2.3.4.1. Cảm biến phổ và truy nhập phổ động
Khả năng cảm biến phổ là thuộc tính cơ bản nhất và nổi tiếng nhất của nhận thức vô tuyến. Vô tuyến nhận thức thông qua cảm biến phổ nó sẽ phân tích môi trƣờng hoạt động và nhận thức đƣợc điều kiện giao tiếp trong các băng tần đang hoạt động mà nó nhận thức đƣợc. Sau khi thực hiện quét phổ, CFAPs có thể xác định vị trí phổ sẵn sàng trong cả hai tần số nhà mạng và băng tần xen kẽ để sử dụng. Khi đã xác định đƣợc kẽ hở phổ còn trống, CFAPs thực hiện phân phối tài nguyên và truy nhập trên chúng. Với việc bổ xung các nguồn tài nguyên phổ mới khác với băng tần của nhà cung cấp mạng thì nhiễu trong cùng lớp và khác lớp đƣợc giảm xuống, nhƣ vậy nếu cả hai lớp femto và macro đều phân bổ tần số trực giao thì không hiệu quả trong khi phân bổ đồng kênh có thể giải quyết đƣợc các vấn đề về nhiễu. Vì vậy, nguồn tài nguyên tần số này đƣợc phát hiện bởi vô tuyến nhận thức làm giảm bớt vấn đề phân bổ tần số. Cho nên, trong mạng femtocell nhận thức thì chất lƣợng tín hiệu cao hơn, băng thông cao hơn và hoạt động điện năng thấp hơn. Hơn nữa, CFAPs thƣờng xuyên theo dõi nhiễu trong môi trƣờng và áp dụng phân bổ phổ tần để tránh nhiễu giữa hai lớp mạng. Tuy nhiên hoạt động của CFAP sẽ bị gián đoạn bởi sự xuất hiện của chủ sở hữu đƣợc cấp phép chính (ví dụ nhƣ các thuê bao ở mạng sơ cấp), vì vậy CFAPs phải có khả năng cung cấp nhanh chóng chuyển đổi sang dải băng tần trống xen kẽ khác.
Các CFAP cảm biến tại mỗi khoảng thời gian đo kiểm mức độ nhiễu các khoảng tần số trong băng tần mà nó quan tâm và chọn tần số với mức nhiễu thấp nhất. Ví dụ, trong mạng tất cả các femtocell đều đồng bộ, CFAPs sẽ ở trạng thái im lặng và dò tìm các mức năng lƣợng để xác định vị trí các khối tài nguyên (Resource Block) không đƣợc sử dụng bởi macrocell, các khối tài nguyên với mức năng lƣợng dƣới một giá trị ngƣỡng đƣợc đánh dấu sẵn sàng sử dụng bởi CFAPs. Tuy nhiên, nếu các femtocell ở gần nhau thì các mức năng lƣợng đƣợc sử dụng bởi femtocell có thể giống hệt nhau dẫn đến gây nhiễu đồng lớp. Hơn nữa, quyết định khoảng thời gian cảm biến, cung cấp đồng bộ hóa cho cảm biến và các thuật toán xử lý quyết định trong các kiểu phân phối đòi hỏi phải nâng cao khả năng nhận thức tại CFAPs. Áp dụng phƣơng pháp lý thuyết trò chơi
(Game-theoretical) có thể đƣợc coi là lý tƣởng cho việc đƣa ra quyết định phân cấp, có thể đƣợc áp dụng trong quyết định phổ.
