CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN KỸ THUẬT OFDM VÀ OFDMA
3.2 Công nghệ điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào tăng cƣờng
3.2.2 Kỹ thuật dùng khung con gần nhƣ trống ABS
Nhƣ đề cập trong phần trƣớc, ICIC cho phép các ngƣời dùng biên cell dùng tài nguyên tần số khác nhau để liên lạc bằng cách các trạm cơ sở cạnh nhau trao đổi thông tin can nhiễu với trạm cơ sở khác qua giao diện X2. Điều này đạt đƣợc hiệu quả giảm can nhiễu giữa các macro cell cơ bản trong mạng đồng nhất nhƣng gây can nhiễu giữa các kênh điều khiển trong mạng hỗn hợp HetNet.
Khi một trạm cơ sở liên lạc với một ngƣời dùng, một khung con đƣờng xuống DL (downlink) độ dài 1ms bao gồm 2 chu kỳ, một cho việc phát kênh điều khiển, chu kỳ còn lại cho việc phát kênh dữ liệu. Thông tin tài nguyên phân phát tới ngƣời dùng đƣợc phân phối thông qua kênh vật lý điều khiển đƣờng xuống PDCCH (Physical Downlink Control Channel) còn dữ liệu đƣợc truyền trên kênh vật lý chia sẻ đƣờng xuông PDSCH (Physical Downlink Shared Channel). Điều này có nghĩa kênh điều khiển không đƣợc phân phát thông qua các khoảng tần số khác nhau (giống kênh dữ liệu) nhƣng lại đƣợc phân bố trên toàn bộ băng thông kênh rồi sau đó đƣợc phân phát đi. Điều này có thể gây cho ngƣời dùng trong các cell cạnh nhau chia sẻ tài nguyên tần số giống nhau.
Hình 3.9 Kênh điều khiển (PDCCH) và kênh dữ liệu (PDSCH) [15] Trong một mạng đồng nhất, việc này không phải là vấn đề lớn bởi vì không có nhiều sự khác biệt về công suất phát Tx của các trạm cơ sở trong các các tế bào, vì thế không nhiễu giữa các kênh không lớn. Mặt khác, trong mạng hỗn hợp, một macro cell có công suất Tx cao hơn một small cell, kênh điều khiển của small cell chắc chắn bị ảnh hƣởng bởi kênh điều khiển của macro cell, làm cho eICIC áp dụng hiệu quả cho kênh dữ liệu.
Vấn đề với ICIC đƣợc giải quyết bằng cách các cell dùng tài nguyên vô tuyến trong thời gian khác nhau.
Nhƣ hình 3.10 ở trên, trong mạng hỗn hợp, ICIC không thể ngăn chặn hoàn toàn thông tin điều khiển của các ngƣời dùng trong một small cell từ can nhiễu đáng kể với macro cell cạnh nó. Để tránh can nhiễu giữa các cell này, ICIC ảnh hƣởng thông qua việc phối hợp giữa các cell có thể đạt đƣợc thông qua lợi dụng miền thời gian thay vì miền tần số. Đó là lý do tại sao eICIC đƣợc giới thiệu. Ý tƣởng cơ bản của eICIC là nó cho phép một macro cell và small cell cạnh nó cung cấp dữ liệu, từng khung con một bằng cách dùng khoảng thời gian khác nhau. Vì vậy, khi liên lạc với các ngƣời dùng biên cell, small cell dùng các khung con không đƣợc dùng cho macro cell cạnh nó, tránh can nhiễu bởi macro cell. Tất nhiên, khi liên lạc với các ngƣời dùng ở trung tâm cell, small cell có thể dùng bất cứ khung con nào có sẵn cho dù macro cell có đang cung cấp dữ liệu hay không tại thời điểm đó.
Hình 3.11 ICIC và eICIC [15]
Một khung con không mang dữ liệu đƣợc gọi là khung con hầu nhƣ trống ABS, bởi vì rõ ràng hầu nhƣ không có bất cứ thông tin nào đƣợc chứa trong khung con. Các khung con ABS mang thông tin điều khiển công suất nhỏ nhất và do đó nhiễu gây bởi tín hiệu điều khiển có thể đƣợc giảm đi.
