2.2.1. Khái niệm về Femtocell
2.2.1.1. Femtocell là gì?
Femtocells đƣợc hiểu là “trạm cơ sở nhà” (home base station), là điểm truy nhập mạng di động của các thiết bị di động tiêu chuẩn kết nối đến mạng nhà cung cấp dịch vụ di động thông qua các công nghệ nhƣ đƣờng dây thuê bao số DSL, kết nối cáp băng rộng, cáp quang hoặc trạm không dây cuối cùng.
2.2.1.2. Quá trình phát triển và chuẩn hóa của Femtocell
Khái niệm “trạm cơ sở nhà” đầu tiên đƣợc nghiên cứu bởi phòng thí nghiệm Bell của hãnh Alcatel-Lucent vào năm 1999. Trong năm 2002, Motorola thông báo phát triển sản phẩm trạm cơ sở nhà dựa trên nền tảng công nghệ 3G. Tuy nhiên, cho đến năm 2005 thì khái niệm này mới đƣợc chấp nhận rông rãi. Trong năm 2006, thuật ngữ “femtocell” ra đời. Trong tháng 2 năm 2007, các công ty đã trình bày về femtocells tại hội nghị thế giới về di động tại Barcelona, thông báo đang thử nghiệm về nó. Trong tháng 7 năm 2007, diễn đàn Femto[34] đã đƣợc thành lập để đẩy mạnh nghiên cứu, tiêu chuẩn hóa và triển khai trên toàn thế giới. Đến tháng 12 năm 2008, diễn đàn đã bao gồm hơn 100 công ty viễn thông sản xuất phần cứng và phần mềm và các nhà cung cấp dịch vụ mạng di động. Cũng trong năm Home NodeB (HNB) và Home eNodeB (HeNB) đầu tiên đƣợc giới thiệu trong phiên bản 8 của tổ chức 3GPP. Trong phiên bản LTE cũng giới thiệu về macrocell và femtocell trong quá trình triển khai mạng. Femtocell tỏ ra có triển vọng cho các ứng dụng vừa và nhỏ để cung cấp cho khách hàng.
Diễn đàn Femto với mục tiêu là định nghĩa các tiêu chuẩn cho thiết bị femtocell và các công nghệ đƣợc triển khai trên femtocell nhƣ các giao thức truyền thông và ứng dụng. Ngoài ra tổ chức 3GPP cũng đóng góp trong việc tiêu chuẩn hóa femtocell.
2.2.1.3. Điểm truy nhập Femtocell (Femtocell Access Point)
Chức năng của femtocell cũng giống nhƣ trạm cơ sở. Tuy nhiên, femtocell bao gồm RNC (Radio Network Controller, trong mạng GSM thì là BSC) và tất cả các thành phần mạng lõi. Do đó, nó không cần mạng lõi tế bào mà chỉ yêu cầu dữ liệu đƣợc kết nối đến đƣờng dây thuê bao số hoặc cáp quang để kết nối internet, sau đó kết nối tới mạng lõi của các nhà cung cấp dịch vụ di động, hình 2.1 mô tả cách thức kết nối của femtocell.
Điểm truy nhập femtocell (Femtocell Access Point - FAP) nhìn giống nhƣ điểm truy nhập WiFi (WAP), WAP sử dụng các công nghệ truy nhập không dây nhƣ IEEE 802.11b, IEEE802.11g và IEEE802.11n, còn FAP sử dụng các công nghệ tế bào nhƣ GSM/GPRS/EDGE, UMTS/HSPA/LTE và mobile WiMAX (IEEE 802.16e).
Khác với picocells, FAPs tự triển khai bởi ngƣời dùng hơn là các nhà cung cấp mạng, chúng nhƣ là một thiết bị điện tử tiêu dùng thông thƣờng. Để giảm nhiễu giữa các Macrocell ở bên ngoài và các femtocell lân cận thì femtocell tự động cấu hình. Quá trình tự động cấu hình của FAP đƣợc chia thành nhiều giai đoạn, đầu tiên nó sẽ đánh giá môi trƣờng vô tuyến, sau đó sẽ dò tự động tìm các tham số cấu hình (ví dụ nhƣ công suất phát hƣớng xuống, và xác định kênh con,..) và nó sẽ tự động cấu hình.
