Cân bằng lưu lượng small cell trên băng tần cấp phép và băng tần không cần cấp phép

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

----------

BÀI TIỂU LUẬN
Đề tài: “ Cân bằng lưu lượng small cell trên băng tần cấp phép và băng
tần không cần cấp phép“

Giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Lớp :
Khóa:

Ts.

Hà nội, năm 2015


Small cells LTE

Mục lục

Mục lục

Lớp M14CQTE02-B

2


Small cells LTE

Danh mục bảng biểu, hình vẽ

Danh mục bảng biểu, hình vẽ

Lớp M14CQTE02-B

3


Small cells LTE

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Từ viết tắt

Viết đầy đủ

Giải nghĩa

IFW

Intergrated Femto-WiFi

Femto-Wifi tích hợp

DBF

Dual-Band Femtocell

Femtocell băng tần kép

wDevice

WiFi-only device

Thiết bị chỉ có WiFi

sDevice

“Smart” device

Thiết bị thông minh

UE

User equipment

Thiết bị người dùng

RAT

Radio Access Technology

Công nghệ truy nhập vô tuyến

AP

Access point

Điểm truy nhập

WLAN

Wireless Local Area
Network

Mạng cục bộ (LAN) không dây

BS

Base station

Trạm gốc

mBS

Macro base station

Trạm gốc trong macro cell

mDevice

Macro device

Thiết bị trong macro cell

fBS

Small cell base station

Trạm gốc trong small cell

RLC

Radio Link Control

Điều khiển kết nối vô tuyến

CQI

channel quality indicator

Bộ chỉ thị chất lượng kênh truyền

FDD
TDD

Frequency-Division

Song công phân chia theo tần số

Duplex
Frequency-Division

Song công phân chia theo thời
gian

Duplex

Lớp M14CQTE02-B

4


Small cell LTE

Nội dung

Phần A: Tổng quan về “Small Cell LTE”
I. Tổng quan về “Small cell LTE”.
Trong mạng thông tin di động tế bào, sóng rađio được phủ nhờ vào các trạm
phát sóng BTS. Mỗi một BTS sẽ phủ một vùng gọi là cell (tế bào). Nhiều cell được
thiết kế cận kề nhau để phủ sóng trên diện rộng. Chính vì cấu trúc này mà mạng thông
tin di động còn được gọi là mạng tế bào hay mạng tổ ong. Trong mạng thông tin di
động tế bào truyền thống, chúng ta thường nghe nhắc đến macrocell (tế bào vĩ mô, có
bán kính phủ lớn tầm km), microcell (tế bào vi mô, có bán kính phủ giới hạn vài trăm
mét). Với sự phát triển của mạng thông tin đi động tế bào, người ta còn thiết kế các
picocell (vùng phủ tương tự như một AP Wi-Fi) để tăng khả năng của hệ thống và tăng
tốc độ truyền thông.
Gần đây, khái niệm small cells mới được ra đời. Small cells là node truy nhập
vô tuyến công suất thấp dùng băng tần cấp phép hoặc không cần cấp phép với vùng
phủ sóng từ 10 mét đến 2 km, trong khi các macrocell phủ sóng trên 10 km. Với nhà
cung cấp dịch vụ di động đang khó khăn trong việc tăng trưởng quá mức của dữ liệu di
động, việc sử dụng biện pháp giảm tải dữ liệu di động (Mobile data offloading) hiệu
quả hơn nhờ việc sử dụng hiệu quả phổ tần số.Small cells là biện pháp quan trọng cho
việc giảm tải dữ liệu 3G, và rất nhiều nhà cung cấp dịch vụ di động dùng Small
cells như biện pháp duy nhất để nâng cao hiệu quả phổ tần số LTE hơn so với
macrocells. ARCchart dự báo đến năm 2017 sẽ có khoảng 5 triệu thiết bị Small
cells đưa vào sử dụng hàng năm.