Sự hoạt động của eICIC: phân phối thông tin thành phần ABS qua giao diện X2
Một trạm cơ sở và ngƣời dùng trao đổi dữ liệu trong khung vô tuyến và một khung vô tuyến bao gồm 10 khung con. Việc quyết định bao nhiêu khung con trong khung vô tuyến đƣợc dựa trên tải thông lƣợng và chính sách của nhà
mạng. Trong hình 3.12 bên dƣới, một trạm cơ sở macro cell quyết định các khung con sẽ mang dữ liệu (0) và những khung con sẽ không mang dữ liệu (1), và sau đó lƣu nó nhƣ thông tin mẫu ABS (ví dụ “0011000110”). Sau đó, nó chuẩn bị một bản tin thông tin tải và gửi nó tới một trạm cơ sở small cell qua giao diện X2. Dựa trên thông tin nhận đƣợc, small cell tìm hiểu kiểu các khung con đƣợc dùng bởi macro cell và phân phối dữ liệu tới các ngƣời dùng biên cell chỉ thông qua các khung con ABS.
Hình 3.12 ABS: ngƣời dung macro cell và small cell biên cell [15]
3.2.3 Sự kết hợp sóng mang (Carrier Aggregation) với lập lịch chéo sóng mang (cross-carrier scheduling) trong LTE-A
Việc kết hợp sóng mang là một trong những tính năng quan trọng nhất của LTE-A phiên bản 10 để tăng tổng băng thông có sẵn cho UE và do đó đạt đƣợc tốc độ bit tối đa. Mỗi sóng mang kết hợp gọi là một sóng mang thành phần CC (Component Carrier). Sóng mang thành phần có thể có băng thông 1,4; 3, 5; 10; 15MHz hoặc 20 MHz và tối đa là năm lần sóng mang thành phần có thể đƣợc tổng hợp, do đó băng thông kết hợp tối đa là 100 MHz. Nếu trong LTE R8/9, UE chỉ sử dụng đƣợc một số sóng mang thành phần thì trong LTE-A phiên bản 10, với kỹ thuật kết hợp sóng mang, UE có thể đƣợc phân bổ tài nguyên trên tất cả các sóng mang thành phần.
Hình 3.13 Kết hợp sóng mang [9]
Kết hợp sóng mang không chỉ cho phép phân bổ tài nguyên giữa các sóng mang mà nó còn cho phép lập lịch dựa trên chuyển đổi nhanh chóng giữa các sóng mang mà không cần tốn nhiều thời gian chuyển giao. Lập lịch chéo sóng mang CCS (Cross Carrier Schelduling) có thể sử dụng kênh điều khiển vật lý đƣờng xuống (PDCCH) của một trong các sóng mang thành phần CC để sắp xếp các UE trên kênh chia sẻ vật lý đƣờng xuống (PDSCH). Sóng mang thành phần chính là tế bào cung cấp các thông tin điều khiển đến UE, kênh điều khiển gắn vào đầu của một khung con (hình 3.14).
Hình 3.14 Lập lịch chéo sóng mang [9]
Lập lịch chéo sóng mang là một tính năng quan trọng trong các mạng không đồng nhất. Sử dụng lập lịch chéo sóng mang có thể để ánh xạ (map) các kênh điều khiển vật lý đƣờng xuống DL (PDCCH) trên các sóng mang thành phần khác nhau trong macro cell và small cell. PDCCH mang thông tin điều khiển đƣờng xuống DCI (Downlink Control Information) với thông tin lập lịch gửi tới các UE ở biên tế bào, PDCCH có thể đƣợc truyền đi với công suất cao hơn so với các kênh lƣu lƣợng. Do đó, sử dụng các sóng mang khác nhau cho PDCCH trong các macro cell và small cell làm giảm nguy cơ can nhiễu PDCCH.