Tùy theo dung lƣợng, FAP có thể đƣợc phân ra hai loại, một loại là Home FAP, hỗ trợ truyền đồng thời 3-5 thuê bao và Enterprise FAP, hỗ trợ đồng thời từ 8-16[16] thuê bao.
2.2.2. Đặc điểm của Femtocell
Cải thiện vùng phủ ở những nơi mà macrocell không phủ sóng tới. Cải thiện lƣu lƣợng và nâng cao dung năng cho macrocell (trong trƣờng hợp sử dụng
macrocells cung cấp vùng phủ trong nhà hoặc xa hơn thì cần nhiều công suất phát dẫn đến làm giảm dung năng của macrocell).
Giả sử rằng tín hiệu phát lọt ra ngoài từ femtocell đến macrocell tƣơng đối nhỏ thì lớp femtocell có thể cải thiện đáng kể tổng dung lƣợng mạng bởi sử dụng lại phổ vô tuyến của femtocell.
Femtocell cung cấp hiệu suất tần số vô tuyến cao, làm cho tốc độ truyền dữ liệu tới thiết bị đầu cuối càng cao.
Femtocell cải thiện đáng kể nguồn cho thiết bị đầu cuối, bởi vì khả năng mất đƣờng truyền của FAP cũng nhƣ công suất phát thấp hơn so với các trạm phát macrocell ở bên ngoài. Ngoài ra, nguồn pin cũng là một trong những vấn đề lớn nhất trong việc cung cấp các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho các thiết bị đầu cuối di động.
FAPs khi sử dụng thì chỉ cần bật công tắc nguồn, sử dụng femtocell “xanh” hơn so với macrocell. Công suất tiêu thụ của trạm phát cơ sở chiếm đáng kể chi phí hoạt động OPEX (Operational Expenses) của nhà cung cấp dịch vụ. Ở Vƣơng quốc Anh, công suất tiêu thụ của các trạm phát hơn 3 watts trên một thuê bao. Ở một vài quốc gia đang phát triển, công suất tiêu thụ chiếm 2/3 chi phí hoạt động.
Femtocell cung cấp giải pháp lý tƣởng cho mạng hội tụ di động cố định FMC (Fixed Mobile Convergence).
Femtocell giữ vai trò quan trọng trong việc truyền thông di động băng rộng và phủ sóng mọi nơi.
2.2.3. Triển khai Femtocell
Femtocell mang đến nhiều thuận lợi cho nhà cung cấp dịch vụ cũng nhƣ thuê bao sử dụng.
2.2.3.1. Đứng từ quan điểm nhà cung cấp dịch vụ
Số lƣợng lớn lƣu lƣợng (từ 70 đến 80%) đã đƣợc chuyển từ macrocell, điều đó có nghĩa là ít cần sử dụng nhiều macrocell, khi đó chi phí phí tổn của các nhà cung cấp dịch vụ sẽ giảm, dẫn đến giảm chi phí hoạt động.
So sánh với picocell và các công nghệ trong nhà khác, femtocell là giải pháp với chi phí thấp trong khi gia tăng vùng phủ trong nhà và cải tiến chất lƣợng dịch vụ. Gia tăng khách hàng truyền thống.
2.2.3.2. Đứng từ quan điểm khách hàng
Với femtocell, các dịch vụ nhƣ thoại, truyền thông, video và các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao trở nên dễ dàng hơn.
Femtocell có thể hoạt động nhƣ một điểm trung tâm kết nối tất cả các thiết bị trong nhà đến máy chủ và là cổng chính cho tất cả cac thiết bị trong nhà kết nối đến internet.
Femtocell sẽ tiếp kiệm nguồn cho các thiết bị đầu cuối, bởi vì khoảng cách từ thiết bị đầu cuối đến femtocell ngắn nên công suất phát trên kênh tần số sẽ giảm.
