Nghiên cứu mô hình mạng Femtocell nhận thức cho thông tin di động sau thế hệ thứ 4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG VĂN NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH MẠNG FEMTOCELL NHẬN THỨC CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG SAU THẾ HỆ THỨ LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Huế - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG VĂN NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH MẠNG FEMTOCELL NHẬN THỨC CHO THƠNG TIN DI ĐỘNG SAU THẾ HỆ THỨ Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS NGUYỄN NAM HOÀNG Huế - 2014 LỜI CẢM ƠN Trong suốt q trình học tập hồn thành luận văn này, nhận đƣợc hƣớng dẫn, giúp đỡ quý báu Thầy, Cô, anh chị bạn lớp Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới: Ban giám hiệu, Phòng đào tạo, Khoa Điện tử Viễn thông trƣờng Đại Học Công Nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ tơi q trình học tập hoàn thành luận văn Tiến sĩ Nguyễn Nam Hồng, ngƣời Thầy kính mến hết lịng giúp đỡ, dạy bảo, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập hoàn thành luận văn tốt nghiệp Xin chân thành cảm ơn ba mẹ anh chị em, ngƣời vợ yêu quý bên cạnh động viên giúp đỡ học tập làm việc hoàn thành luận văn LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan kết trình bày luận văn nghiên cứu dƣới hƣớng dẫn TS Nguyễn Nam Hoàng Các số liệu kết luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Huế, ngày 07 tháng 02 năm 2014 Ngƣời viết Nguyễn Hoàng Văn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 10 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 12 1.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động 12 1.2 Các hệ thống thông tin di động trƣớc 4G 13 1.2.1 Hệ thống thông tin di động 1G 13 1.2.2 Hệ thống thông tin di động 2G 14 1.2.3 Hệ thống thông tin di động 2.5G 16 1.2.4 Hệ thống thông tin di động 3G 17 1.2.5 Hệ thống thông tin di động sau 3G 18 1.3 Hệ thống thông tin di động 4G 20 1.3.1 Giới thiệu 20 1.3.2 Các mục tiêu LTE 21 1.3.3 Các kỹ thuật sử dụng LTE 21 1.4 Các xu hƣớng công nghệ sau hệ 4G 24 1.5 Kết luận 26 CHƢƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG FEMTOCELL NHẬN THỨC CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SAU 4G 27 2.1 Giới thiệu 27 2.2 Tổng quan Femtocell 28 2.2.1 Khái niệm Femtocell 28 2.2.2 Đặc điểm Femtocell 29 2.2.3 Triển khai Femtocell 30 2.2.4 Kiến trúc mạng Femtocell 31 2.2.5 Các kiểu truy nhập 31 2.2.6 Phân phối phổ lớp Femto-Macro 33 2.2.7 Điều khiển nhiễu mạng Femtocell 33 2.3 Mạng Femtocell nhận thức cho hệ di động sau 4G 35 2.3.1 Khái niệm vô tuyến nhận thức 35 2.3.2 Vô tuyến nhận thức hệ thống thông tin khơng dây 36 2.3.3 Đề xuất mơ hình kiến trúc mạng Femtocell nhận thức 37 2.3.4 Khả nhận thức cho mạng Femtocell 39 2.4 Kết luận 44 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT CỦA CÁC MÔ HÌNH PHÂN PHỐI KÊNH CHO MẠNG DI ĐỘNG TẾ BÀO FEMTOCELL NHẬN THỨC SAU THẾ HỆ 4G 45 3.1 Cơ sở lý thuyết 45 3.1.1 Tái sử dụng kênh nhận thức đƣờng lên Femtocell 45 3.1.2 Phân tích hiệu suất tái sử dụng kênh nhận thức 48 3.1.3 Lập lịch tái sử dụng kênh 49 3.2 Mơ hình hệ thống mạng Femtocell nhận thức 51 3.3 Các chế phân phối kênh đƣờng lên 53 3.4 Mô đánh giá hiệu suất 55 3.5 Cơ chế phân phối kênh đƣờng xuống 60 3.6 Kết luận 60 