b. MetroNet cung cấp kết nối KTR Ethernet điểm tới đa điểm:
3.1.4Xác định vùng phủ cho Femtocell
3.1.4.1 Vị trí của tòa nhà trong mạng macro:
Để phân tích hiệu suất femtocell, điều quan trọng là phải xác định mô hình truyền sóng vô tuyến điện trong các môi trường femtocell điển hình. Có một phạm
vi rộng lớn của các biến đổi trong cách xây dựng và sắp xếp cho gia đình, từ khối dày đặc căn hộ với bê tông cốt thép và cửa sổ đã kim loại, trong đó sẽ làm gia tăng sự suy giảm tín hiệu truyền đáng kể.
Hình 3.4 Giao diện vô tuyến Femto/macrocell.
Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu với mục đích kiểm tra vùng phủ sóng và giao thoa kịch bản trong điều kiện chung đã sử dụng một mô hình khuyến cáo của ITU-R cho sự tổn hao đường truyền sóng giữa thiết bị đầu cuối trong nhà, được biết đến như ITU-R.Mô hình này giả định một mất mát tổng hợp thông qua các đồ nội thất, tường bên trong và cửa ra vào được đại diện bởi một tổn thất điện năng số mũ n mà phụ thuộc vào loại công trình (nhà ở, văn phòng, thương mại, vv).Do vậy
ITU-R cung cấp thực hiện đơn giản và khả năng khái quát qua một loạt các tòa nhà.
Hình dưới đây mô tả các bước tính toán vùng phủ sóng:
Hình 3.5 Qui trình tính toán bán kính vùng phủ sóng
3.1.4.2 Hiệu suất vùng phủ:
Thực hiện tốt vùng phủ được giải quyết bằng việc giới hạn mức suy hao đường tối đa cần thiết được bao phủ bởi mỗi femtocell bằng cách điều chỉnh mức công suất femtocell phù hợp. Mô hình mất đường truyền dẫn(bằng dB giữa các ăng- ten đẳng hướng) là:
Trong đó n là số mũ suy hao đường(Bảng 3.1) và Lf (nf) là sự mất mát thấm sàn, mà
thay đổi theo số tầng thâm nhập nf(Bảng 3.2).
Bảng 3.2 Bảng tổn hao truyền sóng theo tần số
Tần số(GHz) Môi trường truyền sóng
Khu dân cư Văn phòng Quảng bá
0.9 3.3 2.0
1.2-1.3 3.2 2.2
1.8-2.0 1.8 3.0 2.2
4.0 2.8 2.2
*60.0 2.2 1.7
*Tần số 60 GHz chỉ áp dụng trong một phòng đơn cho khoảng cách ít hơn 100m. Vị trí của tòa nhà trong mạng macro sẽ quyết định mức nhiễu đồng kênh (dựa theo bộ chỉ thị cường độ tín hiệu RSSI - Received signal strength indication) mà một femtocell phải vượt qua để cung cấp vùng phủ. Tại một công suất phát thì kích cỡ của vùng phục vụ của femtocell sẽ nhỏ hơn tại 1 macro cell-site (với mức RSSI lớn) so với tại một marco cell tại vị trí biên với mức RSSI thấp.
Bảng 3.3 Bảng tổn hao truyền sóng theo số tầng và số phòng
Tần số(GHz) Môi trường truyền sóng
Khu dân cư Văn phòng Quảng bá
0.9 9(01 tầng)
19(02 tầng) 24(03 tầng)
1.8-2.0 15+4(nf-1) 6+3(nf-1) Sự tổn hao tối đa cho đường truyền có thể chấp nhận được cho một kênh tín hiệu chất lượng (Ec/No)femto được tính bởi:
Trong đó:
Pmax: Công suất phát cực đại.
NEU: Công suất tín hiệu nhiễu thu được.
