CHƯƠNG 4: GÁN BS ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN BÚP SÓNG NHẰM GIẢM
4.2 CÁC GIẢI PHÁP GIẢM CAN NHIỄU CỔ ĐIỂN VÀ KỸ THUẬT ĐA ĐIỂM KẾT HỢP
Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất, thứ hai và thứ ba đều đã có những giải pháp để giảm can nhiễu. Nếu nhƣ hệ thống GSM sử dụng kỹ thuật FDMA kết hợp với kỹ thuật tái sử dụng tần số, thì hệ thống UMTS cũng dùng kỹ thuật FDMA kết hợp với CDMA để giảm can nhiễu.
Thực tế, các mạng di động GSM hoặc UMTS đều cần phải bảo đảm những yêu cầu rất quan trọng là vùng phủ của cell phủ tốt nhất các thuê bao trong phạm vi phục vụ của cell, nhưng ảnh hưởng ít nhất đến các thuê bao khác. Điều này thường được thực hiện bằng cách điều chỉnh góc ngẩng (tilt) của anten.
Hình 4.1: Tái sử dụng tần số trong hệ thống GSM
Hình 4.2: Sử dụng MÃ giả ngẫu nhiên để phân biệt các NodeB trong hệ thống UMTS
Phổ tần số vô tuyến là hữu hạn trong khi nhu cầu về số lƣợng đầu cuối và yêu cầu về tốc độ dữ liệu của các mạng vô tuyến thế hệ kế tiếp lại rất cao. Điều này dẫn tới việc tái sử dụng tần số rất chặt, thậm chí là với hệ số bằng 1, vấn đề kiểm soát can nhiễu liên cell càng trở nên quan trọng.
Với sự phát triển của công nghệ, các trạm thu phát đã có khả năng xử lý cao hơn nhiều so với trước đây. Cùng với sự phát triển của hạ tầng truyền dẫn, các trạm thu phát có khả năng liên lạc, trao đổi thông tin và dữ liệu với nhau một cách hiệu quả.
Đó là một trong những cơ sở để phát triển một kỹ thuật mới nhằm hạn chế ICI.
Kỹ thuật thu phát đa điểm kết hợp (Coordinated Multi Point – CoMP) nhằm khắc phục ICI đã đƣợc đề xuất từ LTE – Advanced Release 10 để cải thiện vùng phủ hệ thống, tốc độ dữ liệu và hiệu suất phổ [23]. Theo cách truyền nhận truyền thống trước đó, hệ thống đa cell có thách thức là phải kiểm soát được can nhiễu, cố gắng hạn chế vấn đề tín hiệu có ích đối với cell này trở thành can nhiễu đối với cell khác.
Với CoMP, hệ thống thậm chí sử dụng điểm hạn chế trước đó của hệ thống để cải thiện hiệu năng.
Trên kênh đường xuống, CoMP kết hợp truyền phát đồng thời thông tin từ nhiều BSs khác nhau tới các MSs để tăng tốc độ dữ liệu, đặc biệt là các MSs ở biên của cell. Để làm đƣợc việc này, cần có một bộ xử lý thực hiện các công việc: thu thập thông tin kênh truyền vô tuyến từ các BSs, thu thập thông tin dữ liệu từ các BSs, lập lịch và tính toán trọng số điều khiển búp sóng từ các BSs cho phù hợp. Số lƣợng BSs phục vụ cho một MS càng nhiều, hiệu năng hệ thống càng đƣợc cải thiện, (phần kết quả mô phỏng sau này sẽ thể hiện rõ vấn đề này). Để đáp ứng đƣợc điều này, một lƣợng lớn dữ liệu cần đƣợc trao đổi giữa các phần tử mạng, nên cần phải có một đường kết nối tốc độ cao để thực hiện điều này. Do khả năng xử lý của các BSs và năng lực của đường trục hữu tuyến có những giới hạn nhất định, số lượng BSs phục vụ cho một MS cũng bị giới hạn theo.
Với CoMP, có hai chế độ đƣợc xem xét, căn cứ vào mức độ kết hợp của các cells, [23]:
- Kết hợp nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra, (MIMO Cooperation): Các anten từ nhiều BSs định dạng các thành phần anten nhằm phục vụ một MS. Chuỗi dữ liệu dành cho MS đƣợc các BSs cùng xử lý và đƣợc truyền từ tất cả các anten.
Đây là chế độ CoMP phức tạp vì nó đòi hỏi nhiều báo hiệu giữa các BSs.
Hình 4.3: Kết hợp nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (MIMO Cooperation)
- Kết hợp nhiễu, (Interference Coordination): Ở một mức độ kết hợp thấp hơn, hệ thống đa cell kết hợp có thể cho phép 1 BS truyền phát dữ liệu chỉ tới các MS trong vùng phủ của nó. Tuy nhiên, các BSs vẫn kết hợp với nhau để quản lý ICI nhằm tránh gây can nhiễu cho các BS lân cận.