Trong hình 3.15 dƣới đây, là một ví dụ điển hình đối với kết hợp sóng mang với lập lịch chéo sóng mang 2 thành phần sóng mang đƣợc dùng, cả hai có độ
rộng 6 khối tài nguyên vật lý PRB. Sóng mang thành phần mầu xanh blue từ macro-eBN đƣợc dùng nhƣ sóng mang thành phần chính PCC, sóng mang thành phần màu xanh green đƣợc dùng nhƣ sóng mang thành phần thứ hai SCC. Sóng mang thành phần chính PCC với kênh điều khiển vật lý đƣờng xuống có công suất phát cao hơn sóng mang thành phần thứ 2 SCC do đó cell phục vụ chính lớn hơn cell phuc vụ thứ 2. Trạm cơ sở BS trong small cell dùng sóng mang màu xanh green nhƣ là sóng mang thành phần chính PCC còn sóng mang màu xanh blue nhƣ sóng mang thành phần thứ 2 SCC, cả 2 đƣợc phát với cùng công suất nhƣng sự mở rộng cell CRE đƣợc dùng cho sóng mang thành phần chính màu xanh green PCC. Khu vực màu đỏ đƣợc chỉ định dùng cho kênh điều khiển vật lý đƣờng xuống PDCCH mang thông tin điều khiển đƣờng xuống DCI.
Dùng lập lịch chéo sóng mang, việc lập lịch và phân bổ tài nguyên là không cần thiết trên các sóng mang giống nhau. Sóng mang thành phần trên tài nguyên đƣợc phân bổ đƣợc chỉ định thông qua trƣờng chỉ định sóng mang CIF đƣợc chứa trong thông tin điều khiển đƣờng xuống DCI. Lƣu ý những ngƣời dùng mà không hỗ trợ tổng hợp sóng mang CA, nhƣ là ngƣời dùng trong phiên bản 8 LTE chỉ có thể đƣợc lập lịch tài nguyên trên cùng sóng mang.
3.2.4 Sự mở rộng cell
Việc trộn lẫn các kích thƣớc cell và tạo ra một mạng hỗn hợp sẽ làm tăng thêm tính phức tạp trong quy hoạch mạng lƣới. Trong một mạng lƣới (LTE) mà hệ số tái sử dụng tần số là 1, thƣờng các UE sẽ gắn với tín hiệu đƣờng xuống nhận đƣợc mạnh nhất SSDL (strongest received DL signal), do đó đƣờng biên giữa 2 tế bào là tại điểm mà SSDL là nhƣ nhau trong cả 2 tế bào. Trong các mạng đồng nhất, điều này cũng thƣờng trùng với các điểm suy hao đƣờng truyền đƣờng lên (path loss for the UL (PLUL) là giống nhau trong cả hai tế bào. Trong một mạng hỗn hợp, với các nút công suất cao trong các tế bào lớn và các nút công suất thấp trong các small cell nên điểm có SSDL tƣơng đƣơng sẽ không hẳn tƣơng đƣơng về PLUL. Điểm có PLUL tƣơng đƣơng gần macro-cell hơn điểm có SSDL tƣơng đƣơng. Nhƣ vậy đƣờng biên ranh giới phục vụ ngƣời dùng giữa macro cell và small cell đƣợc thiết lập theo điểm có SSDL tƣơng đƣơng.
Một vấn đề quan trọng trong quy hoạch mạng lƣới không đồng nhất là đảm bảo các small cell thực sự phục vụ đủ ngƣời sử dụng. Một cách để làm điều đó là tăng vùng phục vụ của các small cell, điều này có thể đƣợc thực hiện thông qua việc sử dụng một sự lựa chọn tế bào tích cực bù đắp cho SSDL của small cell. Điều này đƣợc gọi sự mở rộng phạm vi tế bào (Cell Range Extension CRE). Xem 3.16, với CRE , kích cỡ của small cell đƣợc tăng lên thông qua việc sử dụng độ lệch offset độ mạnh tín hiệu đƣờng xuống DL (singnal strength offset). UE màu xanh lá cây trong vùng CRE có màu xám sẽ đƣợc phục vụ bởi small cell BS và nó có khả năng đƣờng lên tốt nhất, tuy nhiên khả năng đƣờng xuống không phải là tốt nhất.