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu 1G Từ viết tắt One Generation 2G Second Generation 3G Third Generation 4G Fourth Generation 5G Fifth Generation 3GPP Third Generation Patnership Project Code Division Multiple Access Capital Expenditure Cognitive Femtocell Access Point CDMA CAPEX CFAP Control Plane Enhance Data rates for GSM Evolution E-UTRAN Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Evolved Packet Core EPC Enhance NodeB eNodeB Femtocell Access Point FAP Frequency Division multiple FDMA Access Frequency Division Duplexing FDD CP EDGE GPRS Forward Error Correction Femtocell User Global System for Mobile GSM/EDGE Radio Access Network General Packet Radio Service GI GRE GTP GUTI Guard Interval Generic Routing Encapsulation GPRS Tunneling Protocol Globally Unique Temporary FEC FU GSM GERAN Nghĩa Hệ thống thông tin di động hệ thứ Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai Hệ thống thông tin di động hệ thứ ba Hệ thống thông tin di động hệ thứ tƣ Hệ thống thông tin di động thứ Dự án hợp tác hệ Đa truy cập phân chia theo mã Chi phí đầu tƣ Điểm truy nhập Femtocell nhận thức Mặt phẳng điều khiển Tốc độ liệu tăng cƣờng cho mạng GSM cải tiến Mạng truy nhập vô tuyến cải tiến Mạng lõi gói NodeB cải tiến Điểm truy nhập Femtocell Đa truy cập phân chia theo tần số Ghép kênh phân chia theo tần số Sửa lỗi hồi tiếp Ngƣời dùng femtocell Hệ thống di động toàn cầu Mạng truy nhập vơ tuyến GSM/EDGE Dịch vụ gói vơ tuyến thơng dụng Khoảng bảo vệ Đóng gói định tuyến chung Giao thức đƣờng hầm GPRS Mã nhận dạng tạm thời HSDPA HSPA HSS ITU IP IMT IMS IMSI ISI IFFT LTE MS MIMO MAC Identity High Speed Downlink Packet Access High Speed Packet Access Home Subscriber Server International Telecommunication Union Internet Protocol International Mobile Telecommunication IP Multimedia Sub-system International Mobile Subscriber Identity Inter-Symbol Interference Inverse Fast Fourier Transform Long Term Evolution Mobile Station Multi Input Multi Output Medium Access Control tồn cầu Truy nhập gói đƣờng xuống tốc độ cao Truy nhập gói tốc độ cao Máy chủ thuê bao thƣờng trú Liên minh Viễn thông quốc tế Giao thức internet Viễn thông di động quốc tế Hệ thống đa phƣơng tiện sử dụng IP Nhận dạng thuê bao di động quốc tế Nhiễu liên ký tự Biến đổi Fourier ngƣợc Trạm di động Đa ngõ vào Đa ngõ Điều khiển truy nhập môi trƣờng Macrocell Base Station Trạm sở macrocell MBS Modulation Coding Scheme Mơ hình mã hóa điều chế MCS Macrocell User Ngƣời dùng Macrocell MU Operating Expenses Chi phí hoạt động OPEX Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần OFDM Multiple số trực giao Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo OFDMA Multiple Access tần số trực giao Peak-to-Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh PAPR cơng suất trung bình Point to Point Điểm đến điểm P2P Proxy Mobile IP Cổng di động IP PMIP Quality of Services Chất lƣợng dịch vụ QoS Reference Signal Receive Cơng suất thu tín hiệu tham RSRP Power khảo Reference Signal Receive Chất lƣợng thu tín hiệu tham RSRQ Quality chiếu Reference Signal Tín hiệu tham chiếu RS Software - Defined Radio Vô tuyến định nghĩa SDR phần mềm Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu SNR Signal Interference Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu ồn SINR SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo multiple Access tần số - đơn sóng mang SMS SAE TDMA TTI TDD UMB UICC UTRAN USIM UTMS UE UP VoIP WCDMA Short Message Service System Architecture Enhance Time Division Multiple Access Time Transmit Interval Time Division Duplexing Ultra Mobile Broadband Universal Integrated Circuit Card UTMS Terrestrial Radio Access Networks Universal Subscriber Identity Module Universal Telecommunication Mobile System User Equipment User Plane Voice over IP Wideband Code Division Multiple Access Dịch vụ tin nhắn Cấu trúc hệ thống nâng cao Đa truy nhập phân chia theo thời gian Khoảng thời gian phát Ghép kênh phân chia theo thời gian Siêu băng rộng di động Thẻ mạch tích hợp tồn cầu Mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất Mođun nhận dạng th bao tồn cầu Hệ thống thơng tin di động tồn cầu Thiết bị ngƣời dùng Mặt phẳng ngƣời dùng Thoại qua IP Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các thông số hệ thống tƣơng tự 1G………….………………….14 Bảng 1.2 Các thông số hệ thống 2G…………………… ……………….16 Bảng 1.3 Ba tiêu chuẩn hệ thống 3G………………… ……………… 18 Bảng 1.4 Các thông số tốc độ đỉnh HSDPA HSUPA……….…………19 Bảng 1.5 Tốc độ liệu CDMA2000 1X EV-DO…… …………………19 Bảng 1.6 Các đặc điểm kỹ thuật IEEE802.16………………….………….20 Bảng 1.7 Các loại thiết bị đầu cuối LTE……………… ………………23 Bảng 2.1 So sánh mơ hình truy nhập mở đóng Femtocell……… ….32 51 Bƣớc 1: Lắng nghe nhận thức môi trƣờng Bƣớc 2: Nhận chữ ký nhiễu ( ) Bƣớc 3: Lựa chọn kênh hoạt động ( j* ) Bƣớc 4: Đánh giá QoS đƣờng lên ngƣời dùng ( ) Bƣớc 5: Phân phối cơng suất (P*) Hình 3.3 Thủ tục phân phối kênh nhận thức Phân phối kênh tối ƣu j* phụ thuộc vào trình cập nhật thơng tin chữ ký nhiễu Giai đoạn q trình phụ thuộc vào tiêu chuẩn không dây cụ thể yêu cầu mức độ thời gian cho trình cập nhật thơng tin chữ ký nhiễu 3.2 Mơ hình hệ thống mạng Femtocell nhận thức Nhƣ thảo luận báo gần đƣợc công bố[22], triển khai femtocell khơng phủ sóng nhà mà cịn phủ sóng bên ngồi tình cụ thể nhƣ khu vực công cộng, nơi mức độ ngƣời sử dụng cao nhƣ sân bay, cơng viên Trong kiến trúc femtocell tại, FAP hoạt động tần số đƣợc lựa chọn ngẫu nhiên Hình 3.4[17] 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 ngƣời dùng đƣợc truy nhập đến CFAP, trƣờng hợp CFAP hoạt động giống nhƣ điểm truy nhập riêng giống nhƣ thiết bị wifi Một số CFAP hình thành khu vực truy nhập femtocell mở với yêu cầu truy nhập đƣợc chấp nhận ngƣời dùng xác thực Tình đƣợc áp dụng khu vực công cộng nhƣ trung tâm mua sắm, sân bay, nhà ga xe lửa Xem nhƣ CFAP đƣợc trang bị với chức nhận thức nhƣ cảm biến phổ 52 cảm biến chất lƣợng kênh, CFAP lựa chọn tần số hoạt động phù hợp để đáp ứng QoS cho ngƣời truy nhập Thực tế truyền thông thời gian thực có yêu cầu nghiêm ngặt QoS vô tuyến nhận thức gần đƣợc xem có hiệu cho hội truy nhập[24] Trong mơ hình mạng, chúng tơi giả sử trạm sở macro (MBS) tƣơng tác với CFAP nằm vùng phủ sóng MBS để trao đổi thông tin phổ đƣợc sử dụng MBS CFAP sử thực phổ/phân phối kênh cách hiệu Hình 3.4 Mạng tế bào Femtocell nhận thức cho hệ thống sau 4G Cơ chế hoạt động theo nhƣ hình vẽ 3.5 Chúng giả sử hệ thống quản lý femto (FMS) hệ thống quản lý mạng truy nhập vô tuyến di động (MRMS) trao đổi thông tin định kỳ Sự tƣơng tác hai thực thể hỗ trợ cho