Bài báo trình bày kỹ thuật giảm can nhiễu trong hệ thống thông tin di động sử dụng nhiều femto cell trong đó các trạm gốc được trang bị nhiều antenna phát phối hợp với nhau để truyền tín hiệu cho nhiều người sử dụng đồng thời.
Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Thiết kế phát phối hợp femtocell để giảm can nhiễu Lưu Hồng Tân Hà Hồng Kha Bộ Mơn Viễn Thông Khoa Điện-Điện Tử Đại Học Bách Khoa-Tp.HCM Email: luuhoangtan@gmail.com; hhkha@hcmut.edu.vn Tóm tắt—Bài báo trình bày kỹ thuật giảm can nhiễu hệ thống thông tin di động sử dụng nhiều femto cell trạm gốc trang bị nhiều antenna phát phối hợp với để truyền tín hiệu cho nhiều người sử dụng đồng thời Mơ hình kênh Winner II sử dụng để mơ kênh truyền vô tuyến theo thông số chuẩn LTE (Long-Term Evolution) Bài báo tập trung thiết kế vector mã hóa tuyến tính phát trạm gốc để tăng dung lượng hệ thống Các kết mô cung cấp để so sánh đánh giá hiệu kỹ thuật truyền phối hợp trạm gốc hệ thống nhiều femto cell Từ khóa—Giảm can nhiễu, xếp can nhiễu, femtocell, truyền phối hợp, MIMO I GIỚI THIỆU Mạng thông tin di động không ngừng phát triển trải qua công nghệ GSM (Global System for Mobile Communications), GPRS (General Packet Radio Service), WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), HSPA (High Speed Packet Access) để đáp ứng dịch vụ tốc độ cao Sự khan phổ tần số, giới hạn hiệu suất phổ công suất công nghệ kể dẫn đến đời hệ di động kế tiếp, 4G LTE [1] Được nghiên cứu 3GPP, kỹ thuật MIMO (Multiple-Input and Multiple-Output), OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing), SC-FDMA (Single-carrier FDMA) giúp LTE tận dụng tối đa tài nguyên đạt đến 300Mbps đường xuống 70Mbps đường lên [2] Cải thiện cường độ tín hiệu thu tăng dung lượng hệ thống vấn đề quan tâm hệ thống thơng di động nói chung LTE nói riêng Tăng cơng suất phát tăng tốc độ liệu người dùng cụ thể Tuy nhiên, nhìn tồn hệ thống, can nhiễu lớn lên theo đó, kết dung lượng tồn hệ thống không tối ưu Ứng dụng kết hợp femtocell CoMP (Coordinated Multi Point) giải pháp hiệu cộng đồng nghiên cứu ISBN: 978-604-67-0349-5 quan tâm Femtocell tăng cường độ tín hiệu máy thu không giải can nhiễu CoMP triệt tiêu tốt can nhiễu nhiên độ phức tạp tăng thuật toán tối ưu phức tạp với số lượng lớn người dùng Giải pháp kết hợp giúp khai thác mạnh khắc phục điểm yếu femtocell CoMP Sự liên kết lời giải cho toán LTE [3] Trong hệ thống di động trước đó, UE (User Equipment) phục vụ BS (Base Station) thời điểm Tín hiệu từ BS khác can nhiễu UE Khi UE di chuyển đến biên cell, giao tiếp với nhiều BS để chuẩn bị handover Đây lúc UE bị can nhiễu mạnh, tín hiệu mong muốn thấp kết tốc độ liệu thấp LTE CoMP chức phát triển cho LTE-Avanced bổ sung release-11 [4] Kỹ thuật cho phép truyền/nhận kết hợp BS nhằm cải thiện chất lượng cho người dùng việc sử dụng mạng tổng thể Kỹ thuật giảm ảnh hưởng can nhiễu thực truyền kênh trực giao phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access), phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) Gần đây, kỹ thuật xếp can nhiễu phát triển cho