Kiến trúc mạng mới sẽ được cấu thành từ hai lớp phân biệt rõ ràng: Lớp macrocell truyền thống và lớp femtocell; trong đó các cell nhỏ (femtocell) có thể được triển khai một cách ngẫu nhiên bên trong vùng phủ địa lý của macrocell và dùng chung tài nguyên tần số với macrocell bao phủ. Một mạng như thế gọi là mạng hai lớp hay mạng hai tầng.
Hình 1: Mô hình mạng hai lớp macrocell và femtocell điển hình
Việc sử dụng femtocell sẽ làm tăng hiệu suất sử dụng phổ, mở rộng vùng phủ cũng như nâng cao chất lượng phủ sóng tại những nơi mà macrocell không thể phủ tới hoặc có chất lượng thấp – như trong các văn phòng sâu trong các tòa nhà, các đường hầm hay tại biên của macrocell. Tuy nhiên, việc dùng chung tài nguyên tần số và tính ngẫu nhiên của việc lắp đặt femtocell bên trong macrocell sẽ làm vấn đề can nhiễu trở nên phức tạp hơn nhiều so với cấu hình mạng chỉ có một lớp cell.
Bên cạnh can nhiễu giữa các phần tử trong nội tại mỗi lớp mạng (nhiễu đồng lớp) còn có can nhiễu giữa các phần tử thuộc các lớp mạng khác nhau (nhiễu xuyên lớp). Do các cell trong lớp macrocell được triển khai bởi nhà khai thác nên can nhiễu đồng lớp macrocell được giải quyết bằng quá trình quy hoạch, trong đó đã xác định vị trí trạm gốc, góc phương vị/độ nghiêng của anten, tần số sóng mang sử dụng,v.v… sao cho mức độ gây nhiễu là thấp nhất. Còn trong lớp femtocell, các femtocell được triển khai ngẫu nhiên không theo quy hoạch của nhà khai thác mà theo nhu cầu của người sử dụng nên diễn biến của can nhiễu đồng lớp femtocell phức tạp và khó kiểm soát hơn nhiều so với lớp macrocell. Bài báo này phân tích tác động của nhiễu đồng lớp đối với các femtocell và người dùng femtocell, đồng thời đưa ra một số giải pháp khắc phục.
2. Các vấn đề do nhiễu đồng lớp Femtocell gây ra
Nhiễu đồng lớp được mô tả như một tín hiệu không mong muốn thu được tại một femtocell nào đó do các femtocell khác phát ra, làm chất lượng truyền thông của femtocell đó giảm đi. Nhiễu đồng lớp femtocell xuất hiện chủ yếu giữa những người dùng femtocell ở sát cạnh nhau do sự cách li kém giữa các ngôi nhà và các căn hộ. Các vấn đề chính do nhiễu đồng lớp femtocell gây ra được tổng hợp trong Hình 2.
Mặt khác, femtocell có thể được triển khai theo chế độ truy nhập nhóm thuê bao đóng (CSG – Closed Subscriber Group, trong đó chỉ các thuê bao đã được đăng ký trong danh sách mới được phép truy nhập tới FAP), hoặc theo chế độ truy nhập mở (trong đó tất cả các UE đều có thể truy nhập tới FAP), nên ảnh hưởng của nhiễu đồng lớp cũng sẽ khác nhau tùy theo phương pháp truy nhập.
Hình 2: Các vấn đề chính gây ra bởi nhiễn đồng lớp femtocell
Ở đường lên, với công nghệ CDMA, nhiễu đồng lớp sẽ làm gia tăng mức nhiễu tại FAP (Femtocell Access Point – Điểm truy nhập femtocell). Với công nghệ OFDMA thì nhiễu đồng lớp có thể gây nhiễu xuyên sóng mang tại vị trí FAP.
Ở đường xuống, nhiễu đồng lớp làm gia tăng mức nhiễu tại vị trí các UE femtocell. Một vấn đề đặc biệt nghiêm trọng ở đường xuống là việc xuất hiện các vùng chết, dẫn đến việc không thể thực hiện giao tiếp qua bất kỳ femtocell nào.
(Vùng chết (dead zone) – là vùng không thể thực hiện được giao tiếp do có giá trị tỉ số sóng mang trên nhiễu và tạp âm CINR (Carrier to Interference and Noise Ratio) quá thấp do mức can nhiễu cao, đây là khái niệm hoàn toàn khác với khái niệm lỗ trống vùng phủ (coverage hole), là vùng có CINR thấp do mất đường truyền, khiến cho UE không thể truy nhập vào mạng).