quản lý di động quản lý tài nguyên vô tuyến Khi xem xét trƣờng hợp ngƣời dùng di chuyển vùng femto vùng femto đến vùng MBS, ngƣời dùng cần cập nhật vị trí kết nối chuyển giao FMS MRMS hỗ trợ thủ tục chuyển giao nhƣ định chuyển giao, lựa chọn trạm gốc phân phối tài nguyên FMS MRMS cần phối hợp việc quản lý tài nguyên vô tuyến Khi CFAP nhận yêu cầu từ ngƣời dùng di động femto (FU) – ngƣời dùng chuyển giao gọi CFAP phân phối tài 53 ngun vơ tuyến(kênh) đến ngƣời dùng Nhƣ ngƣời dùng trạm macrocell (MU) đƣợc xem ngƣời sử dụng QoS phải đƣợc đảm bảo[10], CFAP phải chọn đƣợc kênh gây tác động tối thiểu cho MUs vùng phủ MBS[25] Bây xem xét phân phối kênh hƣớng lên QoS đƣờng lên MUs đƣợc đo kiểm MBS, CFAP ƣớc lƣợng nhiễu kênh theo mức lƣợng kênh đƣợc đo CFAP Khi CFAP nhận gọi yêu cầu, CFAP chấp nhận yêu cầu phân phối kênh hƣớng lên nằm danh sách đo mức nhiễu CFAP, CFAP lựa chọn kênh hƣớng lên gây nhiễu mạnh đến MU Trong trƣờng hợp này, phối hợp FMS MRMS hỗ trợ việc định lựa chọn kênh CFAP Trao đổi thông tin định kỳ Mobile Core Network MRMS Trao đổi thông tin định kỳ Macrocell MU CFAP Yêu cầu FMS FU Hình 3.5 Cơ chế hoạt động 3.3 Các chế phân phối kênh đƣờng lên Trong phần này, đề xuất ba chế phân phối kênh đƣợc triển khai CFAP: chế phân phối kênh ngẫu nhiên (Random Scheme), chế CFAP nhận thức (CFAP-Based Scheme) chế MBS nhận thức (MBSBased Scheme) Chúng so sánh ba chế phân phối kênh CFAP bao gồm chế ngẫu nhiên (không sử dụng quản lý nhận thức kênh) hai chế nhận thức lại dựa sở lựa chọn từ danh sách kênh nhiễu thấp lần lƣợt CFAP MBS Đánh giá chế phân phối kênh đƣợc mô tả theo giả định bên dƣới Đầu tiên, giả sử mạng di động tế bào femtocell nhận thức có NC kênh trực giao Mỗi MBS CFAP sử dụng dải kênh 54 Trong MBS CFAP, thời điểm nào, kênh đƣợc phân bố liên tục đến MU FU, MUs ngƣời dùng với QoS đƣợc đảm bảo (ở xem tham số QoS yêu cầu SINR) Khi CFAP phân phối kênh đến FU, yêu cầu cung cấp QoS FU Tuy nhiên FU nguyên nhân làm giảm QoS cuả MU sử dụng kênh Giả sử danh sách cập nhật mức nhiễu hƣớng lên MBSs QoS MUs đƣợc thực tƣơng tác/trao đổi thông tin MRMS FMS Nếu QoS MU bị vi phạm FU đƣợc chấp nhận mạng CFAP đƣợc thơng báo sau cố gắng phân phối kênh khác đến FU khoá yêu cầu kết nối đến FU Chúng tơi mơ tả quy trình mơ hình lựa chọn kênh sau Trong chế phân phối kênh ngẫu nhiên (Random Scheme), CFAP nhận yêu cầu kết nối FU, CFAP lựa chọn ngẫu nhiên kênh k dải kênh NC chƣa sử dụng Sau đó, FU thực thủ tục xác thực kênh Đầu tiên, FU truyền tín hiệu dị với cơng suất truyền ban đầu Nếu SINR FU đƣợc đo kiểm CFAP khơng thoả mãn QoS FUs CFAP hỏi FU để thực q trình điều khiển cơng suất[25] Q trình điều khiển cơng suất hồn thành QoS FUs thoả mãn công suất phát cực đại FUs đƣợc cấp Trong trƣờng hợp QoS FUs khơng thoả mãn sau hồn thành q trình điều khiển cơng suất, CFAP giải phóng kênh phân phối xem yêu cầu gọi không thành công Mặt khác, CFAP phân phối kênh đến FU gửi yêu cầu xác thực đến FMS để xác thực QoS MU dùng kênh k không FMS gửi yêu cầu xác thực đến MRMS chờ đợi với chu kỳ thời gian Trong CFAP chờ đợi phản hồi xác thực này, FU kết nối tạm thời với CFAP truyền tín hiệu Trong trƣờng hợp khơng vi phạm QoS MU, CFAP chấp nhận FU phân phối kênh k đến FU Nếu không, CFAP chấm dứt kết nối xem yêu cầu gọi không thành công Trong chế phân phối kênh