2.2.4. Kiến trúc mạng Femtocell
Một mạng gồm có hai lớp, trong đó lớp cơ sở là macrocell và lớp mới thêm vào là lớp femtocell. Lớp macrocell chính là trạm phát cơ sở của mạng tế bào, lớp femtocell là lớp mới và là tập hợp các femtocell và các thực thể liên quan. Trong hình 2.2, miêu tả kiến trúc mạng femtocell. Femtocell chỉ phủ sóng trong nhà và lân cận trong khi đó macrocell là trạm phát cơ sở phủ sóng bao trùm lên toàn vùng và các femtocell khác.
2.2.5. Các kiểu truy nhập
Kỹ thuật điều khiển truy nhập định nghĩa các tài nguyên femtocell cho vị trí ngƣời dùng. Trong truy nhập mở (open access), một vài ngƣời dùng trong vùng phủ của FAP có thể sử dụng dịch vụ, ngƣợc lại đối với mô hình truy nhập đóng
(closed access) thì xác thực cấp quyền cho một vài ngƣời dùng kết nối đến FAP. Bảng 2.1 mô tả các đặc điểm thuận lợi và không thuận lợi giữa hai mô hình truy nhập.
Trong mô hình truy nhập mở, tài nguyên của femtocell đƣợc quảng bá công cộng và mỗi ngƣời dùng lựa chọn kết nối tốt nhất dựa vào độ mạnh của tín hiệu vô tuyến từ hai lớp. Mô hình truy nhập mở thƣờng đƣợc gọi là truy nhập công cộng (Public Access).
Trong mô hình truy nhập đóng, một vài ngƣời dùng bị giới hạn khi kết nối trạm cơ cở macrocell và nó không đƣợc đăng ký với femtocell thì kết quả sẽ xảy ra xuyên nhiễu. Trong trƣờng hợp này thiết bị ngƣời dùng nhận tín hiệu rất mạnh từ FAP và nó sẽ so sánh với tín hiệu với trạm cơ sở macrocell, dẫn đến hiệu tƣợng gây nhiễu ở hƣớng xuống gây ra bởi FAP, trong khi đó ở hƣớng lên thiết bị ngƣời dùng tạo ra nhiễu gây hại cho FAP.
Phƣơng thức truy nhập Truy nhập mở Truy nhập đóng
Các thuận lợi
-Vài thiết bị ngƣời dùng có thể kết nối đến femtocell.
-Mỗi thiết bị đầu cuối kết nối đến lớp
(femtocell hoặc macrocell) với chất lƣợng tín hiệu tốt nhất
-Chỉ thuê bao đăng ký mới kết nối femtocell mà nó nhận đƣợc tín hiệu.
-Bảo mật.
Không thuận lợi
-Thƣờng xuyên xảy ra chuyển giao giữa femto và macro và giữa các femtocell. -Giảm nhiễu từ femtocell đến các thiết bị ngƣời dùng ở macrocell Nhiễu -Thấp -Mạnh
Trong mô hình truy nhập mở thì có hai vấn đề quan tâm, đó là chia sẻ tài nguyên và bảo mật. Về bảo mật, trong mô hình này thì bảo mật thấp và gây nguy hiểm đến mạng. Tuy nhiên có vài kỹ thuật trong việc bảo mật và chính sách cho mỗi ngƣời dùng trong mạng. Nhà cung cấp dịch vụ sẽ phân tích các lỗi an ninh mạng và thêm vào các thiết bị đo kiểm liên quan để duy trì và bảo vệ tính nguyên vẹn của hệ thống. Truyền thông trong vô tuyến đƣợc mã hóa với các mô hình mã hóa khác nhau ví dụ nhƣ RSA và AES. Về tài nguyên của ngƣời dùng thì tùy theo thỏa thuận đối với ngƣời dùng, ví dụ nhƣ về chi phí thiết bị, hóa đơn thanh toán chi phí kết nối băng rộng.