Với hệ thống CDMA, dịch vụ còn dễ bị suy yếu hơn nữa do quá trình điều chế trong CDMA sẽ trải công suất tín hiệu trên phổ, khiến cho mật độ không gian công suất cũng như CINR nhận được bị suy giảm.
Với hệ thống OFDMA, các vùng chết được nhìn nhận khác nhau bởi mỗi người sử dụng, tùy vào việc ấn định các kênh con (các kênh này có thể khác nhau giữa các femtocell khác nhau). Một người sử dụng femtocell OFDMA có thể nhận biết một vùng chết với một số kênh con nào đó, trong khi các kênh con còn lại thì không. Điều này được minh họa trong Hình 3. Vùng xám trong Hình 3(a) miêu tả các vùng có CINRHình 4(b) chỉ ra các vùng có CINR
Hình 3(c) rõ ràng rằng kích thước của các vùng mà tại đó tất cả các kênh con OFDMA đều bị can nhiễu nhỏ hơn nhiều so với các vùng chết đối với các kênh con riêng biệt. Đó là kết quả của việc chia nhỏ phổ sử dụng thành các kênh con, nhờ vậy giảm kích thước các vùng chết. Nếu tại một thời điểm nào đó mỗi femtocell sử dụng ít hơn 4 kênh con, thì số vùng chết cũng sẽ giảm đi. Trong các hệ thống OFDMA, thời gian cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc hạn chế nhiễu do việc ấn định các kênh con là khác nhau với các yêu cầu QoS khác nhau. Vì vậy, khả năng hai kênh con được sử dụng đồng thời sẽ còn giảm can nhiễu hơn nữa.
c) Vùng phủ kết hợp. Trong vùng màu đen, tất cả các kênh con OFDMA phải chịu CINR<10dB.
Hình 3: Các vùng phủ đường xuống nếu CINR>10dB cho mỗi kênh con
Với hệ thống song công theo thời gian TDD, tùy theo loại nguồn tín hiệu gây nhiễu (các FAP ở đường xuống hay các UE ở đường lên), các giải pháp được sử dụng để đối phó với nhiễu sẽ khác nhau. Nếu tất cả các femtocell ở trong cùng một khu vực được đồng bộ hóa (nghĩa là các chu kỳ đường xuống bắt đầu đồng thời về mặt thời gian), thì các tác nhân gây nhiễu cho một người sử dụng femtocell chính là các FAP lân cận (ở đường xuống). Điều này có nghĩa là một FAP sẽ chỉ gây nhiễu cho các UE của các femtocell lân cận ở đường xuống. Ở đường lên cũng tương tự. Nếu các chu kỳ đường lên của các femtocell đóng được đồng bộ với nhau, thì người dùng femtocell sẽ là các nguồn nhiễu và do đó, việc truyền dẫn từ một người dùng femtocell sẽ được xem là can nhiễu với đường lên của các FAP lân cận.
Trong trường hợp không có đồng bộ giữa các femtocell thì không thể xác định được nguồn gây nhiễu trong TDD. Các chu kì đường lên và đường xuống của các femtocell sẽ chồng lấn lên nhau và tạo ra nguồn gây nhiễu hỗn tạp (gồm các FAP và các UE). Theo cách này, tín hiệu của các femtocell kề cận sẽ tràn vào các khe thời gian của nhau khiến cho việc kiểm soát lỗi trở nên khó khăn hơn. Do đó việc định thời chính xác là một đặc tính quan trọng của các FAP dựa trên TDD, vì việc đồng bộ đồng hồ giữa các FAP khác nhau được cho là sẽ giảm nhiễu. Dù vậy, việc đồng bộ chính xác cho các FAP không phải là một nhiệm vụ đơn giản.
3. Các giải pháp khắc phục nhiễu đồng lớp femtocell
Các giải pháp khắc phục nhiễu đồng lớp được tổng hợp trong Hình 5.
Hình 4: Các giải pháp chống nhiễu đồng lớp
Giải pháp cho đường lên
Ở đường lên, các UE femtocell là các tác nhân gây nhiễu (nguồn nhiễu) và các FAP lân cận là các hệ thống nạn nhân.