Cảm biến phổ thực hiện hai việc đó là tìm kiếm khoảng trống phổ dành cho femtocell sử dụng và cho phép truyền ƣu tiên cao hơn. Trong trƣờng hợp trƣớc đây, CFAP dùng một dải băng tần phổ và cung cấp chúng cho ngƣời sử dụng dựa trên chính sách phân phối tài nguyên của mình. Trong trƣờng hợp sau, nếu một tín hiệu đƣợc phát hiện ở mạng sơ cấp là tần số f1 lớn hơn truyền thông trong băng tần này thì đƣợc di chuyển đến băng tần f2. Quá trình này phải đƣợc thực hiện một cách nhanh chóng nếu không thì lúc đó các ngƣời dùng ở femtocell sẽ bị gián đoạn trong thông tin liên lạc. Thời gian chuyển giao phổ liên quan trực tiếp đến mô hình cảm biến phổ, cơ chế báo hiệu và thiết kế kênh điều khiển chung (Common Control Channel). Để có thể chuyển đổi trong quá trình truyền từ tín hiệu băng tần sơ cấp sang một băng tần khác, CFAP phải biết về các băng tần rỗi trong dãi phổ khác của macrocell hoặc trong phổ không cấp phép. Sự hiểu biết này đạt đƣợc nhờ kỹ thuật cảm biến phổ, ví dụ nhƣ cảm biến phổ theo chu kỳ hoặc không theo chu kỳ, cảm biến chủ động hoặc phản ứng. Sau khi đã xác định đƣợc một tần số mới thì CFAP sẽ báo hiệu đến ngƣời sử dụng liên quan, và cung cấp chuyển đổi ngay cho ngƣời dùng mà không làm gián đoạn. Báo hiệu có thể thông qua các kênh riêng biệt, ví dụ nhƣ kênh điều khiển chung riêng biệt hoặc thông qua các kênh đã sử dụng trên tín hiệu sơ cấp ban đầu. Nếu một kênh riêng biệt tồn tại, xử lý báo hiệu có thể hoàn thành đơn giản trong việc truyền các bản tin điều khiển thông qua kênh đó. Tuy nhiên, nó có thể không hiệu quả trong việc sử dụng tài nguyên. Ngƣợc lại, nếu không có kênh riêng biệt đó thì các bản tin báo hiệu có thể bị trễ và còn có thể bị mất gói tin. Do đó, CFAP phải sử dụng các mô hình quản lý phổ hiệu quả trong khi phải xem xét lại các vấn đề trên.
2.3.4.2. Tự tổ chức mạng
Do femtocell không biết đƣợc mô hình lớp mạng và thiếu thông tin về số lƣợng femtocell cũng nhƣ liên quan đến khả năng mở rộng. Ngoài ra nó cũng không xác định đƣợc vị trí tổ chức và điều khiển các femtocell từ các thực thể trung tâm (ví dụ nhƣ macrocell BS). Hơn nữa, một thuê bao không thể thực hiện các nhiệm vụ cấu hình nâng cao và phức tạp đến FAPs. Vì vậy, FAPs phải có khả năng thực hiện các nhiệm vụ cấu hình tự động và cũng có thể tự tổ chức phân cấp. Tự tổ chức đƣợc tính toán đơn giản, khả năng mở rộng và hiệu quả cao hơn so với tối ƣu hóa mạng tập trung. Vô tuyến nhận thức với khả năng tự
tổ chức mạng có thể phát triển cho mạng femtocell để hệ thống tự quản và tự động hóa. Các tính chất cơ bản đƣợc liệt kê nhƣ sau:
FAP là thiết bị đƣợc thiết lập từ ngƣời dùng, do đó nó đòi hỏi cài đặt và cấu hình một cách nhanh chóng cho ngƣời sử dụng không phải là chuyên gia. Do đó một FAP mới đƣợc cài đặt có thể nhận thông tin điều khiển mạng tự động từ nhà cung cấp mạng thông qua các kết nối backhaul và quản lý tự cấu hình mà không cần các bƣớc cấu hình phức tạp. Đây là một đặc tính cần thiết vì các thông số hoạt động đƣợc điều chỉnh tùy thuộc vào môi trƣờng vô tuyến tại vùng đó. Cấu hình tự động là tối quan trọng cho động cơ thức đẩy khách hàng mua femtocell và sử dụng nó một cách đơn giản, cắm vào là chạy.
Một CFAP cũng có thể phân tích môi trƣờng tần số vô tuyến và quảng bá các kết quả cảm nhận đƣợc đến các CFAP lân cận. Tƣơng tự nhƣ vậy, nó có thể quảng bá thông tin các kênh sử dụng cũng nhƣ các femtocell lân cận có thể xem xét trong việc phân phối tài nguyên.