PCPICH: Tỷ trọng công suất của Femto trên các kênh. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mục tiêu của quá trình lập kế hoạch là để có được các điều kiện vô tuyến tốt nhất ở khắp nơi trong tòa nhà cho các UE có thể khởi tạo và duy trì các cuộc gọi thoại trong vùng phủ của femtocell. Thêm vào đó, các cuộc gọi yêu cầu các điều kiện vô tuyến đặc biệt tốt với tốc độ dữ liệu cao trong vùng phủ sóng mong muốn.
3.1.4.3 Xác định vùng phủ sóng
Các Femtocell trong ngôi nhà, mức độ tổn hao do các bức tường và sàn nhà là khá nhỏ, do đó, nó có thể cung cấp phủ sóng trong suốt cho một khu vực rộng lớn với năng lượng thấp. Người sử dụng femtocell được bảo vệ khỏi sự can thiệp từ các mạng macrocell bởi các bức tường bên ngoài của tòa nhà. Để tránh vùng chết có kích thước quá mức, các Femtocell được cho phép điều chỉnh công suất phát theo công suất phát của các Macrocell trong khu vực.
Nhưng câu hỏi đặt ra là để xem tín hiệu femtocell sau đó sẽ chiếm ưu thế hơn các macrocell bên trong các cơ sở đầy đủ để cung cấp một dịch vụ tốt. Sự mất mát liên quan đến phủ sóng femtocell trong sự hiện diện của macrocells có thể được thể hiện như sau:
Trong đó:
Lh là suy hao đường truyền giữa người sử dụng macrocell và femtocell (dB,
0 dBi anten thu giả định).
a: là tỷ lệ trung bình và công suất phát tối đa của Femtocell.
Pmax: là công suất tối đa của femtocell (đơn vị: w)
ACIR: là tỷ lệ nhiễu kênh lân cận (= 1 cho hoạt động đồng kênh)
RSCPbest_macro_CPICH là công suất của mã kênh nhận bởi người sử dụng từ macrocell mạnh(watts).
(Ec/No)femto: là tín hiệu yêu cầu tỷ lệ nhiễu cho các macrocell để đạt được chất lượng đầy đủ.
RSSI_macro là cường độ tín hiệu nhận tổng thể từ các macrocell (watt)
Đối với nơi có tín hiệu macrocell mạnh, yêu cầu về công suất phát femtocell có thể vượt quá khả năng tối đa của nó(thường là 10-20 dBm). Trong những tình huống này, giảm trong bán kính femtocell có thể chấp nhận được, hoặc bất kỳ người dùng macrocell ảnh hưởng có thể được giao cho một kênh rõ ràng của femtocell, tránh sự can thiệp vùng đất chết
Hình 3.6 Mối quan hệ công suất phát Femtocell và cuờng độ tín hiệu Macrocell
Femtocell phát công suất cần thiết để cung cấp một bán kính phủ sóng 20 m là hàm của cường độ tín hiệu macrocell, cùng với bán kính vùng chết liên quan cho người dùng macrocell trong nhà hoặc ngoài trời.
Các femtocell sẽ gửi một tin nhắn quảng bá cho điện thoại di động trong phủ sóng của mình để đảm bảo công suất phát tối đa cho là không bao giờ vượt quá. Khi người dùng rời khỏi phạm vi bao phủ femtocell, chúng do đó được ngăn chặn không
gây nhiễu đường lên quá mức cho macrocells và vùng phủ sóng Femtocell. Có
những hạn chế áp đặt bởi UL do sự phát sinh các vấn đề về sự gia tăng quá mức tối đa của suy hao đường được phục vụ bởi UE, ảnh hưởng tới đường lên macrocell, có khả năng làm mất cân bằng đường lên–đường xuống do sự khác biệt công suất truyền tải DL và tạp âm UL tăng tại các femtocell lân cận.