FAP-base cognitive (hay gọi chế CFAP-based), CFAP đo kiểm mức nhiễu tất kênh sẵn có mà chƣa đƣợc phân phối tới FU Khi CFAP nhận yêu cầu kết nối, lựa chọn kênh k dải kênh sẵn có với mức nhiễu thấp Sau CFAP thực thủ tục xác thực kênh nhƣ mô tả Khi sử dụng chế phân phối kênh MBS-based cognitive (hay gọi chế MBS-based), mạng di động tế bào femtocell nhận thức trao đổi thông tin thƣờng xuyên MRMS FMS Một CFAP cập nhật theo chu kỳ mức nhiễu 55 tất kênh đƣợc đo kiểm MBS vùng phủ CFAP Khi CFAP nhận yêu cầu kết nối FU, lựa chọn kênh k mà chƣa đƣợc sử dụng FU khác mức nhiễu thấp đƣợc đo vùng phủ MBS Thủ tục xác thực kênh tƣơng tự nhƣ mô tả 3.4 Mô đánh giá hiệu suất Chƣơng trình mơ đƣợc sử dụng Matlab Kịch mơ đƣợc mơ tả nhƣ hình 3.5 Bao gồm tế bào(cell), cell cung cấp vùng phủ với bán kính 500m Trong cell, số lƣợng CFAPs (phụ thuộc vào kịch mô phỏng) đƣợc phân bố đồng đều, MU đƣợc phân bố cell Trong mô này, xem xét MUs FUs không di chuyển Bán kính vùng phủ femtocell 15m Trong tất tình mơ phỏng, giả sử số lƣợng kênh uplink MBS CFAP 100 kênh (NC = 100) Giả sử kênh hƣớng lên (uplink) đƣợc phân phối cho MU hầu hết thời gian mô Phạm vi công suất phát MU từ 50mWđến 500mW, FU từ 10mW đến 50mW Thêm vào đó, cơng suất phát hƣớng lên MU đƣợc điều khiển trình điều khiển công suất với ngƣỡng SINR 3dB Yêu cầu QoS hƣớng lên FU đƣợc thiết lập từ 5dB đến 10dB cho lần lƣợt kết nối thoại liệu[17] Lƣu lƣợng tải đƣờng lên CFAP đƣợc thiết lập kịch mơ Hình 3.6 Mơ hình mơ 7-cell 56 Mơ hình suy hao tín hiệu dùng tính tốn SINR đƣợc tính theo công thức sau[17]: d khoảng cách MU MBS FU CFAP Chúng thực bốn mô để so sánh xác suất lỗi ba mơ hình phân phối kênh Phần mềm mơ đƣợc mơ tả theo hình 3.6 sau: Hình 3.7 Phần mềm mô Trong kịch mô đầu tiên, quan sát xác suất lỗi (xác suất không thành công) phân phối kênh femtocell trƣờng hợp công suất truyền MUs FUs đƣợc thiết lập cố định lần lƣợt 500mW 10mW Số lƣợng CFAP 10, lƣu lƣợng tải đƣờng lên CFAP 10% Số lƣợng MUs cell từ 10 đến 100 QoS FUs đƣợc thiết lập với SINR=5dB Biểu đồ đƣợc thống kê nhƣ hình 3.6, chế MBS-based cung cấp xác suất lỗi nhỏ so với hai chế lại 57 Hình 3.8 Cơng suất phát MUs FUs cố định Cơ chế CFAP-based có xác suất lỗi dƣới 10% số lƣợng MUs 75 MUs/MBS (tổng số MU truyền đồng thời 100 MU cho MBS) Khi sử dụng chế MBS-based, số lƣợng tải MBS 70MUs/MBS xác suất lỗi nhỏ 4% Thậm chí xác suất lỗi giữ nhỏ 10% tải MBS đạt 85MUs/MBS Cơ chế MBS-based thực tốt so với chế CFAP-based CFAP gán cho FU kênh với mức nhiễu thấp đƣợc đo kiểm vùng phủ MBS cập nhật mức độ nhiễu đƣợc đo kiểm vùng phủ MBS Do đó, yêu cầu FU không gây giảm SINR đến MUs ảnh hƣởng đến trình chọn kênh Trong chế CFAP-based, CFAPs đo kiểm mức độ nhiễu tất kênh lựa chọn kênh với mức nhiễu thấp vùng đó, CFAP làm thoả mãn QoS FU nhƣng khó để thoả mãn QoS MU Cơ chế ngẫu nhiên có xác suất lỗi cao CFAPs khơng thể làm thoả mãn QoS MU FU lại gia tăng công suất nhiễu đến hệ thống Trong kịch mơ thứ hai, mục đích quan sát tỷ lệ lỗi phân phối kênh femtocell trƣờng hợp công suất phát MUs đƣợc điều khiển 50mW 500mW, công suất phát FU đƣợc đặt cố định 10mW Số lƣợng CFAP 10, CFAP có lƣu lƣợng tải đƣờng lên 10%, số lƣợng MU macrocell từ 10 đến 100 QoS FU với SINR=5dB Xác suất lỗi đƣợc mơ tả hình 3.7, tƣơng tự nhƣ mơ đầu tiên, chế MBS-based có xác suất