Trong mô hình truy nhập mở, các bản tin điều khiển báo hiệu sẽ rất nhiều khi các thiết bị ngƣời dùng chuyển giao giữa các femtocell hoặc ngang qua các lớp khác. Mỗi FAP sẽ quảng bá tín hiệu hoa tiêu trong toàn bộ vùng phủ trong nhà của nó, nhƣng có một vài tín hiệu sẽ phát ra khỏi nhà, do đó thiết bị ngƣời dùng sẽ nhận tín hiệu hoa tiêu này và bắt đầu chuyển giao và nó có thể gây ra rắc rối trong một vài trƣờng hợp. Ví dụ, nếu thiết bị ngƣời dùng bỏ qua vùng phủ của một femtocell thì mỗi lần nó sẽ nhận các tín hiệu hoa tiêu của femtocell đó để chuyển giao. Vấn đề trở nên quan trọng nếu trong vùng có nhiều thuê bao đều cùng bỏ qua kênh hoa tiêu này. Cho nên, mô hình truy nhập mở có thể trở nên gánh nặng trong quá trình chuyển giao không điều khiển đƣợc trên mạng. Theo đó, femtocel chỉ gửi từ 5 đến 40 lần trong mạng lõi báo hiệu và so sánh tín hiệu báo hiệu đang tồn tại trong mạng tế bào macro.
Mô hình cuối cùng là mô hình truy nhập lai (Hybrid access). Trong mô hình truy nhập này, tham số (α) sẽ quyết định, nếu α=1 thì là mô hình đóng, ngƣợc lại α=0 là mô hình mở.
2.2.6. Phân phối phổ trong lớp Femto-Macro
Phân phối phổ trong lớp femto và macro có thể xảy ra là phổ trực giao hoặc không trực giao (đồng kênh). Kênh trực giao triển khai thuận lợi cho việc giảm nhiễu giữa các lớp. Tuy nhiên, nó không hiệu quả trong việc tái sử dụng tần số. Kênh không trực giao khi triển khai trong việc tái sử dụng tần số sẽ gây ra nhiễu giữa các femtocell và macrocell do cùng băng tần và nhiễu giữa các lớp.
Bên cạnh phân phối phổ, các kỹ thuật truy nhập truyền thông cũng gây ảnh hƣởng đến hiệu suất mạng.
2.2.7. Điều khiển nhiễu trong mạng Femtocell
Một trong những thách thức của mạng femtocell chính là nhiễu, bởi vì nó không nằm trong khi quy hoạch mạng, cho nên các tín hiệu không mong muốn từ các trạm phát lân cận gây nhiễu làm cho tín hiệu không hiểu hoặc không giải mã đƣợc ở các thiết bị đầu cuối ngƣời dùng. Trong mạng femtocell khi xảy ra nhiễu thì không thể điều khiển đƣợc trong mô hình mạng và kiến trúc mạng hai lớp. Mô hình mạng không thể điều khiển đƣợc từ khi femtocell triển khai bởi ngƣời dùng và ngƣời vận hành mạng của nhà cung cấp không biết đến nó.
Trong mô hình mạng femtocell có hai loại nhiễu cơ bản đó là nhiễu khác lớp (cross-layer interference) và nhiễu cùng lớp (co-layer interference). Nhiễu cùng lớp: khi một thiết bị ngƣời dùng kết nối với FAP trong nhà thì FAPs lân cận chồng lấn với vùng phủ trong nhà cho nên quá trình nhiễu xảy ra. Nhiễu khác
lớp đƣợc mô tả trong hình 2.3. Hƣớng xuống của macrocell (link1) sẽ nhiễu với hƣớng xuống của femtocell (link4) khi truyền cùng băng tần, khi đó các thiết bị đầu cuối ngƣời dùng sẽ bị nhiễu. Tƣơng tự nhiễu sẽ xảy ra ở hƣớng lên, thì FAP và trạm cơ sở macrocell sẽ bị nhiễu.
Trong tƣờng hợp sử dụng mô hình truy nhập đóng, các thiết bị ngƣời dùng ở macrocell không thể truy nhập sử dụng dịch vụ thông qua femtocell nếu nhƣ tín hiệu giữa thiết bị ngƣời dùng và macrocell yếu. Trong trƣờng hợp này, thiết bị ngƣời dùng thông qua điều khiển công suất thích ứng truyền tín hiệu công suất mạnh làm hủy tín hiệu hƣớng lên của FAP trong vùng đóng đó.