Trong các khu vực thành thị, tập trung dân cư đông, ước tính đến 70% lưu lượng
tập trung bên trong các tòa nhà như khu văn phòng, khu mua sắm, nhà ở,… Như vậy,
với mạng lưới truyền thống như mạng vĩ mô (Macro) khó có thể cung cấp đủ lưu
lượng cũng như phủ xuyên thấu trong các tòa nhà. Vì vậy, small cell là một giải pháp
tối ưu nhất, hiệu quả nhất cho các ứng dụng trong các tòa nhà, làm tăng dung lượng,
phủ điểm cho các tòa nhà, cho các điểm "lõm" và các khu vực mua sắm,...
Các loại small cells
Small cells bao gồm femtocells, picocell và microcell. Mạng Small cells bao gồm
bộ phát tập trung và bộ phát phân tán. Công nghệ Beamforming (tập trung sóng vô
tuyến vào vùng nhất định) áp dụng để nâng cao hiệu quả vùng phủ sóng. Yếu tổ nổi
trội của công nghệ Small cells là nhà cung cấp di động quản lý tập trung.
Dạng phổ biến nhất của small cells là femtocells. Femtocells được thiết kế dùng
cho hộ gia đình và doanh nghiệp nhỏ, với khoảng cách phủ sóng ngắn và giới hạn
kênh. Femtocells khi mở rộng vùng phủ sóng lên sẽ thành: metrocells, metro
femtocells, public access femtocells, enterprise femtocells, super femtos, Class 3
femto, greater femtos và microcells.
Small cells phủ sóng trong khoảng từ 10 m trong khu đô thị và tòa nhà đến 2 km tại
vùng nông thôn. Picocells và microcells phủ sóng từ vài trăm mét đến vài km, tuy

Lớp M14CQTE02-B

5


Small cell LTE

Nội dung

nhiên chúng khác với femtocell là không phái lúc nào thiết bị cũng có khả năng tự tổ
chức và tự quản lý.

II. Ứng dụng của Small cell trong mạng viễn thông thế hệ mới
Small cells là một phần của mạng tương lai LTE. Trong mạng 3G, small cells dùng
để giảm tải dữ liệu di động. Với mạng 4G, mạng heterogeneous network (HetNet)
được đưa ra giúp nhà cung cấp dịch vụ di động xây dựng nên các lớp tế bào nhỏ hoặc
lớn. Trong LTE, tất cả các tế bào đều tự tổ chức. Home NodeB (HNB), khái niệm
3GPP hiện nay sẽ là femtocells hộ gia đình.
Trong tương lai thiết kế truy nhập sóng vô tuyến sẽ bao gồm nhiều small cell và
macrocell chồng lên nhau. Với sóng vô tuyến điều khiển bằng phần mềm, một trạm có
thể là 2G, 3G hoặc 4G qua lựa chọn và điều chỉnh hướng phát sóng rất dễ dàng.

Phần B: Cân bằng lưu lượng Small cell trên băng tần cấp phép và băng tần
không cần cấp phép
Tóm tắt
Tổ chức Third Generation Partnership Project (viết tắt tên tiếng Anh là 3GPP) gần
đây đã bắt đầu chuẩn hóa “Licensed-Assisted Access using LTE” cho small cell, trong
bài báo này gọi là Dual Band Femtocell (DBF), trong đó sử dụng giao diện của LTE
trong cả hai băng tần được cấp phép và không cấp phép dựa trên tính năng tập hợp
sóng mang Long Term Evolution (LTE). Hoặc diễn đàn small cell giới thiêu về
Integrated Femto-WiFi (IFW) small cell nó cho phép truy cập đồng thời trên cả hai
băng tần cấp phép (thông qua giao diện di động) và băng tần không cấp phép (thông
qua giao diện WiFi).
Trong bài báo này, một thuật toán thực tế cho IFW và DBF để tự động cân bằng
lưu lượng của chúng trong các băng tần được cấp phép và không cần cấp phép, dựa
trên kênh thời gian thực, can nhiễu và điều kiện lưu lượng của cả hai băng tần được
mô tả. Các thuật toán xem xét thực tế rằng một số “smart” devices (sDevices) có cả
sóng di động và sóng WiFi trong khi một số thiết bị WiFi-only devices (wDevices) chỉ
có thể có sóng WiFi. Ngoài ra, các thuật toán xem xét một kịch bản thực tế mà người
dùng small cell duy nhất có thể đồng thời sử dụng nhiều sDevices và wDevices qua
một trong hai IFW, hoặc DBF kết hợp với một mạng WiFi nội bộ (WLAN). Mục đích
để tối đa hóa người dùng thì tổng số người sử dụng hài lòng/tiện ích của người dùng

small cell, trong khi vẫn giữ các nhiễu từ các small cell tới macrocell dưới ngưỡng xác
định trước. Thuật toán này có thể được thực hiện ở điều khiển kết nối vô tuyến(RLC),
hoăc lớp mạng của các trạm IFW và DBF small cell trạm gốc. Kết quả chứng minh
rằng các thuật toán cân bằng lưu lượng được đề xuất áp dụng cho các IFW hoặc DBF
làm tăng đáng kể tiện ích tổng hợp của tất cả các macrocell và người dùng small cell,
so với thực tiễn hiện tại. Cuối cùng, vấn đề thực hiện khác nhau của IFW và DBF
được giải quyết.

