Chương 1 là công suất phát trên đƣờng uplink (từ UE tới trạm gốc), bởi vì UE rất gần với ngƣời dùng (mà cụ thể ở đây là đầu).3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Phân tích, mô phỏng các giải thuật để tìm ra các chỉ số beamforming của các antenna phân tập phát ứng với các vấn đề tối ƣu đƣa ra trong trƣờng hợp đa ngƣời dùng khi CSI là biết trƣớc (Centralized & Semi-decentralized ) và không biết trƣớc (Robust design).4 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Các nghiên cứu trƣớc đây về mạng phân chia theo lớp đều chủ yếu giả sử rằng một nhà khai thác dịch vụ di động triển khai mạng macrocell với các mạng đơn/ đa microcell [3]-[4]. Một trạm microcell có độ bao phủ vô tuyến (100-500m) lớn hơn nhiều so với femtocell và thƣờng nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng triển khai Centralized. Điều này cho phép nhà khai thác dịch vụ di động hoặc là cân bằng tải cho users hoặc cho phép một nhóm các users trải nghiệm dịch vụ tốc độ cao riêng [5]-[6]. Hơn nữa, femtocells đƣợc cài đặt bởi ngƣời tiêu dùng và yêu cầu về lƣu lƣợng tại femtocells là do ngƣời dùng đặt ra, không phụ thuộc vào nhà mạng.
Trong bài báo [10], Huang đƣa ra mô hình truyền theo lớp với việc tái sử dụng lại nguồn phổ. Bài báo phân tích khả năng của đƣờng truyền khi các user tại biên của cell đƣợc hỗ trợ bởi một node relay. Các giải thuật điều khiển công suất đƣờng lên (uplink) sử dụng phƣơng pháp centralized và distributed [11] đƣợc nghiên cứu cho các mạng macrocell một antenna với mạng femtocell một antenna. Sử dụng cách tiếp cận bằng lý thuyết thông tin [12] và các bộ triệt nhiễu trong hệ thống đơn cell và đa cell tƣơng ứng với MBS và FAP để phân chia các vùng có tốc độ có thể đạt đƣợc (uplink).
Phƣơng pháp tránh nhiễu và phân tích khả năng đƣờng lên đƣợc giới thiệu cho mạng CDMA hai lớp[13] và phân tích độ bao phủ đƣờng xuống đƣợc mở rộng trong trƣờng hợp nhiều antenna với bộ tiền mã hóa zero-forcing[14]. Các phƣơng pháp beamforming đơn giản cho FAPs [15] đƣợc đề nghị để giảm nhiễu xuyên tầng cho 7 Chương 1 MU nhƣng không đảm bảo QoS. Một phƣơng pháp khác nữa là sử dụng hệ thống OFDM [16] để quản lý nhiễu xuyên tầng giữa femtocell và macrocell. Lựa chọn sóng mang đƣờng xuống và điều khiển công suất phát [17] đƣợc đề nghị nhƣ những kỹ thuật chính để quản lý nhiễu xuyên tầng cho hệ thống 3G.
Thay vì những đóng góp kể trên, tối ƣu mạng hai lớp về quản lý nhiễu và tính phức tạp của hệ thống trong mạng femtocell không đƣợc nghiên cứu sâu, đặc biệt về tính bất định của thông tin trạng thái kênh truyền CSI. Các đƣờng backhaul giữa các trạm gốc femtocell và macrocell thƣờng bị hạn chế về băng thông do chúng thƣờng tác động lên đƣờng kết nối Internet băng rộng của ngƣời dùng. MIMO (Multiple-Input-Multiple-Output) là kỹ thuật sử dụng nhiều antenna phát và nhiều antenna thu. Hệ thống MIMO đƣợc xem nhƣ chìa khóa quan trọng để cải tiến hiệu năng của kênh truyền không dây.
Việc sử dụng nhiều antenna tại máy phát và máy thu nhằm hƣớng tới hệ thống thông tin tin cậy với tốc độ cao. Kỹ thuật giải mã và giải điều chế lặp đã đƣợc đề xuất cho nhiều lĩnh vực trong truyền thông tin bao gồm xử lý đa ngƣời dùng, xử lý space-time và xử lý của bit interleaved coded modulation (BICM) [18]. Kỹ thuật này cũng cải thiện hiệu năng trên kênh truyền AWGN (Additive White Gausian Noise). Ta biết rằng nhiều antennas có thể đƣợc sử dụng để khai thác độ lợi ghép kênh, độ lợi phân tập, hay độ lợi antenna, làm tăng tốc độ dữ liệu, chất lƣợng lỗi, hay SINR của hệ thông không dây [19] -[23].