lỗi nhỏ so với hai chế CFAP-based Random Khi tải MBS đạt 80MUs, xác suất lỗi chế CFAPbased MBS-based có kết nhƣ với kịch mô thứ (nhƣ hình 4.6) Khi tải MBS đạt 90MUs/MBS, xác suất lỗi hai chế CFAP-based MBS-based tốt so với kết mô thứ Điều 58 có nghĩa điều khiển cơng suất đạt hiệu hệ thống có nhiều MUs SINR FUs cao (bán kính CFAP 15m) SINR MUs nhỏ (bán kính MBS 500m), CFAP tránh sử dụng lại kênh MU hoạt động Bằng cách gán công suất ban đầu đến MUs (bằng 10% công suất lớn nhất), điều khiển cơng suất MU dẫn đến CFAP phân phối dễ dàng đến FU kênh dùng MU hệ thống có kênh chƣa sử dụng MU Xác suất lỗi chế ngẫu nhiên trƣờng hợp xấu nhất, chúng tơi khơng xem xét phần mơ Hình 3.9 Cơng suất phát MUs đƣợc điều khiển 50mW 500mW FUs đƣợc gán cố định 10mW Trong kịch mô thứ ba, mục đích nhằm so sánh xác suất lỗi phân phối kênh femtocell trƣờng hợp lƣu lƣợng tải đƣờng lên CFAP 10% 30% Số lƣợng CFAP 10, số lƣợng MUs macrocell từ 10 đến 100, QoS FU với SINR=5dB Công suất phát FUs đƣợc thiết lập với giá trị cố định 10mW công suất phát MUs đƣợc điều khiển 50mW 500mW Kết mơ đƣợc mơ tả hình 3.8, xác suất lỗi hai chế gia tăng với số lƣợng FUs/CFAP đƣợc tăng lên Cơ chế MBS-based cung cấp xác suất lỗi tốt so với chế CFAPbased Tải lƣu lƣợng hƣớng lên CFAP đƣợc tăng lên 30%, chế MBS-based giữ xác suất lỗi dƣới 10% tải MBS đạt 68MUs/MBS Nó có kết tƣơng tự với chế CFAP-based với tải lƣu lƣợng hƣớng lên 10% CFAP Khi sử dụng chế CFAP-based, thời điểm tải MBS 70MUs/MBS xác suất lỗi tăng lên đến 28%, nhƣ chế CFAP-based kém, đạt 10% thời điểm 40MUs/MBS Rõ ràng số lƣợng FUs/CFAP lƣu lƣợng tải đƣờng lên 59 CFAP hệ thống ảnh hƣởng đến xác suất lỗi Tuy nhiên, với chế MBS-based, CFAP sử dụng lại kênh cách có hiệu Hình 3.10 Lƣu lƣợng tải đƣờng lên CFAP 10% 30% Hình 3.11 Số lƣợng CFAPs/MBS 10 20 Trong kịch mơ thứ tƣ, mục đích nhằm so sánh xác xuất lỗi phân phối kênh femtocell trƣờng hợp số lƣợng CFAP tăng lên 20 với số lƣợng CFAP 10 Số lƣợng MUs macrocell từ 10 đến 100, QoS FU với SINR=5dB Công suất phát FU đƣợc thiết lập cố định với giá trị 10mW công suất phát MUs đƣợc điều khiển 50mW 500mW Kết mơ nhƣ hình 3.9, xác suất lỗi hai chế gia tăng với 60 trƣờng hợp số lƣợng CFAPs/MBS tăng lên Cơ chế MBS-based cung cấp xác suất lỗi tốt so với chế CFAP-based Số lƣợng CFAPs MBS đƣợc tăng lên 20, chế MBS-based giữ xác suất lỗi dƣới 10% tải MBS đạt 70MUs/MBS Khi sử dụng chế CFAP-based, thời điểm tải MBS 70MUs/MBS xác suất lỗi tăng đến 30%, xác suất lỗi chế đạt 10% thời điểm tải MBS 50MUs/MBS Rõ ràng, số lƣợng CFAP hệ thống ảnh hƣởng đến xác suất lỗi Bằng cách phát triển chế MBS-based, CFAPs sử dụng lại kênh cách hiệu 3.5 Cơ chế phân phối kênh đƣờng xuống Trong chế phân phân phối kênh đƣờng xuống (Downlink), chế nhƣ trình bày hƣớng lên chúng tơi nghiên cứu[1] thêm chế mới, chế cấp kênh nhận thức có phối hợp CFAP (Cooperative CFAP-Based Scheme) Trong chế này, CFAP cập nhật định kỳ danh sách kênh xấu cho CFAP khác nằm nhóm phối hợp quản lý cấp kênh Một kênh đƣợc coi kênh xấu khoảng thời gian cập nhật trƣớc đƣợc cấp cho yêu cầu kết nối FU nhƣng khơng vƣợt qua đƣợc q trình kiểm chứng kênh Danh sách kênh xấu đƣợc làm định kỳ để cập nhật lại trạng thái kênh Khi CFAP nhận đƣợc yêu cầu kết nối từ FU, chọn mơt kênh đƣờng xuống k thỏa mãn điều kiện sau: 1) kênh không thuộc