3.1.4.4 Các vấn đề lập kế hoạch mã PSC:
Mã PSC(Primary Scrambling Codes) được phân bổ cho femtocell thường bị giới hạn trong một tập nhỏ hơn nhiều (kích thước 4-10) so với tổng số 512 mã PSC. Điều này có thể là nguyên nhân gây ra va chạm giữa các mã PSC. Tự cấu hình của PSC dựa trên phép đo NLM xung quanh PSC làm giảm bớt vấn đề này đến một mức độ nhất định. Tuy nhiên tự cấu hình có thể gặp các vấn đề nút ẩn (một UE thấy các PSC xung đột nhưng NLM tại femtocell thì lại không thấy). Trong triển khai tại các tòa nhà, do sự hiện diện của nhiều femtocell nên cần ấn định một cách cẩn thận mã PSC để đảm bảo các PSC của femtocell lân cận không va chạm với nhau. Trong nội dung này chúng ta tạm giả định các mã PSC không va chạm nhau.
3.1.5 Nhiễu của femtocell.
Kiến trúc mạng mới sẽ được cấu thành từ hai lớp phân biệt rõ ràng: Lớp macrocell truyền thống và lớp femtocell; trong đó các cell nhỏ (femtocell) có thể được triển khai một cách ngẫu nhiên bên trong vùng phủ địa lý của macrocell và dùng chung tài nguyên tần số với macrocell bao phủ. Một mạng như thế gọi là mạng hai lớp hay mạng hai tầng. Việc sử dụng femtocell sẽ làm tăng hiệu suất sử dụng phổ, mở rộng vùng phủ cũng như nâng cao chất lượng phủ sóng tại những nơi mà macrocell không thể phủ tới hoặc có chất lượng thấp - như trong các văn phòng
sâu trong các tòa nhà, các đường hầm hay tại biên của macrocell. Tuy nhiên, việc dùng chung tài nguyên tần số và tính ngẫu nhiên của việc lắp đặt femtocell bên trong macrocell sẽ làm vấn đề can nhiễu trở nên phức tạp hơn nhiều so với cấu hình mạng chỉ có một lớp cell.Bên cạnh can nhiễu giữa các phần tử trong nội tại mỗi lớp mạng (nhiễu đồng lớp) còn có can nhiễu giữa các phần tử thuộc các lớp mạng khác nhau (nhiễu xuyên lớp).
Hình 3.7 Mô hình mạng hai lớp macrocell và femtocell điển hình
Do các cell trong lớp macrocell được triển khai bởi nhà khai thác nên can nhiễu đồng lớp macrocell được giải quyết bằng quá trình quy hoạch, trong đó đã xác định vị trí trạm gốc, góc phương vị/độ nghiêng của anten, tần số sóng mang sử dụng,v.v... sao cho mức độ gây nhiễu là thấp nhất. Còn trong lớp femtocell, các femtocell được triển khai ngẫu nhiên không theo quy hoạch của nhà khai thác mà theo nhu cầu của người sử dụng nên diễn biến của can nhiễu đồng lớp femtocell phức tạp và khó kiểm soát hơn nhiều so với lớp macrocell. Bài báo này phân tích tác động của nhiễu đồng lớp đối với các femtocell và người dùng femtocell, đồng thời đưa ra một số giải pháp khắc phục.
3.1.5.1 Các vấn đề do nhiễu đồng lớp Femtocell gây ra.
Nhiễu đồng lớp được mô tả như một tín hiệu không mong muốn thu được tại một femtocell nào đó do các femtocell khác phát ra, làm chất lượng truyền thông của femtocell đó giảm đi.
Nhiễu đồng lớp femtocell xuất hiện chủ yếu giữa những người dùng femtocell ở sát cạnh nhau do sự cách li kém giữa các ngôi nhà và các căn hộ.
Hình 3.8 Các vấn đề chính gây ra bởi nhiễn đồng lớp femtocell (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mặt khác, femtocell có thể được triển khai theo chế độ truy nhập nhóm thuê bao đóng (CSG – Closed Subscriber Group, trong đó chỉ các thuê bao đã được đăng ký trong danh sách mới được phép truy nhập tới FAP), hoặc theo chế độ truy nhập mở (trong đó tất cả các UE đều có thể truy nhập tới FAP), nên ảnh hưởng của nhiễu đồng lớp cũng sẽ khác nhau tùy theo phương pháp truy nhập.
