2.1.1. Các động lực triển khai trạm lặp
độ truyền dẫn dữ liệu tại giao diện vô tuyến được mong đợi là gấp 10 lần so với tốc độ của hệ thống 3G hiện nay. Để đáp ứng được yêu cầu về tốc độ truyền dẫn cao thì một trong những giải pháp là dùng các chùm tín hiệu điều chế tốc độ cao. Ví dụ các chùm tín hiệu điều chế 16-QAM đã được đề xuất sử dụng trong các tiêu chuẩn 3G ở cả 3GPP và 3GPP2, trong chuẩn di động WiMAX, chùm tín hiệu điều chế 64-QAM cũng được sử dụng với mục đích cung cấp dịch vụ vô tuyến băng rộng. Tuy nhiên, nếu duy trì mức công suất phát ngang bằng với công suất sử dụng ở những chùm tín hiệu mật độ thấp thì khoảng cách cực tiểu giữa hai điểm tín hiệu trên chùm tín hiệu sẽ giảm. Điều đó đồng nghĩa với việc tỷ lệ lỗi tín hiệu sẽ tăng lên hay nói khác đi để đảm bảo chất lượng dịch vụ (BER), các máy phát phải tăng công suất. Việc tăng công suất trong mạng thông tin di động sẽ khó khăn đối với máy đầu cuối vô tuyến vì các máy đầu cuối vô tuyến như: cell phone, PDA sử dụng pin làm nguồn nuôi, công suất phát tăng sẽ rút ngắn thời gian sử dụng pin của những thiết bị này.
Mặt khác, các dải tần số như 850, 900, 1800, 1900 MHz hoặc thậm chí dải tần 2 GHz đã được các mạng di động GSM, WCDMA, cdma2000 sử dụng. Do đó, chắc chắn rằng dải tần số phân bố cho 4G sẽ nằm bên trên dải 2 GHz của hệ thống 3G hiện nay. Suy hao truyền dẫn trong điều kiện che chắn ở dải tần này là rất lớn. Đây cũng là một lý do dẫn đến việc tăng công suất phát nếu như vùng phủ sóng vẫn phải được duy trì.
Để giải quyết hai khó khăn trên thông thường người ta dùng giải pháp thu nhỏ kích thước cell và tăng mật độ các trạm thu phát gốc như ở hình 2.1(a). Tuy vậy, nhược điểm của giải pháp này là:
• Phải cung cấp thêm các đường truyền dẫn (thường là các luồng E1) từ các trạm BTS mới đến trung tâm điều khiển trạm gốc BSC. Nhưng trên thực tế không phải lúc nào các luồng truyền dẫn E1 cũng sẵn có đối với tất cả các nhà khai thác mạng di động.
• Cần phải tổ chức lại mạng lưới như: ấn định lại các tần số vô tuyến cho từng trạm thu phát gốc và dịch chuyển các điểm đặt trạm thu phát gốc.
• Cung cấp thêm các tần số vô tuyến vì nhiều trạm thu phát gốc mới đã được đưa vào. Điều này có thể chưa khó khăn đối với một nhà khai thác mạng chưa phát triển. Nhưng đối với những nhà khai thác mạng đã sử dụng gần hết các tần số cấp phép thì việc thêm tần số vô tuyến mới là rất khó khăn.
• Phải thuê và xây dựng các trạm thu phát mới cũng gây nên những tốn kém nhất định trong việc triển khai hệ thống vì trong một khu vực việc chọn được một địa điểm tối ưu để đặt trạm gốc là rất khó khăn. Đặc biệt là trong tình trạng có nhiều nhà khai thác cùng hoạt động. Những nhược điểm trên dẫn đến giá thành của giải pháp này rất lớn. Đối với những nhà khai thác mạng đã phát triển đến mức độ bão hòa (số thuê bao không thể tăng vọt) thì những tốn kém trong việc
triển khai hệ thống như thế sẽ làm giảm tính cạnh tranh, vì cước phí trên một đơn vị bit thông tin tăng cao.
Gần đây, người ta đưa ra một giải pháp để khắc phục nhược điểm của giải pháp trên mà vẫn duy trì được chất lượng dịch vụ, cũng như thời gian sử dụng pin cho các máy đầu cuối di động. Đó là giải pháp sử dụng các trạm chuyển tiếp hình 2.1(b). Đối với giải pháp sử dụng các trạm chuyển tiếp thì không cần thay đổi kích thước cell, không cần quy hoạch lại mạng cũng như cung cấp thêm các đường truyền dẫn E1 như đã nói ở trên. Hơn thế nữa, các trạm chuyển tiếp có thể được thiết kế để hoạt động ở dải tần không cần cấp phép và các trạm chuyển tiếp không cần thiết phải đặt ở những vị trí quá cao. Những ưu điểm này làm cho chi phí của giải pháp dùng các trạm chuyển tiếp giảm đi đáng kể và thời gian triển khai cũng được rút ngắn.