phép đạt tối đa bậc tự hệ thống [5] Khi trạng thái thông tin kênh CSI (Channel State Information) biết, kỹ thuật truyền phối hợp đa điểm nhiều liên kết eNB-UE (Evolved NodeB) xử lý để tính tốn vector điều khiển búp sóng nhằm triệt tiêu, hạn chế can nhiễu cell ICI (Inter-Cell Interference), nguyên nhân làm giảm chất lượng hệ thống Kỹ thuật gọi beamforming precoding Phối hợp đa điểm BS thực đường lên đường xuống Tuy nhiên, vấn đề quan tâm báo kỹ thuật truyền phối hợp đa điểm cho kênh đường xuống Như minh họa hình CoMP chia làm hai nhóm: 416 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) • • Coordinated scheduling/beamforming CS/CB: UE nhận liệu từ eNB Dữ liệu scheduling beamforming trao đổi eNB để phối hợp kiểm soát can nhiễu Joint transmission (JT): tín hiệu phát đến UE đồng thời từ số eNB nhằm tăng cường độ tín hiệu thu UE Cũng CS/CB, phương pháp chủ động triệt tiêu can nhiễu gây tín hiệu truyền đến UE khác thông qua việc trao đổi thông tin eNB JT CoMP đặt yêu cầu cao mạng backhaul Ngoài liệu điều khiển, liệu UE phải gửi đến eNodeB nhóm CoMP phục vụ cho UE Lưu lượng liệu mạng lớn tùy thuộc vào số lượng eNB Hình Hệ thống đa người dùng cho K x (n) = (Nt × 1) wk sk (n), (1) k=1 sk (n) tín hiệu phát cho người dùng thứ k wk vector beamforming tương ứng Giả sử công suất BS Pt , nghĩa E x (n) = Pt , wk = (2) Tín hiệu thu người dùng thứ i K yi = Hi wi si tín hiệu mong muốn Hình Joint transmission CS/CB CoMP + Hi wk sk + ni , k=1,k=i can nhiễu Bài báo tập trung khảo sát kỹ thuật beamforming phối hợp femtocell phương pháp khác Mơ hình xem xét báo gồm nhiều femtocell BS sử dụng nhiều antenna phục vụ nhiều người sử dụng UE, UE có antenna Bài báo phát triển giải thuật cho trường hợp kênh fading băng hẹp đến hệ thống băng rộng LTE có khai thác kỹ thuật OFDM Kết mô cho thấy kỹ thuật beamforming phối hợp tối đa tỷ số tín hiệu rò rỉ cộng nhiễu SLNR (Signal-to-Leakage plus Noise Ratio) cho tốc độ bit trung bình cao so với phương pháp zero-forcing maximum ratio transmission (3) Hi ma trận hệ số kênh truyền từ BS đến người dùng i, ni ∼ CN 0, σi2 nhiễu người dùng thứ i Kênh đường xuống phát quãng bá phục vụ nhiều UE lúc gây can nhiễu Giả sử trạng thái thông tin kênh hoàn hảo, thu sử dụng lọc phối hợp [6], hình II MƠ HÌNH VÀ GIẢI PHÁP Xét cell có nhiều người sử dụng hình 2, giả sử có K người dùng sử dụng đồng thời kênh tần số Mơ hình gọi kênh can nhiễu nhiều người sử dụng Giả sử BS trang bị Nt antenna user trang bị Nr antenna Tín hiệu phát BS ISBN: 978-604-67-0349-5 417 Hình Sơ đồ khối MU-MIMO Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Mơ hình femtocell Kt BS với BS có Nt antenna phát Kr người dùng người trang bị antenna thu xem xét hình Khi thực beamforming kết hợp, BSj gắn với hai vùng khái niệm Dj Cj [7] BSj phải biết ước lượng kênh tất người dùng vùng Cj Đối với người dùng ngồi phạm vi Cj , tín hiệu từ BSj tới khơng đáng kể xem phần nhiễu Cj vùng phối hợp can nhiễu BSj Đối với vùng liệu Dj ⊆ Cj , BSj phải phục vụ cho tất người dùng vùng Các vùng liệu vùng can nhiễu BS cluster CS/CB CoMP