danh sách kênh xấu cập nhập từ CFAP nhóm phối hợp quản lý cấp kênh, 2) kênh chƣa đƣợc sử dụng FU nằm CFAP, 3) kênh có mức nhiễu đo đƣợc CFAP nhỏ Sau đó, CFAP tiến hành trình kiểm chứng kênh nhƣ trình bày phần trƣớc Kết mơ cho thấy trƣờng hợp CFAP đƣợc phân bố dày đặc chế có hiệu suất tốt nhiều so với chế khác Để đạt đƣợc kết này, tƣơng tác phối hợp CFAP nhóm vấn đề cấp kênh đƣờng xuống đóng vai trị quan trọng 3.6 Kết luận Trong chƣơng này, giới thiệu thảo luận tính khả thi kiến trúc mạng cho hệ thống thông tin di động sau 4G Trong kiến trúc mạng, vấn đề triển khai vô tuyến nhận thức femtocell hai vấn đề việc đáp ứng yêu cầu quan trọng hệ thống thông tin di động sau 4G vùng phủ sóng sử dụng phổ Trong chƣơng, chúng tơi đánh giá hiệu suất chế phân phối tài nguyên vô tuyến hƣớng lên hƣớng xuống, kết mô cho thấy sử dụng vô tuyến nhận thức cung cấp hiệu suất tốt hơn, 61 đề xuất mạng di động tế bào femtocell nhận thức, tƣơng tác MRMS FMS vấn đề cảm biến phổ đóng vai trị quan trọng để đạt đƣợc hệ thống dung cao 62 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN Luận văn trình bày q trình phát triển hệ thống thơng tin di động nghiên cứu chế cấp kênh mạng di động tế bào Femtocell nhận thức cho hệ thống thông tin di động sau hệ thứ Chƣơng cuối luận văn thực mô Matlab với chế cấp kênh để chọn chế cấp kênh tối ƣu Trên sở nghiên cứu đƣợc xem xét nhƣ trình bày cho mạng di động sau hệ 4G, mơ hình mạng tế bào Femtocell nhận thức thay đổi cách thức cung cấp dịch vụ nhà mạng cho ngƣời sử dụng phụ thuộc vào ngƣời sử dụng Trong tƣơng lai, tập trung làm rõ hiệu chế cấp kênh có nhận thức nhiều tình động ngƣời sử dụng di chuyển vùng CFAP hay CFAP MBS, với vấn đề liên quan đến q trình chuyển giao trạm phát sóng 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt: Nguyễn Hoàng Văn, Nguyễn Văn Toàn, Nguyễn Đức Kiên, Nguyễn Nam Hoàng (2013), “Performance Study Of Downlink Allocation Schemes For Cognitive Cellular-Femtocell Mobile Networks”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng Nguyễn Viết Kính, Trịnh Anh Vũ (2007), Thơng tin số, Nhà xuất Giáo Dục Trịnh Anh Vũ (2006), Thông tin di động, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội Tiếng Anh: 3GPP TS 23.002 (September 2011) Network Architecture , Release 10 3GPP TS 36.300 (October 2011) Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (EUTRAN); Overall Description; Stage 2, Release 10 3GPP TS 36.306 (October 2011) Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) Radio Access Capabilities , Release 10 3GPP TS 36.321 (October 2011) Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control (MAC) Protocol Specification , Release 10 Christopher Cox (2012), “An Introduction To LTE”, John Wiley & Sons Ltd, Section 1.4.1, pp: 11-12 Section 1.5.4, pp: 16 Section 6, pp: 95-111 Section 10, pp: 159-171 Section 18, pp: 277-289 Cornelia-Ionela Badoi, Neeli Prasad, Victor Croitoru, Ramjee Prasad (2010), “5G Based on Cognitive Radio”, Springer, Wireless Pers Commun (2011) pp:441-464 64 10 Duy T Ngo, Long Bao Le, Tho Le-Ngoc, Ekram Hossain, and Dong In Kim (September 2011), “Distributed Interference Management in Femtocell Networks”, Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2011 IEEE, pp: 1- 11 D C Oh, H C Lee and Y H Lee (November 2010), “Cognitive