Mỗi CFAP tùy thuộc vào nhu cầu lƣu lƣợng có thể phân bổ một tỷ lệ các kênh tần số. Phân bổ kênh dựa trên tải cũng nhƣ tăng cƣờng cân bằng tải trong mạng mà CFAPs yêu cầu nhiều lƣu lƣợng hoặc nhu cầu ngƣời dùng yêu cầu băng thông lớn sẽ đƣợc nhận nhiều hơn so với các FAP mà ở đó nhu cầu sử dụng ít.
Hơn nữa, vô tuyến nhận thức có tiềm năng đáng kể để cung cấp khả năng tự tổ chức nhƣ tự cấu hình, tự chẩn đoán, tự tối ƣu hóa và tự bảo vệ. Chức năng tự cấu hình là đặc biệt cần thiết trong trƣờng hợp các thiết bị mạng do nhiều nhà cung cấp. Ngƣời dùng có thể mua các thiết bị femtocell từ các nhà sản xuất thiết bị khác nhau và mỗi thiết bị đó phải có khả năng tự cấu hình và thích nghi với môi trƣờng hoạt động không đồng nhất đó. 3GPP LTE giới thiệu các khái niệm về tự tổ chức mạng (Self Organizing Network) nhƣ là khái niệm quan trọng để cung cấp với chi phí hiệu quả và chi phí hoạt động và bảo dƣỡng. SONs với các chức năng self-x nhằm giảm chi phí lắp đặt và quản lý bởi các hoạt động thông qua cơ chế tự động hóa. Các nút trong một SON có khả năng hoạt động tự quản để sự can thiệp của con ngƣời đƣợc giữ ở mức tối thiểu cho vận hành và bảo trì mạng. Đây là thuộc tính làm giảm chi phí của con ngƣời và làm tăng tính thông minh của mạng. Ngoài ra, tốc độ chuyển giao có thể đƣợc điều khiển phụ thuộc vào số lƣợng chuyển giao mà nó học đƣợc trong chu kỳ. Do đó, một mạng femtocell truy nhập mở có thể chia sẻ bản tin báo hiệu ở mức cao và chất lƣợng dịch vụ cho ngƣời sử dụng nó. Để nhằm mục đích này, danh sách tối ƣu hóa các CFAP lân cận cũng có thể đƣợc áp dụng để đảm bảo rằng tối ƣu hóa trong việc
chuyển giao, và danh sách này có thể cập nhật tự động trên cơ sở các báo cáo đo kiểm của thiết bị đầu cuối để xem xét việc chuyển giao. Tất cả các khả năng này nhằm mục đích tối ƣu hóa hiệu suất mạng.
2.3.4.3. Hiệu suất năng lượng hoạt động
Vấn đề hiệu quả năng lƣợng đƣợc xem xét trong mạng không dây đạt đƣợc tầm quan trọng chƣa từng có trong những năm trƣớc đây do lo ngại tác động môi trƣờng của nó. Biến đổi khí hậu và hậu quả tai hại của nó cho thiên nhiên to lớn và tàn phá trong thập kỹ qua. Do đó, liên quan đến lƣợng khí Carbon dioxide (CO2) phát khí thải và gây hiệu ứng nhà kính (GHG), các công nghệ làm giảm tiêu thụ năng lƣợng trở thành một lĩnh vực nghiên cứu hoạt động đƣợc gọi là truyền thông xanh (Communication Green) và đó cũng là một điều cần thiết cho sự phát triển bền vững.
Theo ƣớc tính, nghành Công nghệ Thông tin và Truyền thanh (ICT) đóng góp khoảng 2% lƣợng khí thải CO2 trên toàn thế giới trong đó truyền thông di động chiếm một phần từ 0.3-0.4% trong tất cả các khí thải[14]. Ngoài ra sự bùng nổ nhu cầu lƣu lƣợng trong thông tin liên lạc và sự phát triển nhanh chóng trong công nghệ băng rộng di động dự kiến sẽ gia tăng đáng kể việc tiêu thụ năng lƣợng và lƣợng khí thải carbon. Vì vậy, vấn đề sử dụng hiệu quả năng lƣợng là bắt buộc trong thiết kế và hoạt động truyền thông không dây.