Hình 2.1 (a) Giải pháp thu nhỏ cell và dùng nhiều BTS; (b): Giải pháp dùng trạm chuyển tiếp
Mặc dù các trạm chuyển tiếp đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống truyền dẫn vi ba cũng như các hệ thống truyền dẫn số khác. Tuy nhiên, các trạm chuyển tiếp này chỉ có chức năng thu nhận tín hiệu từ phía phát sau đó hoặc là khuếch đại tín hiệu rồi chuyển tiếp đến phía thu hoặc là giải mã rồi mới chuyển tiếp thông tin đến đích. Những trạm chuyển tiếp như vậy hoàn toàn phù hợp với môi trường truyền
dẫn vô tuyến trong tầm nhìn thẳng (LOS) để tăng cự ly truyền dẫn của các tuyến truyền dẫn vô tuyến số. Nhưng trong trường hợp của các mạng thông tin vô tuyến di động mà ở đó truyền dẫn đa đường (multipath) là phổ biến thì chức năng của trạm chuyển tiếp như vậy sẽ không lợi dụng được đặc tính quảng bá của sóng vô tuyến cũng như lợi dụng đặc tính thay đổi của kênh fading. Vì thế, khái niệm trạm chuyển tiếp thông minh được đưa ra để áp dụng cho các mạng vô tuyến di động tế bào.
2.1.2. Trạm lặp thông minh
2.1.2.1. Định nghĩa trạm lặp thông minh
Trạm lặp thông minh (smart relay) không chỉ là giải mã và chuyển tiếp (hoặc khuếch đại và chuyển tiếp) thông tin nhận được từ phía phát như các trạm lặp thông thường, mà nó còn có chức năng xử lý tín hiệu thu được trước khi chuyển đến đích. Mục đích chính của việc xử lý tín hiệu tại các trạm lặp thông minh này là để lợi dụng tối đa đặc tính quảng bá của sóng vô tuyến và sự thay đổi của kênh truyền dẫn fading.
Hình 2.2 Mô hình truyền dẫn dùng trạm lặp thông minh
Giao thức truyền dẫn thông tin trong mạng thông tin di động tế bào có sử dụng trạm lặp thông minh được minh họa ở hình 2.2. Thông tin của các máy đầu cuối được phát quảng bá không chỉ đến trạm lặp mà còn đến với trạm thu phát gốc. Khi nhận được tín hiệu thu này, trạm thu phát gốc sẽ không giải mã tín hiệu ngay mà chờ tín hiệu đến từ trạm chuyển tiếp. Đối với trạm lặp, ngoài việc giải mã thông tin của các
máy đầu cuối, trạm lặp thông minh sẽ thực hiện xử lý tín hiệu để sao cho thông tin của mỗi người dùng đến đích bằng nhiều đường truyền dẫn khác nhau. Khi trạm gốc nhận được tín hiệu từ trạm chuyển tiếp, lúc này trạm gốc sẽ kết hợp tín hiệu thu trực tiếp từ các máy đầu cuối trước đó và tín hiệu thu từ trạm chuyển tiếp để thực hiện giải mã tín hiệu gốc.
Giao thức truyền dẫn ở trên cho thấy, thông tin của mỗi người sử dụng sẽ được giải mã dựa trên ba đường truyền dẫn độc lập với nhau. Hay nói khác đi, độ lợi phân tập không gian đã tăng từ 1 (đối với các trạm lặp thông thường) lên 3 (đối với trạm lặp thông minh). Như đã chứng minh, nếu độ lợi phân tập không gian tăng lên thì chất lượng tín hiệu sẽ được cải thiện.
2.1.3. Ưu điểm và nhược điểm của trạm lặp2.1.3.1. Ưu điểm của trạm lăp 2.1.3.1. Ưu điểm của trạm lăp
Lắp đặt trạm Lặp (RS) có thể giúp khắc phục một số những thách thức lớn đang phải đối mặt bởi các mạng băng rộng không dây ngày nay. Những lợi thế là chủ yếu gồm ba phần:
• Đầu tiên, RS cải thiện hiệu suất tổng thể mạng lưới tăng cường vùng phủ sóng, năng lực và hiệu quả năng lượng.
• Thứ hai, cả hai việc thực hiện và chi phí bảo trì có thể được hạ xuống bằng cách kết hợp chuyển tiếp ở các giai đoạn khác nhau của việc triển khai mạng.