Lớp M14CQTE02-B

6


Small cell LTE

Nội dung

I. Giới thiệu
Small cells như là một phần của tầng thứ hai trong nhiều tầng mạng di động đã
được coi là một phương tiện hiệu quả để thúc đẩy dung lượng và mở rộng phạm vi
vùng phủ. Có hai loại small cells được sử dụng rộng rãi. Một là femtocell có chung
các băng tần cấp phép di động với macrocells [1], [2]. Một loại khác là các hotspot
WiFi được xây dựng bởi các nhà khai thác di động để giảm tải lưu lượng truy cập từ
các băng tần được cấp phép của họ với băng tần không cấp phép. Hình 1 thể hiện bản
đồ phổ của hai phương pháp này trong trường hợp 1 và 2 tương ứng.
Trong bài báo này, chúng tôi sử dụng thuật ngữ "thiết bị" để chỉ các thiết bị đầu
cuối của người dùng cuối trong Long Term Evolution (LTE) và truyền thông WiFi,
được gọi là các thiết bị người dùng(UE) ở Dự án đối tác thế hệ thứ 3 (viết tắt tên tiếng
Anh là 3GPP) và các "trạm" trong IEEE 802.11 WiFi. Ngày nay, nhiều thiết bị "thông
minh" như điện thoại thông minh, máy tính bảng và iPad được trang bị cả WiFi và

giao diện di động. Để cải thiện tốc độ dữ liệu của các thiết bị thông minh(sDevices),
Small Cell được diễn đàn đề xuất là the Integrated Femto-WiFi (IFW)[3] cái mà thiết
bị truyền ở hai bằng tần là băng tần cấp phép (qua giao diện di động) và băng tần
không cấp phép (qua giao diện WiFi) với các thiết bị thông minh. Phổ IFW thể hiện ở
trường hợp 3 của hình 1.
Một cách khác để sử dụng đồng thời cả hai băng tần cấp phép và không cấp phép
được điều tra trong nghiên cứu trước đó của chúng [4] trong đó đề xuất rằng các
femtocells có thể sử dụng công nghệ LTE trong cả hai băng tần cấp phép và không cấp
phép thông qua tính năng kết hợp sóng mang LTE [5], kết quả ở Dual-Band Femtocell
(DBF) trong trường hợp 4 của hình 1. Vào tháng 9 năm 2014, 3GPP chấp thuận đề
nghị ngành công nghiệp để [6] bắt đầu chuẩn hóa "Access Licensed-Assisted using
LTE" cũng thường được gọi là LTE-không cấp phép, LTE-U và U-LTE. Ý tưởng
chính của LTE-U là giống như một khung DBF trong bài báo này. Từ khi không có
cấp phép phổ tần được chia sẻ bởi nhiều nhà khai thác di động và các thiết bị không
phải di động, làm thế nào để truy cập vào các băng tần không cấp phép và làm thế nào
để chia sẻ các băng tần không cấp phép với các thiết bị khác là điều cần thiết để trải
nghiệm người dùng DBF. Tuy nhiên, những vấn đề chưa được giải quyết trong [6] và
có thể là một phần quan trọng trong nỗ lực tiêu chuẩn hóa.
Thông tin liên lạc tầm ngắn dữ liệu phát sinh trong Small cells thường chứa các
loại các thiết bị khác nhau. Một loại là sDevice được trang bi cả WiFi và giao diện di
động được thảo luận ở trên. Chúng tôi coi LTE như các mạng di dộng tế báo Công
nghệ truy cập vô tuyến (RAT) trong bài viết này để sử dụng các tính năng tập hợp vận
chuyển sóng mang LTE cho DBF. Một loại khác là WiFi-only device(wDevice) như
TV, máy tính để bàn, máy in không dây và camera giám sát video, mà thường được
trang bị WiFi nhưng không có giao diện di động. Cellular-only devices chỉ được coi là
không, như các thiết bị di động mới nhất thường có một giao diện WiFi. Ngoài ra, một
người sử dụng duy nhất có thể sử dụng nhiều thiết bị cùng một lúc.