mơ tả hình BS phải hạn chế can nhiễu đến vùng liệu BS khác cluster Vùng can nhiễu BS trường hợp tồn khơng gian cluster, hình Ma trận can nhiễu user C1 = · · · = CKr = IKt Nt Hình Vùng liệu Dj vùng phối hợp can nhiễu Cj BSj Từ khái niệm vùng liệu vùng can nhiễu, ma trận liệu Dk ∈ C Kt Nt ×Kt Nt ma trận can nhiễu Ck ∈ C Kt Nt ×Kt Nt xây dựng cho người dùng thứ k sau: Dk1 INt , k ∈ Dj Dk = , Dkj = 0Nt , k ∈ / Dj DkKt (4) Ck1 Ck = , Ckj = CkKt IN t , k ∈ C j 0Nt , k ∈ / Cj (5) Ta có Hkj ∈ C 1×Nt (6) kênh truyền từ BS j đến M S k Khi đó, Hk = [Hk1 HkKt ] ∈ C 1×Kt Nt (7) ma trận kênh truyền từ tất BS đến người dùng thứ k Hk Dk Hk Ck kênh liệu kênh gây nhiễu cho M S k Tín hiệu thu M S k Kr yk = Hk Ck Di vi si + nk i=1 với (8) Hình Nhóm phối hợp beamforming Sau phân định vùng hoạt động, phải lựa chọn thuật tốn để tìm vector beamforming (precoding) Mục đích giải thuật beamforming kết hợp tìm giá trị beamformer làm cực đại SINR máy thu Có hai hướng để tìm giá trị precoding: Precoding phi tuyến mà tiêu biểu DPC (Dirty Paper Precoding) cho chất lượng tốt dù số lượng người dùng lớn [8] Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp phức tạp, khiến việc ứng dụng gặp nhiều khó khăn Trái ngược với đó, giải thuật precoding tuyến tính thực đơn giản song hiệu lại suy giảm nhanh số lượng người dùng hệ thống lớn [9] Trong hệ thống femtocell, số lượng người dùng khơng lớn (3-6 người/FBS) Các thuật tốn precoding tuyến tính phù hợp tính đơn giản, nhanh chóng việc tính tốn Sau đây, phương pháp thiết kế trọng số beamforming khác giới thiệu: A Phương pháp kết hợp tối đa (MRT: Maximum ratio transmission MRT) Beamforming dựa MRT giới thiệu [10] pkj nhằm cực đại SNR = 2k Hkjk wkjk máy thu thứ σk k Hkjk kênh truyền từ BSjk đến M Sk BSjk eNodeB phục vụ cho M Sk Vector beamforming 0(jk −1)Nt ×1 wi vi = 0(Kt −jk )Nt ×1 ISBN: 978-604-67-0349-5 (M RT ) wkjk 418 = HH kjk HH kjk (9) Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) B Zero-forcing beamforming ZFBF triệt tiêu hoàn toàn ICI máy thu Tuy nhiên giải pháp nhạy với can nhiễu khơng mơ hình hóa nguồn gây méo dạng khác ZFBF bị giới hạn số lượng anten datastream cho user theo (10) Trong số trường hợp, kết ZFBF dẫn đến SNR thấp bỏ qua công suất nhiễu q trình tính tốn beamformer Để tồn vector beamforming cho user k, wkjk , số lượng anten phát BS phải lớn tổng số anten thu Nt ≥ Kr Nr Hình Thơng số lớp vật lý LTE Bảng I THƠNG (10) Thông số Tần số Số lượng anten(Nt , Nr ) Mơi trường Bố trí mạng Băng thơng kênh truyền Tốc độ UE C Maximum signal-to-leakage plus noise ratio Vì hạn chế ZFBF, phải dựa vào tiêu chí khác để tìm beamformer Tiêu chí phải không bị ràng buộc (10) bao gồm nhiễu việc xác định beamformer Thuật tốn tìm beamformer để cực đại SLNR thõa mãn yêu cầu nêu Với SLNR định nghĩa SLNRk = σk ηj k Hkjk Ckjk wkjk + i=k σi2 Hkjk Cijk wkjk 2, (11) (SLNR) wkjk ηj = k ηj k Kr INjk + i=1 Kr INjk + Kr i=1 −1 HH kjk H CH ijk Hijk Hijk Cijk σi2 k=1 Kr số lượng người dùng hệ thống Mỗi UE sử dụng antenna thu 35 HH kjk SLNR−MAX ZF MRT 30 (12) Average Sum Rate [bpcu] Các