Cụ thể, trong mô hình hạn chế nhiễu nhiều user, có nhiều công trình nghiên cứu chỉ ra cách sử dụng các kỹ thuật beamforming để triệt nhiễu cũng nhƣ thỏa mãn QoS của hệ thống [24]-[30]. Các vấn đề cân bằng SINR và tối thiểu công suất phát [24]-[25] đƣợc nghiên cứu dựa vào kết hợp tối ƣu beamformer đƣờng xuống và công suất phát. Các vấn đề về tối thiểu MSE (Mean- Square Error) và cân bằng MMSE (Minimum Mean-Square Error) đƣợc đề nghị [26]. Trong hệ thống CDMA nếu ta ƣớc lƣợng CSI không tốt sẽ ảnh hƣởng tới ƣớc lƣợng beamforming MIMO.
Một cách tiếp cận khác cho thiết kế phát các vector beamforming dựa trên SLNR [28]-[30] đƣợc đề nghị cho các kênh truyền MIMO nhiều ngƣời dùng (cho đƣờng xuống). Do đó, hƣớng tiếp cận trong tƣơng lai là ứng 8 Chương 1 dụng tối ƣu MIMO trong các mạng femtocell khi CSI không lý tƣởng và các mạng đa lớp ảnh hƣởng lẫn nhau. Trong khuôn khổ của luận văn này, ta giả sử mạng hai lớp downlink gồm một MBS đa antenna và một FAP đa antenna, mỗi trạm phục vụ nhiều users với đơn antenna. Trong mô hình này, ta thiết lập các công thức để giải quyết các bài toán tối ƣu beamforming trong môi trƣờng nhiễu Gauss: i) vấn đề tối thiểu hóa tổng công suất phát, ii) vấn đề cân bằng MSE, iii) vấn đề tối thiểu hóa công suất can nhiễu.
Cách giải quyết từng vấn đề hƣớng tới mục tiêu đảm bảo QoS cho mỗi user (gồm MUs và HUs). Nội dung của luận văn có cấu trúc nhƣ sau: Chƣơng 1: Giới thiệu Chƣơng này giới thiệu về vấn đề độ bao phủ, tài nguyên băng thông phổ, tiêu thụ năng lƣợng cũng nhƣ nhiễu trƣờng điện từ của hệ thống thông tin di động hiện nay, đƣa ra giải pháp trong tƣơng lai gần sử dụng công nghệ femtocell và các vấn đề về nhiễu, can nhiễu khi sử dụng công nghệ này. Cũng trong chƣơng này, giới thiệu sơ lƣợc về tình hình nghiên cứu hiện nay về các giải pháp triệt nhiễu cũng nhƣ nâng cao hiệu suất truyền thông tin nhƣ : sử dụng kỹ thuật MIMO, OFDM, mạng hai lớp downlink. Đƣa ra các đánh giá tổng quan cho từng phƣơng pháp thực hiện Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Giới thiệu sơ lƣợc hệ thống Femtocell: khái niệm và phân loại, và các loại nhiễu khi triển khai thực tế mạng Femtocell, đồng thời đƣa ra cơ sở lý thuyết về các mô hình kênh truyền bao gồm Large Scale, Small Scale.
Convex optimization đang là một công cụ rất mạnh để giải quyết các bài toán tối ƣu trong kỹ thuật, chính vì vậy chƣơng 2 sẽ sử dụng tài liệu [32] để giới thiệu các khái niệm cơ bản về convex optimization. 9 Chương 1 Chƣơng 3: Các vấn đề tối ƣu trong mạng hai lớp đa user Giới thiệu mô hình hệ thống nghiên cứu, chức năng, cách thức thực hiện cũng nhƣ thông số của các khối trong mô hình. Chƣơng này sử dụng bài báo [30]-[32] làm tài liệu tham khảo. Centralized & Semi-decentralized: dƣới điều kiện CSI hoàn hảo ta giải quyết các vấn đề tối ƣu về tổng công suất phát, cân bằng MSE, công suất nhiễu khi đƣờng backhaul có sẵn.