Hình 4.4: Truyền phát kết hợp nhiễu (Interference Coordination)
Trong kỹ thuật gán BSs – MS động kết hợp với điều khiển búp sóng, có hai vấn đề đƣợc đặt ra:
- Với một số lượng BSs phục vụ MS giới hạn cho trước, phải gán các BSs nào để phục vụ MS tốt nhất.
- Với các BSs đã xác định được ở bước trên và giới hạn công suất trên mỗi BS cùng với điều kiện SINR phải đạt một ngƣỡng tối thiểu tại mỗi MS, xác định vector điều khiển búp sóng để tối ƣu hiệu năng hệ thống.
Với vấn đề gán BSs – MSs, đề tài sẽ nghiên cứu và so sánh hai cách gán sau:
- Gán BSs dựa vào khoảng cách BSs – MSs: Những BSs gần MS nhất sẽ đƣợc gán để phục vụ MS. Cách gán này không đƣợc tối ƣu lắm bởi vì trong kênh truyền thực tế, không hẳn là BSs gần MS hơn sẽ cho tín hiệu tại MS tốt hơn.
- Gán BSs dựa vào độ lợi kênh: MS sẽ chọn các BSs có độ lợi kênh BS – MS là tốt nhất.
Trong khi đó, bài toán điều khiển búp sóng kết hợp là một bài toán tối ƣu đƣợc biết đến từ lâu. Các khía cạnh liên quan tới bài toán thường được nghiên cứu và khảo sát [24] là:
Xét về dạng tổng quát của bài toán, có hai dạng:
- Bài toán điều khiển búp sóng tối đa hóa SINR tối thiểu (Max–min Beamforming problem – MBP).
- Bài toán tối thiểu hóa công suất phát (Power Minimization Problem – PMP).
Xét về hàm mục tiêu, có các dạng hàm mục tiêu:
- Tối thiểu hóa tổng công suất phát của các BSs.
- Tối thiểu hóa công suất phát tối đa trên từng anten nhỏ của BS.
- Tối thiểu hóa công suất phát tương đối của các BSs.
- Tối đa hóa SINR tối thiểu tại các MSs.
Xét về điều kiện ràng buộc, thường có các dạng điều kiện sau được xem xét:
- Tổng công suất nhỏ hơn giới hạn nhất định.
- Công suất trên từng BS nhỏ hơn giới hạn.
- Công suất trên từng anten nhỏ hơn giới hạn.
- SINR tại mỗi MS lớn hơn một ngƣỡng nhất định.
Xét về thông tin kênh truyền (Channel State Information – CSI), có các dạng sau:
- CSI tức thời: Thông tin tức thời về kênh truyền.
- CSI định kỳ: Thực chất là ma trận tương quan của các CSI tức thời sau một khoảng thời gian đủ dài.
Các phương pháp để giải quyết vấn đề cũng rất đa dạng, cơ bản nằm ở cách thức biến đổi bài toán từ dạng nguyên mẫu ban đầu về một dạng toán có thể giải đƣợc: từ bài toán bán xác định, bài toán cận lồi, bài toán hình nón bậc hai để các lời giải phân hoạch, đối ngẫu, hoặc phương pháp chia đôi... Đây là một lĩnh vực được nghiên cứu rất nhiều, mục tiêu cần đạt đƣợc không chỉ là lời giải cho bài toán, mà vấn đề đặt ra còn là tính chính xác của lời giải cũng nhƣ độ phức tạp của giải thuật. Một lời giải có tính chính xác cao nhƣng đòi hỏi nhiều phép tính cũng không khả thi để triển khai, do điều này sẽ dẫn tới yêu cầu tăng khả năng tính toán của các bộ xử lý để đáp ứng đƣợc sự biến đổi liên tục của kênh truyền vô tuyến. Ngƣợc lại, một lời giải dù nhanh nhƣng tính chính xác thấp cũng khó có thể đƣợc triển khai trong thực tế.
Trong phạm vi Luận văn, bài toán điều khiển búp sóng để tối ƣu hiệu năng hệ thống được xem xét dưới tiêu chuẩn tối thiểu công suất phát tương đối (transmit power margin) tại các BSs với một ngƣỡng SINR tối thiểu tại các MS.
Trong các phần tiếp theo, đề tài sẽ triển khai vấn đề gán BSs – MS và bài toán tối ƣu búp sóng với hai tiêu chuẩn trên. Không tập trung nhiều vào vấn đề đánh giá phương pháp giải quyết bài toán tối ưu, đề tài sẽ tập trung tìm lời giải cho bài toán dựa trên hình nón bậc hai và kiểm tra tính hiệu quả của giải thuật.