Radio Based Femtocell Resource Allocation”, ICTC2010, pp: 274- 279 12 Ekram Hossain, Vijay Bhargava (2007), Cognitive Wireless Communication Networks, Springer 13 Harri Holma, Antti Toskala (2011), “LTE for UMTS Evolution to LTEAdvanced second Edition”, John Wilye & Sons Ltd, section 3.2, pp: 25-41 14 Hrishikesh Venkataraman, Gabriel-Miro Muntean (2012), “Cognitive Radio and its Application for Next Generation Cellular and Wireless Networks”, Springer, Chapter 12, 13 15 ITUR, Report M.2134, (2008), “Requirements related to technical performance for IMT-Avanced radio interfaces” 16 Jie Zhang, Guillaume de la Roche (2010), Femtocells Technologies and Deployment, John Wiley & Sons Ltd 17 Kien Duc Nguyen, Hoang Nam Nguyen, Hiroaki Morino (2013), “Performance Study of Channel Allocation Schemes for beyond 4G Cognitive Femtocell Cellular Mobile Networks” 18 Mustafa Ergen (2009), Mobile Broadband – Including WiMAX and LTE, Springer 19 Nokia Siemens Network (2011), White Paper “2020: Beyond 4G Radio Evolution for the Gigabit Experience” 20 R Urgaonkar and M J Neely (April 2012), “Opportunistic Cooperation in Cognitive Femtocell Networks”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol 30, No 3, pp: 607-616 21 S Sesia, I Toufik, M Baker (2009), “LTE - The UMTS Long Term Evolution”, John Wiley & Sons Ltd, Section 1.2, 1.3, pp: 7-18 65 22 Saba Al-Rubaye, Anwer Al-Dulaimi, John Cosmas (March 2011), “Cognitive Femtocell Future”, IEEE Vehicular Technology Magazine, pp: 4451 23 Stefan Kaiser, Matti Latva-aho (May 30, 2011), White Paper “Broadband Wireless Beyond 2020” 24 Vikram Chandrasekhar, Jeffrey G Andrews, Zukang Shen, Tarik Muharemovic and Alan Gathere (November 30 2009 - December 2009), “Distributed Power Control in Femtocell-Underlay Cellular Networks”, Global Telecommunications Conference, GLOBECOM 2009 IEEE, pp: 1- 25 Vikram Chandrasekhar, Jeffrey G Andrews, Zukang Shen, Tarik Muharemovic and Alan Gathere (August 2009), “Power control in two-tier femtocell networks”, Wireless Communications, IEEE Transactions on, pp: 4316- 4328 26 Yang-Yang Li and Elvino S Sousa (September 2010), “Cognitive uplink interference management in 4G cellular femtocells”, 21st Annual IEEE International Symposium on Personal, Indoor Communications, pp: 1567- 1571 Website: 27 http://www.itu.int/ITU-D/ict/statistics/ 28 http://www.3gpp.org/ 29 http://vi.wikipedia.org/wiki/Samuel_Morse 30 http://vi.wikipedia.org/wiki/Claude_Shannon 31 http://vi.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell 32 http://vi.wikipedia.org/wiki/Guglielmo_Marconi 33 http://en.wikipedia.org/wiki/5G 34 http://www.smallcellforum.org/ and Mobile Radio ... động hệ thứ Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai Hệ thống thông tin di động hệ thứ ba Hệ thống thông tin di động hệ thứ tƣ Hệ thống thông tin di động thứ Dự án hợp tác hệ Đa truy cập phân chia... ? ?Nghiên cứu mơ hình mạng Femtocells nhận thức cho thông tin di động sau hệ thứ 4? ?? làm luận văn cao học Luận văn bao gồm chƣơng: Chƣơng 1: Giới thiệu hệ hệ thống di động từ 1G đến sau 4G Mơ hình. .. sở nghiên cứu đƣợc xem xét nhƣ trình bày cho mạng di động sau hệ 4G, đề xuất xây dựng mơ hình mạng chế cấp kênh cho mạng di động sau hệ 4G Mô hình mạng thay đổi cách thức cung cấp dịch vụ nhà mạng