• Cuối cùng, RS có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa mạng lưới và chức năng cấp cao hơn như định tuyến và cân bằng tải. Ba phần phụ tiếp theo mô tả những lợi ích này chi tiết hơn.
Nâng cao hiệu năng mạng
Hình 2.3 minh họa việc sử dụng RS như thế nào ảnh hưởng đến hai số liệu chính của hiệu suất mạng: vùng phủ sóng và năng lực. Trước hết tập trung vào vùng phủ sóng đầu tiên. Một BS/AP, so với một hệ thống một bước nhảy thông thường, có thể phục vụ các tế bào lớn hơn nhiều với sự giúp đỡ của một số RS cố định.
Như hình 2.3, các trạm điện thoại di động trên bên phải (MS1), mặc dù được đặt bên ngoài ranh giới dịch vụ truyền thống, vẫn có thể nhận được dịch vụ nếu một RS được đặt giữa BS và trạm điện thoại di động. Khi phạm vi vô tuyến không phải là một vấn đề, vùng phủ sóng vô tuyến tốt hơn bên trong tế bào hiện có có thể được thực hiện, đặc biệt là ở các vùng bị mờ từ một BS/AP (lỗ hổng vùng phủ sóng trong nhà, đô thị hoặc lỗ hổng vùng phủ sóng nông thôn được tạo ra bởi các rừng cây hoặc địa hình gồ ghề).
Hình2.3 Biểu diễn lợi thế của hiệu suất thông qua trạm lặp.
Tất nhiên không có gì đi kèm miễn phí, và giá phải trả trong trường hợp này là giảm công suất và độ trễ tăng lên. Trạm lặp thường làm việc trong chế độ lưu trữ và chuyển tiếp. Đối với một hệ thống hai bước nhảy trong các tín hiệu đường xuống (uplink) BS-RS (MS-RS) được lưu trữ trong trạm lặp và trong khe thời gian tiếp theo được chuyển tiếp thông qua liên kết (RS-BS) RS-MS. Năng lực mạng lưới giảm xuống như MS-RS và BS-RS liên kết hoạt động ở các thời điểm khác nhau bằng cách sử dụng cùng một băng tần không dây (chuyển tiếp băng trong).
Lợi thế năng lực với chuyển tiếp đến chủ yếu từ việc khai thác của đường dẫn hoặc trạng thái đa dạng. Để minh họa thực tế, chúng ta hãy khác nhìn vào hình 2.3, MS2 được phục vụ bởi hai RS đồng thời. Kết nối không dây (mất đường dẫn và bóng) tới fading, dẫn đến mất thông tin và liên kết thường xuyên thất bại. Nếu hai hoặc nhiều đường dẫn thay thế có sẵn thông qua RS khác nhau,sau đó MS có thể chuyển sang RS có tín hiệu mạnh nhất. Như fading xảy ra độc lập trong con đường khác nhau, nó không chắc rằng tín hiệu sẽ gặp phải fading trong tất cả các con đường tại một thời điểm nhất định. Điều quan trọng là phải hiểu rằng việc tăng độ năng lực là khả thi chỉ khi các BS và RS sử dụng các kênh trực giao, tức là, liên kết BS-RS và RS-MS được hoạt động cùng một lúc nhưng ở dải tần số khác nhau (còn được gọi là chuyển tiếp băng ngoài).Vì nó là khó khăn để cài đặt nhiều ăng-ten điện thoại di động trong một đơn vị nhỏ. Tập hợp các trạm lặp với truyền tải đồng thời thông qua RS có thể cung cấp một thay thế cho nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (kỹ thuật MIMO) thông thường. Có (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
một khả năng tăng năng lực thông qua tái sử dụng tần số nếu các RS định hình các tế bào nhỏ hơn bên trong tế bào được phục vụ bởi chính BS.
Trạm lặp khi làm việc trong đường lên, thay thế tầm xa, truyền tải điện năng cao với BS tầm ngắn, chuyển tiếp truyền điện năng thấp. Điều này giúp tăng cường tuổi thọ của pin-điều khiển MS. Theo như điện năng tiêu thụ của RS là có liên quan, họ yêu cầu chỉ có nguồn điện cung cấp. Để tiết kiệm năng lượng, chuyển tiếp thậm chí có thể dựa vào nguồn cung cấp năng lượng mặt trời.