Lớp M14CQTE02-B

7


Small cell LTE

Nội dung

Hình 1: Phổ và công nghệ truy cập vô tuyến sử dụng bởi mỗi loại small cell. (LTE)
và WiFi đại diện cho giao diện được sử dụng trong một băng tần; hộp trống có
nghĩa là phổ không được sử dụng.
Ví dụ, trong một khu dân cư, một người dùng có thể xem video clip trên máy tính
bảng của mình cùng nhau qua WiFi và giao diện di động (sử dụng IFW hoặc DBF),
trong khi camera giám sát video không dây của mình liên tục chuyển video trực tiếp
đến WiFi access point (AP). Do đó, sự hài lòng của người dùng có thể đến từ kinh
nghiệm tổng thể từ nhiều sDevices và wDevices. Ở trường hợp 1 và 3, Small cell(WiFi
hotspot and IFW) có thể phục vụ cả có thể phục vụ cả sDevices và wDevices. Tuy
nhiên, ở trường hợp 2 và 4, small cell di động chính là (femto cell and DBF tương
ứng) không phục vụ wDevices. do đó chúng tôi giả định các femto cell và DBF được
triển khai với mạng không dây không di động mạng lưới khu vực địa
phương(WLAN)Aps mà không thể tích hợp vật lý với các femto hoặc DBF với các
trạm ( BS ) trong cùng một hộp. Bốn trường hợp sử dụng được tóm tắt trong Hình 2.
Trong hình và thông qua bài báo, Chúng chứng tỏ macro BS và thiết bị bởi mBS và
mDevice, tương ứng và small cell( của trường hợp 1,2,3 và 4) BS như fBS.
Trong nghiên cứu này, các "small cell" chủ yếu đề cập đến các tế bào cho thông tin
liên lạc tầm ngắn trong các khu dân cư và doanh nghiệp, như thể hiện trong bốn
trường hợp sử dụng ở hình 2. “macro cell” đề cập đến pico, micro hoặc macro cells.
Ngoài ra, "WiFi" đề cập đến giao diện được xác định bởi các tiêu chuẩn IEEE 802.11;
các "WiFi hotspot" chỉ đề cập đến các tế bào của small cell ở Trường hợp 1; các
"WLAN" chỉ đề cập đến các mạng không di động được sử dụng bởi các wDevices
trong trường hợp 2 và 4.

Tiêu điểm của bài báo là ở trường hợp 3 và 4 đươc xác định ở hình 2 và minh họa
hình 3. Sự đóng góp có thể được tóm tắt như sau.
+ Để cho DBF sử dụng giao diện LTE ở băng tần không cấp phép, chúng tôi đề
xuất một kế hoạch truy cập kênh đó gắn với cấu trúc khung LTE. Một khi kênh thu
được, các DBF sẽ thực hiện theo các tiêu chuẩn giao diện vô tuyến LTE ở băng tần
không cấp phép.
+ Chúng tôi đề xuất một thuật toán cân bằng lưu lượng động trên băng tần cấp
phép và không cấp phép cho IFW và DBF đó nhằm mục đích tối ưu hóa trải nghiệm
người dùng tổng thể từ nhiều sDevices và wDevices trong thông tin liên lạc tầm ngắn.
Các thuật toán dựa trên thời gian thực kênh, nhiễu và tình trạng lưu lượng của cả hai
băng tần. Chúng tôi xây dựng và giải quyết cho các chương trình cân bằng lưu lượng
đường xuống tối ưu để tối ưu hóa các tiện ích sử dụng (sự hài lòng) từ tất cả sDevices
và wDevices thuộc cùng một người dùng trong khi điều khiển giao thoa bị rò rỉ từ các
small cell để các macrocell.