Kiến trúc mạng truy nhập mạng vô tuyến cũng nhƣ cơ sở hạ tầng của mạng lƣới có dây phải đƣợc xem xét cho mục tiêu sử dụng năng lƣợng hiệu quả. Các hoạt động tối ƣu hóa năng lƣợng có thể đƣợc cung cấp ở các mức độ khác nhau bắt đầu từ vi mô ở mức phần cứng (ví dụ nhƣ khuếch đại công suất) đến mức độ vĩ mô ở cấp độ toàn mạng (ví dụ nhƣ tôpô mạng). Phƣơng thức hoạt động này không chỉ bảo vệ môi trƣờng thiên nhiên, mà còn cho các nhà khai thác. Nó gần nhƣ chiếm một nữa chi phí của một nhà cung cấp dịch vụ để trả cho các chi phí năng lƣợng mạng. Do đó, các nhà cung cấp dịch vụ cũng sẽ đƣợc hƣởng lợi từ hoạt động hiệu quả năng lƣợng tốt hơn. Trong tầm nhìn này, các FAP hoạt động với điện năng thấp hơn do thu phát trong khoảng cách gần, hiệu quả năng lƣợng tốt hơn và đƣợc chấp nhận nhƣ là các thiết bị xanh (Green Devices). Ngoài ra, femtocell sử dụng nguồn cung cấp từ ngƣời dùng nên giảm tiêu thụ điện năng của nhà cung cấp dịch vụ. Tƣơng tự nhƣ vậy, vô tuyến nhận thức hỗ trợ hoạt động tiết kiệm năng lƣợng, ví dụ nhƣ nhận thức điều khiển công suất và có tiềm năng đáng kể hƣớng tới truyền thông xanh.
Một CFAP có thể thay đổi động với cả công suất phát và điều khiển các thiết bị đầu cuối nằm trong vùng phủ của nó để thay đổi mức độ công suất truyền. Bằng cách này, cả hai đầu của thông tin liên lạc hoạt động một cách hiệu quả. Cơ chế hoạt động này đƣợc dựa trên nhiều yếu tố khác nhau nhƣ: yêu cầu về lƣu lƣợng, mức độ hoạt động lƣu lƣợng, môi trƣờng nhiễu và mức độ pin. Ví dụ một CFAP tùy thuộc vào điều kiện lƣu lƣợng có thể giảm công suất truyền và thậm chí đóng cửa trong trƣờng hợp không có ngƣời dùng hoạt động trong vùng phủ của nó. Đặc biệt là trong trƣờng hợp khu dân cƣ, các nhóm thuê bao đóng, trong một số thời gian nhất định (ví dụ nhƣ vào ban đêm hoặc giờ làm việc) có thể không có lƣu lƣợng. Trong những trƣờng hợp đó, thông qua các thuật toán hoặc các thuật toán dựa trên ngƣỡng (ví dụ: nếu không có hoạt động trong khoảng thời gian t, thì CFAP chuyển sang chế độ ngủ), một CFAP có thể chuyển sang tắt. Phƣơng thức chuyển đổi này là “xanh” hơn so với chuyển đổi “cứng”, tức là thao tác chuyển đổi bật-tắt.