Lợi ích về chi phí
Khái niệm trạm lặp mở ra khả năng lắp đặt vùng phủ sóng tạm thời trong khu vực kết nối vĩnh viễn là không cần thiết (ví dụ, điểm xây dựng hoặc hội nghị / phòng họp). Trong trường hợp khai một cách triển nhanh chóng mạng ban đầu đã được thực hiện, chuyển tiếp dựa trên các giải pháp kinh tế hấp dẫn hơn so với truyền thống các BS nối mạng thông qua truyền dẫn có dây. Các RS cho phép chi phí vốn thấp hơn về phần cứng cơ sở hạ tầng mạng di động với chức năng chuyển tiếp cho phép ăng-ten bộ khuếch đại độ lợi thấp, và các nút chuyển tiếp không cần một tự chuyển tiếp bằng đồng /sợi dây. Ngoài ra, địa điểm RS di động là có thể sẽ ít tốn kém hơn so với các các trạm di động BS, kích thước nhỏ hơn và do đó cho phép linh hoạt hơn trong lựa chọn địa điểm. Hơn nữa, với chuyển tiếp, chi phí điều hành (OPEX) như cho thuê và các chi phí bảo trì được giảm bớt.
Một khi mạng đã được thiết lập, nâng cấp cần thiết cho một số lượng gia tăng của thuê bao hoặc thuê bao khác nhau thời gian có thể được thực hiện bằng cách thay thế một số các RS với các BS một cách dần dần. Cách tiếp cận này cung cấp cách thức cho nhiều nhà khai thác mạng để duy trì công việc kinh doanh của họ vào một thời điểm của một cuộc suy thoái trên toàn thế giới.
Những lợi ích khác
Bên cạnh hiệu suất và lợi ích chi phí, chuyển tiếp cung cấp một số lợi thế khác. Bằng cách điều tiết lưu lượng tắc nghẽn (hot) đến nơi không tắc nghẽn (cool) các tế bào không được cấp phép trong băng tần, chuyển tiếp giảm bớt khả năng chặn cuộc gọi và cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS) của người dùng cuối. Loại cân bằng tải giữa các tế bào lân cận, tế bào A và tế bào B, đã được mô tả trong hình 2.4. Để hiểu tình huống tốt hơn, chúng ta hãy giả định rằng tất cả các MS đang cư trú trong khu vực dịch vụ được phân bổ đến BSA, và chỉ có một tần số duy nhất cho thông tin liên lạc giữa MS và BS.Bây giờ nếu cả hai MS1 và MS2 muốn thực hiện cuộc gọi nhưng MS1 nắm giữ của các kênh phổ biến đầu tiên, sau đó các cuộc gọi từ MS2 bị chặn. Tuy nhiên, các cuộc gọi bị chặn có thể được hoàn thành thông qua BSB nếu MS2 có thể chuyển tiếp cuộc gọi thông qua RS gần đó (điều khiển bởi BSB), với điều kiện là BSB hiện không tham gia. Phương pháp này được gọi là chuyển tiếp sơ cấp.
Hình 2.4 Trình diễn cân bằng tải với chuyển tiếp.
Một loại lợi ích thứ hai của chuyển tiếp, được gọi là chuyển tiếp thứ cấp, cũng có thể được thực hiện theo cách sau đây. Giả sử MS3 hiện đang giao tiếp thông qua BSA, MS1 cũng bày tỏ sẵn sàng để vào mạng, và MS2 là nhàn rỗi. Vì không có RS trong vùng lân cận của MS1, nó không phải là có thể thực hiện chuyển tiếp sơ cấp. Để tối đa hóa việc sử dụng tài nguyên, MS1 có thể được phân bổ trực tiếp thông qua BSA, và MS3 có thể thành lập một liên kết truyền thông chuyển tiếp để BSB.
Một số lợi thế khác của chuyển tiếp bao gồm tích hợp của các mạng không dây không đồng nhất, chuyển tiếp Ad hoc để tăng cường thông lượng, và trên tất cả, để cung cấp sự ổn định mạng lưới với một cơ sở thuê bao ngày càng tăng.
2.1.3.2 Nhược điểm của trạm lặp
Trạm lặp gây ra sự chậm trễ trong hệ thống xử lý dữ liệu trước khi truyền. Trong hình thức cơ bản của nó, một trạm lặp không dây tăng cường phạm vi vô tuyến với chi phí của năng lực, như mỗi RS hoạt động hoặc trong một thời gian chia sẻ hoặc trong một tần số cơ sở chia sẻ. Trong chế độ phân chia thời gian (TDD) song công tiếp nhận được một tín hiệu từ BS trong khe thời gian đầu tiên và sử dụng khe thời gian thứ hai cho truyền lại. Điều này dẫn đến giảm tốc độ dữ liệu, kể từ khi dữ liệu được chuyển tiếp hai lần trên kênh vô tuyến. Nếu một bộ phận kỹ thuật song công tần số (FDD) được sử dụng thay vào đó, dải tần số trực giao được sử dụng cho đồng thời BS-RS và RS-MS thông tin liên lạc, làm giảm hiệu quả băng thông, chưa kể đến