Lớp M14CQTE02-B

8


Small cell LTE

Nội dung

+Tối ưu lớn nhất tiện ích được mô tả trong các bảng trước đó được thực hiện bằng
cách điều khiển kênh thời gian trong băng tần được cấp phép và băng tần không cấp
phép. Một khi thời gian sử dụng kênh tối ưu trong các băng tần không cấp phép được
xác định, các small cell điểu khiển tham số kênh truy nhập của nó để đạt được kênh
thời gian. Quá trình truy cập các tham số kênh điều chỉnh phụ thuộc vào RAT được sử
dụng trong các băng tần không cấp phép. Chúng tôi nghiên cứu cách các thông số truy

cập kênh có thể được điều chỉnh cho IFW, trong đó sử dụng các giao diện sóng WiFi,
và cho DBF, trong đó sử dụng các giao diện sóng LTE ở băng tần không cấp phép,
tương ứng.
+ Chúng tôi cung cấp mô phỏng hệ thống rộng lớn mà cho thấy thuật toán cân bằng
lưu lương đề xuất cải thiện đáng kể người dùng tương ứng cho IFW và DBF, so với
thực tế hiện nay, nơi các thiết bị thường phải lựa chọn chỉ có một băng tần (cấp phép
hoặc không cấp phép) để sử dụng tại một thời điểm, như trong trường hợp 1 và 2 của
hình 1.
Bài báo này mở rộng thuật toán cân bằng lưu lượng truy cập DBF chúng tôi trước
đây [7] bằng cách xem xét nhiều thiết bị WLAN không có di động, kết hợp với các
kịch bản IFW, và giới thiệu một trường hợp sử dụng mới trong đó một người dùng duy
nhất có thể sử dụng nhiều thiết bị. Cả hai bài báo này và [7] dựa trên các chương trình
truy cập kênh trong nghiên cứu trước đó của chúng [4]. Công việc này có liên quan
đến [8] trong đó đề xuất rằng các small cells LTE sử dụng băng tần khoảng trắng
truyền hình được cấp phép. Đó là đề xuất trong [8] rằng small cell LTE sử dụng nhảy
tần và thời gian nhảy trong băng tần trắng truyền hình để giảm sự can thiệp từ các thiết
bị khác trong băng tần; trong khi nghiên cứu này đề xuất một kế hoạch truy cập kênh
cảm ứng cho các small LTE để truy cập các băng tần và giảm nhiễu, mà cũng có thể
được áp dụng cho các khoản nghiên cứu (SI) "chưng nhận được Hỗ trợ truy cập bằng
cách sử dụng LTE" mà gần đây đã được chấp thuận cho 3GPP Rel-13 [6]. Ngoài ra,
các tài liệu hiện có trên băng tần không cấp phép LTE [8] [9] không điều tra các vấn
đề cân bằng lưu lượng trên hai băng tần
Bài báo này được tổ chức như sau. Trong phần. II, chúng tôi cung cấp các mô hình
hệ thống. Trong phần. III, chúng tôi giới thiệu một chương trình truy cập kênh trung
cho DBF để sử dụng băng tần không cấp phép. Trong phần IV, chúng tôi đề xuất một
thuật toán cân bằng lưu lượng cho các small cells để chỉ định lưu lượng trên các băng
tần được cấp phép và không cấp phép. Quá trình RAT phụ thuộc vào các thông số truy
cập kênh điều chỉnh được phân tích tại phần V cho IFW và trong phần VI cho DBF.
Trong phần VII, chúng tôi đánh giá thuật toán lưu lượng cân bằng đề xuất thông qua
mô phỏng hệ thống. Trong phần VIII, chúng tôi kết luận bài báo và so sánh IFW và

DBF từ một quan điểm thực hiện.

Lớp M14CQTE02-B

9


Small cell LTE

Nội dung

Hình 2. Bốn trường hợp sử dụng xem xét trong bài báo này. Trường hợp 1 và 2 là
đường cơ sở. Trường hợp 3 và 4 là trọng tâm của bài báo này. LTE và WiFi đại
diện cho không gian giao diện được sử dụng trong một băng tần ; hộp trống có
nghĩa là quang phổ không được sử dụng. Lưu ý rằng trong trường hợp 2 và 4, các
sDevice có thể chọn một trong hai small cell di động hoặc các WLAN không di
động ; để đơn giản, chúng ta giả sử nó luôn chọn những small cell.

