ nhiều so với chế ngẫu nhiên CFAP nhận thức,hai chế cho xác suất yêu cầu kết nối khơng thành cơng mức 10% MBS có số lượng MU 30MU 46 MU Với chếcó phối hợp CFAP có xác suấtyêu cầu kết nối không thành công giữ mức 10% số lượng MU 62MU/MBS Ngun nhân mơi trường CFAP có mật độ cao, CFAP gây ảnh hưởng mạnh đến CFAP lân cận Do CFAP khó cấp kênh mà khơng gây suy giảm SINR MU dùng chung kênh đó.Với chếcó phối hợp CFAP CFAP nhóm phối hợp quản lý kênh trao đổi danh sách kênh xấu với nhau, CFAP có định cấp kênh xác Hình Trường hợp CFAP phân bố ngẫu nhiên hệ thống Hình Trường hợp CFAP phân bố thành nhóm dày đặc hệ thống Trong kịch mô thứ ba thứ tư này, phân bố CFAP dày đặc thành cụm thay đổi số thơng số mơ Hình đưa kết hiệu suất chế cấp kênh số lượng CFAP hệ thống tăng lên 20 CFAP/MBS Trong đó, Hình đưa kết hiệu suất chế cấp kênh số lượng tải hay số lượng FU CFAP tăng lên 20 Rõ ràng việc tăng số lượng CFAP hay tăng số lượng FU MBS làm ảnh hưởng đáng kể đến 71 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 Hình Trường hợp số lượng CFAP MBS tăng lên 20 hiệu suất chế Nhưng nhìn chung chếcó phối hợp CFAP cho kết tốt so với haicơ chế Ta nhận thấy hiệunăng chếnàyở hai trường hợp giống Kết luận Trong báo này,chúng giới thiệu thảo luận tính khả thi kiến trúc mạng cho hệ thống thông tin di động sau 4G Thêm vào đó, chế mà chúng tơi đề xuất chế có phối hợp CFAP Kết mô cho thấy trường hợp CFAP Hình Trường hợp số lượng FU CFAP tăng lên 20 phân bố dày đặc chế có hiệu suất tốt nhiều so với hai chế Để đạt kết này,sự tương tác phối hợp CFAP nhóm vấn đề cấp kênh đường xuống đóng vai trị quan trọng Trong tương lai, tập trung làm rõ hiệu chế cấp kênh có nhận thức nhiều tình động người sử dụng di chuyển vùng CFAP hay CFAP MBS, với vấn đề liên quan đến trình chuyển giao trạm phát sóng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jie Zhang, Guillaume De La Roche, "Femtocells Technologies and Deployment", John Wiley & Son Ltd,2010, pp:1-2 [2] Vikram Chandrasekhar, Jeffrey G Andrews, Zukang Shen, Tarik Muharemovic and Alan Gathere, ”Distributed Power Control in Femtocell-Underlay Cellular Networks”, Global Telecommunications Conference 2009, GLOBECOM 2009, IEEE, Nov 30 2009-Dec 2009, pp: 1- [3] Duy T Ngo, Long Bao Le, Tho Le-Ngoc, Ekram Hossain, and Dong In Kim,”Distributed Interference Management in Femtocell Networks”, Vehicular Technology Conference (VTC Fall), IEEE, Sept 2011, pp: 1- [4] V Chandrasekhar, J.G Andrews, T Muharemovic, Zukang Shen, A Gatherer, ”Power control in two-tier femtocell networks”, Wireless Communications, IEEE Transactions on, August 2009, pp: 4316- 4328 [5] Yang-Yang Li and Elvino S Sousa, ”Cognitive uplink interference management in 4G cellular femtocells”, 21st Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, Sept.2010, pp: 1567-1571 [6] Femtoforum, “Interference Management in UMTS Femtocell” , Dec.2008, pp: 143 [7] Cornelia-Ionela Badoi, Neeli Prasad, Victor Croitoru, Ramjee Prasad, "5G Based on Cognitive Radio",Wireless Pers Commun, Springer,2011, pp:441-464 (BBT nhận bài: 12/08/2013, phản biện xong: 31/10/2013) 72 ... cấp kênh nhận thức có phối hợp CFAP hoạt động chế chế cấp kênh dựa mức độ nhiễu đo kênh CFAP, chế cấp kênh nhận thức có phối hợp CFAP cho xác suất gọi không thành công giống với chế chế cấp kênh. .. Hình Mạng Tế bào – Femtocell nhận thức cho hệ thống sau 4G Trong mạng di động tế bào femtocell nhận thức này, người dùng trạm macrocell (MU) coi người dùng nên chất lượng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG... trình bày mơ hình mạng tế bào femtocell nhận thức mà nghiên cứu cho hệ thống thông tin di động sau 4G với việc triển khai điểm truy nhập femtocell nhận thức (CFAP) Một CFAP hoạt động với vùng truy