Hình 3.16 Sự mở rộng cell [6]
Một tác động tiêu cực của việc này là sự can nhiễu tăng trên đƣờng xuống DL của các UE nằm trong khu vực CRE và phục vụ bởi các trạm gốc trong các
small cell. Điều này có thể ảnh hƣởng đến việc tiếp nhận của các kênh điều khiển DL nói riêng.
3.2.5 Phối hợp đa điểm (CoMP – Coordinated Multi Point)
Một cách để đảm bảo rằng một UE dùng cà sóng mang đƣờng lên và đƣờng xuống tốt nhất trong mạng hỗn hợp là dùng phối hợp đa điểm đƣợc giới thiệu trong LTE phiên bản 11. Với phối hợp đa điểm một số điểm phát/điểm thu (ví dụ nhƣ các eNB, RN) có thể đƣợc phối hợp để cung cấp dịch vụ cho một UE, ví dụ nhƣ dữ liệu đƣợc truyền tại cùng một thời điểm, cùng PRB từ nhiều hơn một điểm phát tới một UE, hoặc dữ liệu có thể nhận đƣợc một trạm thu trong một khung con và từ trạm phát khác trong khung con tiếp theo. Kết hợp đa điểm có thể đƣợc dùng cho cả đƣờng xuống và đƣờng lên. Khi kết hợp đa điểm đƣợc dùng trong một mạng hỗn hợp, một số macro cell và small cell có thể liên quan trong việc truyền dữ liệu tới một UE. Đặc biệt có ích trong mạng hỗn hợp là có thể dùng cho một UE trong vùng mở rộng cell với đƣờng lên tốt nhất trong small cell và đƣờng xuống tốt nhất trong macro cell, nhƣ hình 3.17. Tuy nhiên điều này yêu cầu macro eNB và trạm cơ sở trong small cell là đƣợc đồng bộ và hầu nhƣ nó sẽ yêu cầu một sự kết hợp macro eNB với các RRH trong small cell.
Hình 3.17 Phối hợp đa điểm CoMP [6]
3.3 Kết luận
Tại chƣơng này, chúng ta đã tìm hiểu, nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu giữa các tế bào ICIC. Trong mạng LTE (phiên bản 8 và 9) các kỹ thuật ICIC đƣợc xem xét nhƣ phân chia tái sử dụng tần số cứng, phân chia tái sử dụng tần số phân số, phân chia tái sử dụng tần số mềm cùng với hoạt đồng phối hợp giữa các eNB qua giao diện X2. Đến phiên bản 10 của LTE hay gọi là LTE-A, các kỹ thuật eICIC đƣợc nghiên cứu trình bày nhƣ sử dụng khung gần
nhƣ trống chia sẻ dung lƣợng trong miền thời gian, kỹ thuật tổng hợp sóng mang kết hợp với lập lịch song mang chéo. Trong chƣơng này, các kỹ thuật mở rộng tế bào (CRE) hay phối hợp đa điểm (CoMP) nhằm giảm can nhiễu giữa các tế bào đƣợc giới thiệu trong phiên bản 11 của LTE cũng đƣợc đề cập cơ bản.
CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ KỊCH BẢN GIẢM NHIỄU GIỮA CÁC TẾ BÀO
Mạng LTE hiện nay đã và đang tiếp tục phát triển rộng khắp trên toàn thế giới. Tính đến quý 2/2015, có 638 nhà mạng tại 181 quốc gia lựa chọn công nghệ LTE, trong đó có 422 nhà mạng đã triển khai thƣơng mại tại 143 quốc gia. Tính đến quý 1/2015, có 635 triệu thuê bao mạng LTE/LTE-A. Các con số này đang tiếp tục tăng lên.