Hình 3. Minh họa của các trường hợp 3 và 4 là kịch bản được xem xét trong bài
báo này
II. Mô hình hệ thống
Hai loại small cells, IFW [3] được giới thiệu bởi các diễn đàn về small cells và
DBF được đưa ra trong phụ lục [4] [9] đồng thời truy cập vào cả hai băng tần cấp phép
và không cấp phép được xem xét trong bài báo này. Chúng tôi xem xét truy cập small
cells khép kín mà chỉ có thể được truy cập bởi các thiết bị đã được đăng ký [1]. Trong
các băng tần cấp phép, giao diện LTE [5], trong đó phân chia phổ tần thành các khối
vô tuyến được gọi là các kênh con. Trong băng tần không cấp phép, các nút khác nhau
chia sẻ tài nguyên theo thời gian không phải tần số, vì vậy chúng tôi không xem xét
các kênh con.
Trong bài báo này, "WiFi hotspot", "IFW" và "DBF" đề cập đến cả fBS và tất cả

các thiết bị liên quan sử dụng công nghệ truy cập vô tuyến thích hợp. Thuật ngữ
"WLAN" nói đến mạng lưới được hình thành bởi một AP WiFi và wDevices cùng tồn
Lớp M14CQTE02-B

10


Small cell LTE

Nội dung

tại với sDevices trong trường hợp 2 và 4; trong khi thuật ngữ "WiFi hotspot "đề cập
đến những tế bào nhỏ trong trường hợp 1 của hình 1 được sử dụng bởi cả hai sDevices
và wDevices.
Chúng tôi giả định rằng IFW và DBF BSs điều khiển cân bằng truyền dẫn trên
các băng tần được cấp phép và không cấp phép. Làm thế nào để phân bổ tài nguyên vô
tuyến ( năng lượng, tần số và thời gian) với các thiết bị cá nhân trong một mạng trong
băng tần cấp phép là một vấn đề phức tạp [12], và nằm ngoài phạm vi của bài viết này
mà trọng tâm là phân bổ tài nguyên vô tuyến giữa các mạng tế bào bao gồm macro cell
và small cells (IFW hoặc DBF) và mạng WLAN. Vì vậy, để đơn giản, chúng ta chỉ
xem xét một sDevice duy nhất trong một small cell; mở rộng cho các trường hợp small
cell có nhiều thiết bị có thể căn cứ trên phân tích tương tự trong bài báo này.
Trong trường hợp sử dụng IFW, chúng ta xem xét một IFW fBS và mBS, IFW
fBS được kết nối với một sDevice và Nw wDevices, MBS phục vụ một NM
mDevices. Trong khi đó, trong trường hợp sử dụng DBF, chúng ta xem xét một DBF
fBS, một WiFi AP và một mBS, DBF fBS được kết nối với một sDevice, WiFi AP
được kết nối với NW wDevices, và mBS phục vụ NM mDevices. AP WiFi có thể hoặc
không được tích hợp với FBS DBF. Chúng tôi xem xét các trường hợp WiFi WLAN
và DBF sử dụng cùng một băng tần không cấp phép, đó là trường hợp xấu nhất về hiệu
suất mạng. Trong cả hai trường hợp sử dụng, các sDevice và wDevices được sử dụng

bởi một người dùng đơn lẻ hoặc một nhóm người sử dụng. Trong băng tần không cấp
phép, các DBF FBS tranh giành kênh truyền với Nw wDevices. Chúng tôi giả định
rằng có nhiều Nw, và mỗi nút tranh giành (wDevice hoặc DBF FBS) có thể cảm nhận
được các nút khác. Hơn nữa, xác suất DBF FBS truy cập được vào các băng tần không
cấp phép được ký hiệu là PDBFsuc. Nếu Tattempt (khoảng thời gian giữa hai lần truy
cập từ FBS DBF) được so sánh với thời gian truyền dẫn của các thiết bị băng tần
không cấp phép khác, nó là hợp lý để giả định rằng sự thử truy cập kênh FBS là độc
lập.
Chúng tôi giả định không có nhiễu bên ngoài các băng tần không cấp phép, trừ
những xung đột giữa các máy phát trong IFW, DBF và WLAN; trong trường hợp xung
đột, chúng tôi giả định rằng WiFi truyền luôn luôn thất bại, mặt khác, lỗi truyền dẫn
đang bị bỏ qua vì tốc độ dữ liệu thích nghi với SINR tức thời [13]. Ngoài ra, các vấn
đề thiết bị đầu cuối ẩn và hiện (hidden terminal and exposed terminal problems) có thể
được phát hiện bởi DBF và IFW fBSs qua chất lượng kênh downlink LTE (CQI) phản
hồi trên băng tần cấp phép. Trong băng tần không cấp phép, nếu fBS cảm nhận chất
lượng kênh CQI tốt trong khi từ phản hồi UE là liên tục dưới một ngưỡng, FBS có thể
xác định rằng các UE là dưới nhiễu cao từ thiết bị đầu cuối ẩn. Tương tự như vậy, nếu
FBS cảm nhận chất lượng kênh CQI xấu trong khi từ báo cáo UE là liên tục trên một
ngưỡng, FBS có thể xác định rằng bản thân FBS tìm ra vấn đề thiết bị đầu cuối. Lưu ý
rằng việc phát hiện các thiết bị đầu cuối ẩn và hiện là rất khó, nếu không muốn nói là
không thể, khi chỉ sử dụng một băng tần không cấp phép (ví dụ, WiFi, Bluetooth). Các
Lớp M14CQTE02-B