Hình 3.9 Các vùng phủ đường xuống nếu CINR>10dB cho mỗi kênh con
Ở đường lên, với công nghệ CDMA, nhiễu đồng lớp sẽ làm gia tăng mức nhiễu tại FAP (Femtocell Access Point – Điểm truy nhập femtocell). Với công nghệ OFDMA thì nhiễu đồng lớp có thể gây nhiễu xuyên sóng mang tại vị trí FAP.
Ở đường xuống, nhiễu đồng lớp làm gia tăng mức nhiễu tại vị trí các UE femtocell. Một vấn đề đặc biệt nghiêm trọng ở đường xuống là việc xuất hiện các vùng chết, dẫn đến việc không thể thực hiện giao tiếp qua bất kỳ femtocell nào.
Vùng chết (dead zone) – là vùng không thể thực hiện được giao tiếp do có giá trị tỉ số sóng mang trên nhiễu và tạp âm CINR (Carrier to Interference and Noise
Ratio) quá thấp do mức can nhiễu cao, đây là khái niệm hoàn toàn khác với khái
niệm lỗ trống vùng phủ (coverage hole), là vùng có CINR thấp do mất đường truyền, khiến cho UE không thể truy nhập vào mạng).
Với hệ thống OFDMA, các vùng chết được nhìn nhận khác nhau bởi mỗi người sử dụng, tùy vào việc ấn định các kênh con (các kênh này có thể khác nhau giữa các femtocell khác nhau). Một người sử dụng femtocell OFDMA có thể nhận biết một vùng chết với một số kênh con nào đó, trong khi các kênh con còn lại thì
không. Điều này được minh họa trong Hình 3.9.
Vùng xám trong Hình 3.9(a) miêu tả các vùng có CINRHình 3.9(b) chỉ ra
các vùng có CINR. Hình 3.9(c) rõ ràng rằng kích thước của các vùng mà tại đó tất
cả các kênh con OFDMA đều bị can nhiễu nhỏ hơn nhiều so với các vùng chết đối với các kênh con riêng biệt. Đó là kết quả của việc chia nhỏ phổ sử dụng thành các kênh con, nhờ vậy giảm kích thước các vùng chết. Nếu tại một thời điểm nào đó mỗi femtocell sử dụng ít hơn 4 kênh con, thì số vùng chết cũng sẽ giảm đi. Trong các hệ thống OFDMA, thời gian cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc hạn chế nhiễu do việc ấn định các kênh con là khác nhau với các yêu cầu QoS khác nhau. Vì vậy, khả năng hai kênh con được sử dụng đồng thời sẽ còn giảm can nhiễu hơn nữa.
Vùng phủ kết hợp. Trong vùng màu đen, tất cả các kênh con OFDMA phải chịu CINR<10dB.
Với hệ thống song công theo thời gian TDD, tùy theo loại nguồn tín hiệu gây nhiễu (các FAP ở đường xuống hay các UE ở đường lên), các giải pháp được sử dụng để đối phó với nhiễu sẽ khác nhau. Nếu tất cả các femtocell ở trong cùng một khu vực được đồng bộ hóa (nghĩa là các chu kỳ đường xuống bắt đầu đồng thời về mặt thời gian), thì các tác nhân gây nhiễu cho một người sử dụng femtocell chính là các FAP lân cận (ở đường xuống). Điều này có nghĩa là một FAP sẽ chỉ gây nhiễu cho các UE của các femtocell lân cận ở đường xuống. Ở đường lên cũng tương tự. Nếu các chu kỳ đường lên của các femtocell đóng được đồng bộ với nhau, thì người dùng femtocell sẽ là các nguồn nhiễu và do đó, việc truyền dẫn từ một người dùng femtocell sẽ được xem là can nhiễu với đường lên của các FAP lân cận.