Đường lên CDMA. Với một femtocell fa nào đó, tác nhân nhiễu trực tiếp là các UE của các femtocell lân cận do fa thường bị vây quanh bởi nhiều tác nhân nhiễu và chỉ ngăn cách với chúng bởi các bức tường mỏng. Nếu các UE này phát với mức công suất cao như được yêu cầu bởi femtocell của chúng thì sẽ khiến cho vùng phủ của femtocell nạn nhân sẽ bị thu hẹp. Để đối phó với vấn đề này, các kỹ thuật kiểm soát nhiễu được sử dụng giúp khắc phục can nhiễu do các femtocell gây ra cho nhau.
Giải pháp đầu tiên là áp đặt các giới hạn về công suất cho các UE femtocell, nghĩa là các femtocell không được phát ra công suất lớn hơn một mức ngưỡng nào đó. Theo cách này, mức tăng tạp âm trên đường lên của các femtocell lân cận có thể được kiểm soát. Cách thức chọn mức công suất phát như sau: tại một femtocell fa nào đó, FAP quét các băng truyền dẫn và tập hợp thông tin về công suất thu được từ các UE ở các femtocell lân cận. Công suất phát cực đại của các UE sau đó có thể được lựa chọn một cách độc lập bởi femtocell fa, công suất đó được đưa vào tính toán cùng công suất nhận được từ các femtocell khác, nghĩa là công suất của các UE sẽ được thiết lập để đạt được giá trị CINR mong muốn cho một dịch vụ nào đó tại FAP.
Giải pháp thứ hai là thực hiện điều khiển công suất cho các UE femtocell. Căn cứ vào khoảng cách từ FAP tới UE và điều kiện kênh truyền cũng như xét đến mức độ gây nhiễu của UE cho FAP lân cận, femtocell sẽ ra lệnh cho UE femtocell phát tín hiệu với mức công suất hợp lý.
Nếu triển khai dùng kênh riêng, nghĩa là lớp macrocell và femtocell khai thác các dải tần số khác nhau trong vốn tài nguyên tần số của nhà khai thác (khi đó không có tín hiệu macrocell ở cùng dải tần để đưa ra một tham chiếu cho mức nhiễu), thì độ nhạy của máy thu của FAP phải được thiết kế hết sức cẩn thận để có khả năng phát hiện nhiễu đường lên hiệu quả và đáng tin cậy.
Đường lên OFDMA. Trong các femtocell OFDMA, tùy thuộc vào QoS đường lên được yêu cầu, một người dùng nào đó chỉ sử dụng một số kênh con OFDMA. Do đó người dùng để cho FAP xác định các kênh con nào phải chịu can nhiễu và các kênh con nào không. Cụ thể ở Hình 5 đưa ra một tình huống trong đó người dùng 2 đi vào trong vùng phủ chồng lấn của femtocell của nó (f2) và femtocell kề cận (f1).
Hình 5: Can nhiễu đường lên đồng lớp trong một mạng femtocell OFDMA
Trong tình huống này, các kênh con được người dùng 2 sử dụng để kết nối tới f2sẽ bị hiểu là can nhiễu và do đó không thể sử dụng bởi f1. Bên cạnh đó, femtocell f1 cũng đang có một người dùng của chính nó (người dùng 1). Tuy nhiên, vì người dùng 1 không nằm bên trong vùng phủ của f2 nên không có cách nào để người dùng 1 biết được kênh con đường lên nào sẽ bị can nhiễu. Việc ấn định kênh con cho người dùng 1 do đó phải được thực hiện bên trong FAP.
Với công nghệ OFDMA thì can nhiễu ở đường lên thường xấu hơn so với đường xuống do can nhiễu đường xuống chỉ ảnh hưởng tới người dùng bị can nhiễu trong khi các kênh con đường lên bị can nhiễu sẽ không thể sử dụng cho tất cả người dùng của femtocell. Bên cạnh đó, khả năng giới hạn tần số phát của các kênh con khiến công nghệ OFDMA có thể giảm can nhiễu cả trong miền tần số, do đó cung cấp khả năng chống nhiễu cao hơn.
Giải pháp cho đường xuống
Với nhiễu đồng lớp đường xuống, các FAP là các nguồn nhiễu còn các UE của các femtocell lân cận là các nạn nhân.