11


Small cell LTE

Nội dung

fBS có thể có các hướng giải quyết khác khi phát hiện các thiết bị đầu cuối ẩn, ví dụ
chọn một tần số sóng mang không cấp phép khác để hoạt động, điều đó nằm ngoài
phạm vi của bài báo này.
Các giao diện LTE [5] hỗ trợ cả truy nhập phân chia theo thời gian(TDD) và
(FDD) truy nhập phân chia theo tần số. Trong nghiên cứu này chúng tôi xem xét chế
độ FDD-LTE . Chúng tôi chỉ xem xét đường truyền downlink cho mDevices và
sDevices và giả định sDevices chỉ sử dụng băng tần không cấp phép cho đường truyền
downlink trong cả IFW và DBF (đường truyền uplink sử dụng các băng tần cấp phép).
Đối với các wDevices, chúng ta xem xét cả hai đường truyền downlink và uplink, do
downlink tranh giành với uplink một cách ngẫu nhiên và không thể nghiên cứu riêng
rẽ. Trong băng tần không cấp phép, hiệu suất của các sDevices trong cả hai trường hợp
sử dụng IFW và DBF là phụ thuộc vào lưu lượng truy cập của các thiết bị wDevices

tw

cùng tồn tại, có thể được mô tả bởi các tham số
, các phần của kênh thời gian cần
chia ra cho truyền dẫn UL và DL của tất cả các thiết bị wDevices.

tw

Nói chung,
được xác định bằng lưu lượng tải và tốc độ dữ liệu trung bình của
mỗi thiết bị wDevice. Lưu ý rằng tốc độ dữ liệu UL và DL của một wDevice đều
giống nhau do kênh có tính tương hỗ. Chúng tôi xác định băng thông của wDevices
bằng tổng của băng thông uplink và downlink. Để xác định công suất tối đa của mạng
di động hai lớp, chúng tôi giả định rằng mDevices và sDevices luôn có lưu lượng
đường xuống để nhận(ví dụ, lưu lượng tải của họ lớn hơn lưu lượng các lớp vật lý có
thể hỗ trợ). Trong băng tần cấp phép, chúng tôi giả định rằng mBSs không điều chỉnh
năng lượng truyền dẫn khi có nhiễu của small cells.

Cả LTE và WiFi có nhiều điều chế, hệ thống mã hóa (MCSS) và MCSS thích
ứng của chúng với tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời (SINRs). Trong thực tế, hàm tốc
độ wifi

Rw (.)

và hàm tốc độ LTE

RL (.)

phụ thuộc vào MCSs và bề rộng băng tần.

Rw (.)

Trong bài báo này, chúng tôi sẽ xem xét thực tế
được xác định bởi tiêu chuẩn
WiFi [13]. Để dễ dàng tiếp cận, đầu tiên chúng ta sẽ tiến hành phân tích sử dụng dung

RL (.)

lượng Shannon như
tại Mục IV-C; sau đó tại Mục IV-G, chúng tôi sẽ xem xét
khung đóng cho hàm tốc độ LTE thực tế. Rõ ràng là small cells băng tần không cần

RU (.)

Rw (.)