Mật độ femtocell càng nhiều thì mức độ nhiễu trong cùng lớp càng phức tạp. Hình 2.4 mô tả cách bố trí các femtocell, theo hình 2.4a thì vùng phũ sẽ bị chồng lấn, ngƣợc lại thì khi các femtocell đƣợc bố trí ra xa thì sẽ không gây nhiễu.
2.3. Mạng Femtocell nhận thức cho thế hệ di động sau 4G 2.3.1. Khái niệm về vô tuyến nhận thức 2.3.1. Khái niệm về vô tuyến nhận thức
Cách đây hơn thập kỷ, giới hạn tài nguyên phổ gần nhƣ tăng theo cấp số nhân, cùng lúc thì công nghệ không dây ngày càng phát triển và nhu cầu sử dụng của ngƣời dùng ngày càng tăng cao. Tại thời điểm này, thì môi trƣờng không dây không thể thỏa mãn đƣợc nhu cầu ngƣời dùng về băng thông cũng nhƣ tốc độ.
Công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) xuất hiện đáp ứng giải quyết về sự khan hiếm tài nguyên phổ, và nó nhƣ một công nghệ tối ƣu cho việc sử dụng lại phổ và do đó nó gia tăng hiệu suất phổ[9].
Theo định nghĩa, vô tuyến nhận thức là “Hệ thống truyền thông thông minh, nó nhận thức đƣợc môi trƣờng xung quanh (ví dụ nhƣ thế giới bên ngoài) và dùng phƣơng pháp luận của sự hiểu biết – xây dựng đƣợc học từ môi trƣờng và thích ứng với các trạng thái bên trong môi trƣờng để thống kê các biến bên trong tần số vô tuyến đƣợc kích thích bởi các tham số thay đổi tƣơng ứng (ví dụ nhƣ công suất truyền, tần số sóng mang, và chính sách điều chế) trong thời gian thực với hai mục tiêu chính: truyền thông bất cứ lúc nào và bất cứ nơi đâu khi cần với độ tin cậy cao, tận dụng hiệu suất của phổ vô tuyến”.
Công nghệ vô tuyến nhận thức dựa trên nền tảng các hệ thống đƣợc cấp phép (hay còn gọi là hệ thống chính Primary system - PS) và không bao giờ sử dụng lại băng tần phổ đó. CR mang đến một loại vô tuyến mới – vô tuyến nhận
thức – đầu tiên, nó sẽ nhận dạng các khoảng hở phổ đang tồn tại sau đó nó sẽ sử dụng chúng một cách linh hoạt.
2.3.2. Vô tuyến nhận thức trong các hệ thống thông tin không dây
Ngày nay, công nghệ viễn thông và internet đã hội tụ để giải quyết các yêu cầu mới cho các dịch vụ không dây có độ tin cậy cao và sử dụng mọi lúc mọi nơi, đòi hỏi phải gia tăng tốc độ dữ liệu và chất lƣợng dịch vụ tốt hơn qua các mô hình quản lý hiệu suất phổ. Mạng thế hệ tiếp theo hứa hẹn giải quyết các vấn đề về phổ để đáp ứng các mô hình dịch vụ mới giữa các mạng tế bào đang tồn tại và mở rộng[14].
Công nghệ chính cho việc nâng cao hiệu suất phổ chính là công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio), đƣợc giới thiệu lần đầu bởi Mitolla. Vô tuyến nhận thức dựa trên cơ sở các sóng vô tuyến đƣợc định nghĩa bằng phần mềm (Software Defined Radios) và cung cấp khả năng điều chỉnh các tham số thu và phát theo các nhân tố trong và ngoài môi trƣờng vô tuyến nhƣ phổ tần số vô tuyến, cách thức hoạt động và trạng thái mạng.
Theo thuật ngữ CR, một mạng đƣợc cấp phép chính là băng tần phổ của mạng chính PN (Primary Network) và ngƣời dùng trong mạng chính gọi là PUs (Primary Users). Mặt khác, mạng CR cũng tham chiếu đến một mạng thứ cấp