công thức xem xét kênh fading phẳng Tuy nhiên, hệ thống LTE kênh fading chọn lọc tần số nên kỹ thuật OFDM áp dụng cho kênh đường xuống để chia tín hiệu thành nhiều băng hẹp truyền sóng mang Do đó, kỹ thuật beamforming trình bày phần áp dụng cho sóng mang tương ứng III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 25 20 15 10 Một hệ số kênh truyền tạo theo mơ hình WINNER [11] dựa thơng số LTE hình III Ví dụ 1: Đánh giá chất lượng kỹ thuật beamforming kết hợp theo SNR máy thu Thơng số mơ cho bảng I Vì ví dụ đánh giá theo SNR máy thu, ảnh hưởng suy hao đường truyền bỏ qua cách chuẩn hóa kênh truyền Trong q trình mơ phỏng, công suất nhiễu người dùng σk2 giả sử Hiệu kỹ thuật ISBN: 978-604-67-0349-5 log2 (1 + SINRk ) [bits/s/Hz] , (13) S = EH −1 H CH ijk Hijk Hijk Cijk σi2 Giả định 2GHz (4,1) WINNER C2 - đô thị HeNB, UE/HeNB 10 MHz 5km/h beamforming đánh giá hiệu suất phổ trung bình hệ thống Kết hình hiệu suất phổ theo SNR phương pháp Hiệu suất phổ cực đại theo Shannon tính sau [12]: với ηjk công suất phát BSjk , vector beamforming tìm SỐ MƠ PHỎNG CHUẨN HĨA CƠNG SUẤT THU −10 −5 10 15 20 25 30 Average SNR [dB] Hình So sánh hiệu suất phổ giải thuật CoMP Từ hình 7, ta quan sát MRT cho hiệu suất tốt SNR thấp, trái ngược hoàn toàn với ZFBF SLNR cho hiệu suất cao tồn dãy SNR Ví dụ 2: Beamforming kết hợp cực đại SLNR hệ thống femto cell Thông số hệ thống cho bảng 419 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) Bảng II NETWORK LAYOUT: BSs and BS Sectors, MSs and MS Directions 30 SỐ HỆ THỐNG FEMOCELL Thông số Tần số Số lượng anten(Nt , Nr ) Độ lợi anten HeNodeB Mơ hình kênh Công suất phát HeNB Băng thông kênh truyền Noise figure người dùng Mật độ công suất nhiễu UE antenna Tốc độ UE Giả định 2GHz (2,1) 2.16dBi (dipole nửa bước sóng) WINNER II A1 - nhà 20 dBm 10 MHz dB -174dBm/Hz Omnidirectional A (θ) = [dB] 5km/h UE HeNodeB 20 10 Cells area, Y[m] THÔNG −10 II Tiêu chí đánh giá dựa hiệu suất phổ trung bình hệ thống Vị trí phân bố người dùng hệ thống cho hình Ngồi liệu, tín hiệu điều khiển, lái, đồng khung trao đổi eNodeB UE Do đó, hiệu suất phổ theo Shannon phải hiệu chỉnh lại cho LTE [12] công thức (14) Các hệ số hiệu chỉnh tìm phương pháp điều chỉnh đường cong (curve fitting) −20 −30 −30 −20 −10 10 20 30 Cells area, X[m] Hình Femtocell layout Area sum rate CDF Kr BWeff × η × log2 + S = EH k=1 0.9 SINRk SNReff 0.8 (14) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 MRT SLNR−MAX 0.1 0 10 12 14 16 18 20 Average Sum Rate [bpcu] Hình 10 Hiệu suất phổ femtocell CoMP Hình Hệ số hiệu chỉnh BWef f × η, SN Ref f Trong ví dụ này, mơ hình hệ thống femto cell mơ tả hình Các vector hướng di chuyển người dùng hướng broadside dãy antenna FBS (Femto Base Station) Mỗi FBS phục vụ hai người dùng gần Kết mơ trình bày hình 10 Do điều kiện (10) không thõa mãn nên phương pháp ZFBF thực mơ hình Kết cho thấy ưu giải thuật beamforming kết hợp SLNR ISBN: 978-604-67-0349-5 IV KẾT LUẬN Bài báo trình bày mơ hình truyền phối hợp trạm gốc femtocell Các mô đánh giá hiệu suất phổ trung bình hệ thống femto