Trong trường hợp không có đồng bộ giữa các femtocell thì không thể xác định được nguồn gây nhiễu trong TDD. Các chu kì đường lên và đường xuống của các femtocell sẽ chồng lấn lên nhau và tạo ra nguồn gây nhiễu hỗn tạp (gồm các FAP và các UE). Theo cách này, tín hiệu của các femtocell kề cận sẽ tràn vào các khe thời gian của nhau khiến cho việc kiểm soát lỗi trở nên khó khăn hơn. Do đó việc định thời chính xác là một đặc tính quan trọng của các FAP dựa trên TDD, vì việc đồng bộ đồng hồ giữa các FAP khác nhau được cho là sẽ giảm nhiễu. Dù vậy, việc đồng bộ chính xác cho các FAP không phải là một nhiệm vụ đơn giản.
3.1.5.2 Các giải pháp khắc phục nhiễu đồng lớp femtocell
Các giải pháp khắc phục nhiễu đồng lớp được tổng hợp trong Hình 3.10.
Hình 3.10 Các giải pháp chống nhiễu đồng lớp
a. Giải pháp cho đường lên
Ở đường lên, các UE femtocell là các tác nhân gây nhiễu (nguồn nhiễu) và các FAP lân cận là các hệ thống nạn nhân.
Đường lên CDMA. Với một femtocell fa nào đó, tác nhân nhiễu trực tiếp là các UE của các femtocell lân cận do fa thường bị vây quanh bởi nhiều tác nhân nhiễu và chỉ ngăn cách với chúng bởi các bức tường mỏng. Nếu các UE này phát với mức công suất cao như được yêu cầu bởi femtocell của chúng thì sẽ khiến cho vùng phủ của femtocell nạn nhân sẽ bị thu hẹp. Để đối phó với vấn đề này, các kỹ thuật kiểm soát nhiễu được sử dụng giúp khắc phục can nhiễu do các femtocell gây ra cho nhau.
Giải pháp đầu tiên là áp đặt các giới hạn về công suất cho các UE femtocell, nghĩa là các femtocell không được phát ra công suất lớn hơn một mức ngưỡng nào đó. Theo cách này, mức tăng tạp âm trên đường lên của các femtocell lân cận có thể được kiểm soát. Cách thức chọn mức công suất phát như sau: tại một
femtocell fa nào đó, FAP quét các băng truyền dẫn và tập hợp thông tin về công
suất thu được từ các UE ở các femtocell lân cận. Công suất phát cực đại của các UE sau đó có thể được lựa chọn một cách độc lập bởi femtocell fa, công suất đó được đưa vào tính toán cùng công suất nhận được từ các femtocell khác, nghĩa là công suất của các UE sẽ được thiết lập để đạt được giá trị CINR mong muốn cho một dịch vụ nào đó tại FAP.
Giải pháp thứ hai là thực hiện điều khiển công suất cho các UE femtocell. Căn cứ vào khoảng cách từ FAP tới UE và điều kiện kênh truyền cũng như xét đến mức độ gây nhiễu của UE cho FAP lân cận, femtocell sẽ ra lệnh cho UE femtocell phát tín hiệu với mức công suất hợp lý.
Nếu triển khai dùng kênh riêng, nghĩa là lớp macrocell và femtocell khai thác các dải tần số khác nhau trong vốn tài nguyên tần số của nhà khai thác (khi đó không có tín hiệu macrocell ở cùng dải tần để đưa ra một tham chiếu cho mức nhiễu), thì độ nhạy của máy thu của FAP phải được thiết kế hết sức cẩn thận để có khả năng phát hiện nhiễu đường lên hiệu quả và đáng tin cậy.
Đường lên OFDMA. Trong các femtocell OFDMA, tùy thuộc vào QoS đường lên được yêu cầu, một người dùng nào đó chỉ sử dụng một số kênh con OFDMA. Do đó người dùng để cho FAP xác định các kênh con nào phải chịu can nhiễu và các kênh con nào không. Cụ thể ở Hình 5 đưa ra một tình huống trong đó người dùng 2 đi vào trong vùng phủ chồng lấn của femtocell của nó (f2) và