2.3.4.4. Giảm nhiễu và điều khiển công suất truyền
Nhƣợc điểm chính trong hoạt động femtocell là nhiễu đƣợc tạo ra bởi việc triển khai thiếu phối hợp giữa femtocell và macrocell. Khi triển khai các kênh trực giao trong lớp macrocell và femtocell thì việc sử dụng phổ tần không hiệu quả, triển khai đồng kênh là sự lựa chọn cho hầu hết các nhà khai thác. Tuy nhiên, giải pháp này để giải quyết với các vấn đề nhiễu do hoạt động đồng thời của macrocell và femtocell trong cùng một phần của phổ tần, vấn đề trở nên khó khăn hơn trong các mạng khi triển khai với số lƣợng dày đặc các femtocell. Trong các mạng nhƣ vậy, giảm nhiễu chủ yếu bằng cách thích ứng công suất truyền theo sự cảm biến mức độ nhiễu và phân phối tài nguyên thích hợp. Vô tuyến nhận thức cho phép các FAP giảm hiện tƣợng này bằng cách tạo ra những cách thức sử dụng phổ mới trực giao với các kênh macrocell, và bằng cách phân phối cẩn thận các mức công suất.
Do sự phức tạp và tính không thực tế của phƣơng pháp tiếp cận tập trung, CFAPs thƣờng áp dụng phƣơng pháp phân cấp cho giảm nhiễu. Phân cấp giảm nhiễu[22] giữa femtocell đến tầng macrocell trong mạng femtocell nhận thức đƣợc nghiên cứu bằng cách sử dụng lý thuyết trò chơi và xấp xỉ ngẫu nhiên. Một thuật toán đƣợc đề xuất để giảm nhiễu của CFAP đối với các thiết bị đầu cuối macrocell dựa trên tín hiệu với tỷ lệ nhiễu cộng với tạp âm (SINR) nhƣ phân tích các thông tin phản hồi bởi các CFAP tƣơng ứng. Những tiền đề chính đằng sau mô hình cấu hình động là điều khiển truy nhập tần số để đảm bảo một mức độ SINR tối thiểu trung bình cho các thiết bị đầu cuối macrocell. Ngoài ra,
thông tin vị trí của các thiết bị đầu cuối macrocell cũng nhƣ công suất truyền và tốc độ đã đƣợc chứa trong các bản tin điều khiển. Dựa trên những thông tin thu thập đƣợc, một CFAP có thể quyết định việc phân phối phổ để tối ƣu hóa cho femtocell dẫn đến làm tăng thông lƣợng ở femtocell và giảm lƣu lƣợng trên macrocell.
Điều khiển công suất truyền liên quan đến hiệu suất năng lƣợng và các vấn đề về quản lý nhiễu. Các CFAP thông qua điều khiển công suất truyền có thể quản lý mức tiêu thụ năng lƣợng và mức độ nhiễu trong và gần vùng phủ femtocell. CFAPs có thể điều khiển công suất truyền và do đó có thể điều khiển đƣợc vùng phủ của nó. Điều khiển công suất truyền có thể giúp cho việc kiểm soát các thông số khác nhau nhƣ: nhiễu, năng lƣợng tiêu thụ, tốc độ chuyển giao và điều khiển vùng phủ. Tùy thuộc vào đo lƣờng cảm biến phổ hoặc kết quả truyền, CFAP có thể làm tăng công suất truyền trong khu vực hoạt động cho phép (ví dụ nhƣ công suất truyền tối đa) để cung cấp đủ SINR đủ cho ngƣời dùng femtocell. Tƣơng tự nhƣ vậy, nếu có một ngƣời dùng macrocell gần đó tại cùng một kênh, CFAP điều chỉnh công suất truyền với một giá trị thấp hơn. Hoạt động ở mức công suất này phải cung cấp SINR đủ để đáp ứng QoS cho các thiết bị đầu cuối. Phân đoạn điều khiển công suất (Fractional Power Control) đƣợc áp dụng trên các CFAP để chống lại vấn đề nhiễu giữa các tế bào kết hợp với thuật toán phân phối tài nguyên dựa trên lý thuyết trò chơi.
2.4. Kết luận
Trong chƣơng này, tôi đã giới thiệu các khái niệm về femtocell, các mô hình kiến trúc hai lớp của mạng femtocell. Các khái niệm về vô tuyến nhận thức, và các kỹ thuật sử dụng trong vô tuyến nhận thức.
Tiếp theo là sự kết hợp giữa vô tuyến nhận thức và femtocell, các khả năng của mạng femtocell nhận thức nhƣ cảm biến phổ và tìm kiếm các khoảng băng