cell dùng kỹ thuật khác thực Các kết mô cho thấy kỹ thuật phối hợp femto cell dùng phương pháp maximum signal-to-leakage plus noise ratio cải thiện đáng kể dung lượng hệ thống Tuy nhiên, mơ hình báo tập trung vào trường hợp kênh truyền hoàn hảo, vấn đề kênh truyền 420 Hội thảo quốc gia 2014 Điện tử, Truyền thông Công nghệ thông tin (ECIT2014) không hoàn hảo kỹ thuật đạt trạng thái thông tin kênh cần khảo sát thêm LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 102.04-2013.46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 4G Americas, “LTE: Long Term Evolution.” LTE introduction [2] D Cui, “LTE peak rates analysis,” in Wireless and Optical Communications Conference, 2009 WOCC 2009 18th Annual, pp 1–3, May 2009 [3] D Lopez-Perez, I Guvenc, G de la Roche, M Kountouris, T Quek, and J Zhang, “Enhanced intercell interference coordination challenges in heterogeneous networks,” Wireless Communications, IEEE, vol 18, pp 22–30, June 2011 [4] 3GPP TR 36.819, “Coordinated multi-point operation for lte physical layer aspects (release 11),” tech rep., 2013 [5] V Cadambe and S Jafar, “Interference alignment and degrees of freedom of the K -user interference channel,” IEEE Transactions on Information Theory, vol 54, pp 3425–3441, Aug 2008 ISBN: 978-604-67-0349-5 [6] M Sadek, A Tarighat, and A Sayed, “A leakage-based precoding scheme for downlink multi-user mimo channels,” Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol 6, pp 1711–1721, May 2007 [7] E Bjornson and E Jorswieck, Optimal Resource Allocation in Coordinated Multi-Cell Systems Foundations and Trends(r) in Communications and Information, Now Publishers Incorporated, 2013 [8] H Weingarten, Y Steinberg, and S Shamai, “The capacity region of the gaussian multiple-input multiple-output broadcast channel,” Information Theory, IEEE Transactions on, vol 52, pp 3936– 3964, Sept 2006 [9] D Gesbert, M Kountouris, R Heath, C.-B Chae, and T Salzer, “Shifting the mimo paradigm,” Signal Processing Magazine, IEEE, vol 24, pp 36–46, Sept 2007 [10] T K Y Lo, “Maximum ratio transmission,” Communications, IEEE Transactions on, vol 47, pp 1458–1461, Oct 1999 [11] P Kyosti, “WINNER II channel models,” Sept 2007 [12] P Mogensen, W Na, I Kovacs, F Frederiksen, A Pokhariyal, K Pedersen, T Kolding, K Hugl, and M Kuusela, “LTE capacity compared to the shannon bound,” in Vehicular Technology Conference, 2007 VTC2007-Spring IEEE 65th, pp 1234–1238, April 2007 421 ... Vùng can nhiễu BS trường hợp toàn khơng gian cluster, hình Ma trận can nhiễu user C1 = · · · = CKr = IKt Nt Hình Vùng liệu Dj vùng phối hợp can nhiễu Cj BSj Từ khái niệm vùng liệu vùng can nhiễu, ... phần nhiễu Cj vùng phối hợp can nhiễu BSj Đối với vùng liệu Dj ⊆ Cj , BSj phải phục vụ cho tất người dùng vùng Các vùng liệu vùng can nhiễu BS cluster CS/CB CoMP mơ tả hình BS phải hạn chế can nhiễu. .. đổi eNB để phối hợp kiểm soát can nhiễu Joint transmission (JT): tín hiệu phát đến UE đồng thời từ số eNB nhằm tăng cường độ tín hiệu thu UE Cũng CS/CB, phương pháp chủ động triệt tiêu can nhiễu