Mạng LTE hƣớng đến cung cấp cho ngƣời dùng các dịch vụ, tiện ích có tốc độ dữ liệu lớn, thời gian thực. Để đáp ứng đƣợc điều đó, một trong những yêu cầu chính cho mạng truy cập là hiệu quả sử dụng phổ tần cao cũng nhƣ sự linh hoạt trong tần số và băng thông. Với cấu hình của mạng LTE sử dụng hệ số tái sử dụng tần số là 1, tần số sóng mang trên các cell là nhƣ nhau nhằm tận dụng tài nguyên vô tuyến thì một trong những nguy cơ lớn nhất làm giảm thông lƣợng hệ thống đó là can nhiễu giữa các tế bào. Nhiễu gây nên khi ngƣời dùng trong các cell khác nhau dùng chung tài nguyên tần số tại cùng thời điểm.
Trên cơ sở lý thuyết cơ bản, các khả năng can nhiễu cũng nhƣ kỹ thuật giảm can nhiễu giữa các tế bào trong hệ thống LTE đƣợc xem xét ở các chƣơng trƣớc; trong chƣơng này, chúng ta sẽ mô phỏng và đánh giá kết quả kỹ thuật điều khiển giảm can nhiễu với 2 kịch bản đó là chống nhiễu kênh ngƣợc đƣờng lên dùng kỹ thuật ICIC phân chia tần số (trong LTE) và kịch bản chống nhiễu kênh xuôi đƣờng xuống dùng kỹ thuật eICIC với khung con trống phân chia theo thời gian (trong LTE-A), từ đó đánh giá hiệu quả giảm can nhiễu đạt đƣợc.
Nhƣ đã đề cập ở chƣơng 3, kỹ thuật mở rộng tế bào (CRE) hay kỹ thuật phối hợp đã điểm nhằm giảm can nhiễu giữa các tế bào đƣợc giới thiệu trong LTE-A (phiên bản 11 và các phiên bản tiếp theo) mới đƣợc đề cập cơ bản và do giới hạn phạm vi đề tài nên tại chƣơng 4 này chƣa đƣợc mô phỏng đánh giá các kỹ thuật này. Có thể xem đây là hƣớng nghiên cứu, tìm hiểu tiếp cận tiếp theo của Luân văn.
4.1 Mô tả kịch bản và thuật toán
4.1.1 Kịch bản I: Hai trạm cơ sở hợp tác chống nhiễu kênh ngƣợc đƣờng lên đƣờng lên
- Giải thiết các cell có kích thƣớc tƣơng đƣơng (mạng đồng nhất trong mạng LTE).
tròn với công suất phát cố định, nếu 2 máy di động trên 2 cell cạnh nhau có tần số đƣờng lên uplink giống nhau, có khoảng cách xấp xỉ nhau đến một trong hai trạm cơ sở thì trạm cơ sở đó sẽ chịu nhiễu nặng.
- Giải pháp: So sánh khoảng cách từ 2 máy di động trên 2 cell cạnh nhau tới trạm cơ sở, 2 máy nào có hiệu khoảng cách tới một trạm cơ sở là nhỏ nhất sẽ đƣợc phân 2 tần số khác nhau nhằm tránh gây can nhiễu nặng cho trạm cơ sở đó.
- Cơ sở lý thuyết:
Theo Định luật Shannon:
C = W*log2 (1+ S/N)
Trong đó: C: dung lƣợng kênh truyền (b/s) W: băng thông của kênh (Hz)
S: công suất của tín hiê ̣u đƣợc truyền đi (W) N: công suất của nhiễu (W)
S/N: tỉ số tín hiệu / nhiễu (dB)
Đánh giá ảnh hƣởng can nhiễu cùng tần số do việc sử dụng lại kênh truyền, công thức suy giảm sóng điện từ khi lan truyền:
P(d) = P0*(d/d0)-n
Trong đó: P0: công suất sóng điện từ tham chiếu ở khoảng cách d0 P(d): công suất sóng điện từ ở khoảng cách d so với điểm phát
n: là số mũ suy giảm sóng điện từ (chỉ số này phụ thuộc vào môi trƣờng truyền sóng)
Xét mô hình giữa điểm phát T và điểm thu R không có vật cản. Từ tính