Tuy nhiên trong thực tế, đƣờng backhaul thƣờng là đƣờng ADSL hoặc mạng điện thoại cố định, cho nên băng thông thƣờng bị hạn chế, do đó ta thiết kế phƣơng pháp Semi-decentralized để MBS và FAP giải quyết từng vấn đề tối ƣu riêng với việc hạn chế trao đổi thông tin giữa các bộ phát này. Robust design với CSI không hoàn hảo: do bản chất môi trƣờng truyền không dây là nhiễu và trễ cho nên CSI không phải lúc nào cũng dự đoán đƣợc. Do đó sử dụng giải thuật robust worst-case để khắc phục độ bất định của CSI. Chƣơng 4: Thực hiện mô phỏng Đƣa ra các kết quả mô phỏng, so sánh giữa các phƣơng pháp thực hiện, Chƣơng 5: Đánh giá và hƣớng phát triển Đánh giá đề tài, ƣu, nhƣợc điểm và đề xuất hƣớng phát triển 10 Chương 2 CHƢƠNG 2.1 KHÁI NIỆM FEMTOCELL 2.1 Femtocell là gì Femtocells đƣợc hiểu nhƣ là trạm gốc trong nhà (home base station), là điểm truy cập mạng tế bào kế nối với các thiết bị di động cơ bản với hệ thống mạng thông tin di động sử dụng cơ sở hạ tầng truyền dẫn có sẵn nhƣ DSL, cáp băng rộng, sợi quang hay công nghệ truyền dẫn không dây trong bán kính 1 dặm (ví dụ : PDH).2 Femtocell Access Point gồm những gì Thiết bị femtocell về chức năng không khác gì một trạm gốc truyền thống (node-B trong UMTS).
Femtocell unit về hình dáng giống nhƣ một WiFi access point. Tuy nhiên nó lại bao gồm cả chức năng của một RNC (Radio Network Controller trong mạng UMTS) hoặc BSC (Base Station Controller trong mạng GSM) và các thành phần của mạng lõi. Chính vì vậy, nó không đòi hỏi mạng lõi tế bào, mà chỉ cần kết nối dữ liệu tới mạng Internet bên ngoài thông qua cable hoặc DSL, sau đó đi vào mạng lõi của nhà đài. Ta sử dụng từ viết tắt FAP (Femtocell Access Point) thay cho femtocell unit bao gồm cả chức năng của trạm gốc và mạng lõi.
Một FAP giống nhƣ trạm phát sóng WiFi trong nhà (WAP – WiFi Access Point), tuy nhiên cấu trúc bên trong thì khác căn bản. WAP sử dụng công nghệ WiFi theo chuẩn IEEE 802. Femtocell sử dụng công nghệ thông tin di động tế bào nhƣ GSM/GPRS/EDGE, UMTS/HSPA/LTE và mobile WiMAX (IEEE 802.1 Giới thiệu Việc triển khai femtocells đƣa ra một số thay đổi về cấu trúc tổng quan của các mô hình mạng macrocellular. Kiến trúc mạng mới bao gồm hai lớp riêng rẽ, lớp macrocell và lớp femtocell.
Chính kiến trúc mạng này đƣợc gọi là mạng two-layer hay two-tier network. Lớp đầu tiên bao hàm mạng tế bào truyền thống, trong khi lớp thứ hai kết hợp một số cells tầm ngắn mà có thể đƣợc bố trí (microcells) hoặc phân 11 Chương 2 phối theo một cách ngẫu nhiên (femtocells). Trong trƣờng hợp trạm gốc trong nhà, chúng đƣợc đặt ở vị trí ngẫu nhiên trong cùng một khu vực địa lý đƣợc bao phủ bởi mạng tế bào lớn hơn (hay còn gọi là umbrella macrocell) và chúng có thể khai thác cùng một phổ tần số giống nhƣ macrocell. Do đó, một trong những thuận lợi của khai thác những cells nhỏ hơn trong cấu trúc mạng nhƣ thế này là tăng độ bao phủ ở những khu vực chƣa đƣợc bao phủ hết bởi macrocell.
Hơn nữa, do những femtocells đƣợc sử dụng bởi một số ít thuê bao, tốc độ dữ liệu cũng đƣợc nâng cao hơn. Tuy nhiên, cấu trúc của các mạng hai lớp mang đến nhiều vấn đề và tạo ra nhiều thách thức mới về thiết kế. Khi nhiều bộ phát phát ra tín hiệu trong cùng một dải tần và trong cùng một khu vực địa lý, hệ thống thu nhận thấy rằng băng tần không thể phân biệt đƣợc bộ phát nào mà nó đang lắng nghe. Đây là vấn đề sơ đẳng của nhiễu trong hệ thống viễn thông và nó là một trong những thách thức lớn khi triển khai femtocell phải đối mặt với.