Đường xuống CDMA. Can nhiễu đường xuống đồng lớp là một nhân tố chính gây suy yếu cho femtocell. Do các femtocell có thể được triển khai ở các vị trí gần nhau, nên việc chúng gây nhiễu lẫn nhau bởi việc rò rỉ công suất ở cửa sổ, cửa chính, và các bức tường mỏng là hoàn toàn có thể xảy ra. Tín hiệu của nhiều femtocell bên trong một vùng diện tích sẽ góp phần làm tăng can nhiễu. Với hệ thống CDMA, mức nhiễu tăng sẽ tạo ra vùng chết dẫn đến không thể thực hiện kết nối ở đường xuống.
Để ngăn chặn việc femtocell gây nhiễu ở đường xuống cho các UE của các femtocell kề cận (cả trong nhà lẫn ngoài trời), 3GPP khuyến nghị các FAP phải kiểm soát cẩn thận việc thiết lập công suất truyền của chúng bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều khiển công suất thích ứng. Điều này đặc biệt cần thiết với các femtocell truy nhập đóng CSG vì với kiểu truy nhập CSG, các UE không được phục vụ bởi FAP mạnh nhất mà chỉ bởi FAP ký kết với chúng. Giống như trong trường hợp đường lên, công suất phát đường xuống có thể được quyết định bởi mỗi FAP, dựa trên công suất thu được từ các femtocell kề cận. Do các vùng chết xuất hiện chủ yếu là do sự xuất hiện đồng thời của nhiều tín hiệu đường xuống femtocell, nên kỹ thuật nhảy thời gian cũng được đề xuất để chống lại việc các femtocell kề cận phát cùng một thời điểm. Ý tưởng của kỹ thuật nhảy thời gian là không phát tín hiệu trong toàn thời gian mà chỉ phát ở các khoảng thời gian ngắn và rỗi ở các khoảng thời gian còn lại. Như vậy, các UE sẽ phát tín hiệu ở các thời điểm khác nhau, nghĩa là can nhiễu sẽ được hạn chế.
Đường xuống OFDMA. Can nhiễu đường xuống đồng lớp diễn ra khi một người dùng femtocell nào đó đi vào một vùng có FAP, ở đó tín hiệu đến từ femtocell của chính nó không đủ cao so với tín hiệu (can nhiễu) đến từ các femtocell lân cận. Điều này có thể làm gián đoạn hoàn toàn các kết nối đường xuống trong các femtocell CDMA.
Tuy nhiên, trong các hệ thống OFDMA, việc ấn định các kênh con tại mỗi femtocell đóng vai trò quyết định tới ảnh hưởng cuối cùng của can nhiễu. Vùng chết trong các femtocell OFDMA phụ thuộc vào việc chiếm dụng phổ tại một vị trí nào đó. Hai người dùng femtocell có thể ở cùng vị trí về mặt địa lý và chỉ có một trong chúng phải chịu can nhiễu từ các femtocell lân cận, nghĩa là vùng chết chỉ ảnh hưởng đến một số kênh con OFDMA nào đó. Để minh họa điều này, trong Hình 6, các người dùng 2 và 3 muốn nhận dữ liệu đường xuống từ các femtocell tương ứng của chúng (trường hợp này là f2). f2 chỉ định kênh 1 đến 4 cho người dùng 2 và 5 đến 8 cho người dùng 3. Trong ví dụ này, cả hai người dùng đều ở trong một vùng chết do can nhiễu đến từ femtocell lân cận f1. Tuy nhiên, f1 chỉ dùng các kênh con 1 đến 4 để gửi thông tin tới người dùng hiện thời của nó (người dùng 1). Do đó, chỉ có người dùng của các kênh con 1 đến 4 mới bị canh nhiễu, người dùng 3 có thể giao tiếp thành công. Người dùng 1 trong ví dụ này cũng ở trong một vùng chết gây ra bởi can nhiễu đến từ f2 và cũng phải chịu can nhiễu do việc chiếm các kênh con 1 tới 4.
Như vậy, việc ấn định tài nguyên tần số đóng vai trò hết sức quan trọng với các femtocell OFDMA trong việc hạn chế nhiễu. Bên cạnh đó, miền thời gian cũng mang đến thêm một phương pháp để quản lý các kênh con. Ấn định tài nguyên là một trong những công nghệ quan trọng cho việc chức năng hóa các femtocell OFDMA.
Hình 6: Can nhiễu đồng lớp đường xuống trong một mạng femtocell OFDMA