RL (.)

cấp phép hàm tốc độ
là bằng
và
trong IFW và DBF, tương ứng.
Chúng tôi giả định rằng FBS nhận biết được SINRs nhận tại sDevice trong cả hai băng
tần cấp phép và không cần cấp phép thông qua phản hồi thiết bị. Cụ thể hơn, trong

Lớp M14CQTE02-B

12


Small cell LTE

Nội dung

Pf( k )
băng tần được cấp phép, các fBS điều khiển năng lượng truyền tải

và nhận biết

Pf( k ) γ (fk )
được SINR

của sDevice trong kênh con k (k = 1, 2, ..., K). Trong các kênh

γ (fk )
con k,
là tổn hao đường truyền của tín hiệu bởi sự giao thoa và nhiễu. Chúng tôi
cũng giả định rằng FBS nhận biết được kênh nhiễu chuyển giao giữa các cell tăng lên

k)
h(fm

(k = 1, 2, ..., K) từ fBS đến mDevice sử dụng kênh con k trong các băng tần cấp
phép. Để đơn giản, chúng tôi không xem xét đến fading, tính di động hoặc máy thu
phát đa ăng ten, mà chủ yếu sẽ ảnh hưởng đến việc đạt được SINRs và độ lợi kênh
trong vấn đề của chúng tôi.
Một hàm U(S) được sử dụng để đánh giá sự hài lòng của người sử dụng về băng
thông đạt được S. Chúng tôi sẽ xem xét các hàm logarit để đạt được tỉ lệ cân đối [14],
1)
(

U (S) = ln (S),

ln(.)
là hàm logarit tự nhiên. Mặt lõm của hàm logarit cũng nắm bắt được những
trải nghiệm người dùng điển hình về băng thông, như băng thông tăng lên người sử
dụng hài lòng hơn khi băng thông thấp.
III. Hệ thống truy nhập kênh DBF cho LTE băng tần không cần cấp phép
Các tiêu chuẩn LTE nâng cao [5] giới thiệu tập hợp các đặc trưng truyền dẫn, cho
phép lên tới 5 thành phần sóng mang (CCs) sẽ được tổng hợp để tạo thành một giao
diện vô tuyến LTE duy nhất với băng thông lên đến 100MHz trong cả downlink và
uplink. Các CCs có thể là kề nhau, không kề nhau hoặc trong các băng tần khác nhau
[5]. DBF đề xuất của chúng tôi sử dụng các giao diện không gian LTE trong cả hai
băng tần được cấp phép và không cấp phép thông qua tính năng kết hợp sóng mang
LTE.
LTE được thiết kế dựa trên các giả định về sử dụng phổ tần riêng, điều đó là
không đúng trong các băng không cần cấp phép nơi các thiết bị với giao diện không
gian khác nhau cùng tồn tại. Tuy nhiên, các chương trình truy cập kênh hiện có trong
các băng tần không cấp phép như IEEE 802.11 chức năng phân phối (DCF) và chức

năng phối hợp điểm (PCF) [13], không được thiết kế cho giao diện không gian di
động, và không phù hợp với cấu trúc khung LTE. Truyền dẫn LTE được tổ chức trong
khung phụ định kỳ theo thời gian, và chỉ có thể bắt đầu ở đầu của khung phụ [5]. Kết
quả là, cố gắng truy cập kênh trong băng tần không cấp phép phải diễn ra ngay trước
khi thời gian bắt đầu của khung phụ. Nếu không, ngay cả khi fBS có được kênh, nó
không thể truyền tải cho đến khi thời gian bắt đầu của khung phụ tiếp theo, và có thể
Lớp M14CQTE02-B

13


Small cell LTE

Nội dung

mất cơ hội truyền vì thiết bị băng tần không cấp phép khác sẽ thấy kênh nhàn rỗi và
truyền tải. Vì vậy, trong phần này, chúng tôi đề xuất một hệ thống truy cập kênh với
cấu trúc khung LTE. Sau khi truy cập vào các băng tần băng tần không cấp phép, fBS
sẽ thực hiện theo các tiêu chuẩn giao diện không gian LTE và phân bổ tài nguyên vô
tuyến cho sDevices điều khiển kênh băng tần cấp phép.

Hình 4: Cơ chế truy cập kênh Dual-Band Femtocell (DBF) trong các băng tần
không cấp phép.
Hai nguyên tắc này được tuân thủ trong việc thiết kế các hệ thống truy cập kênh
DBF cho các băng tần không cần cấp phép: 1) Các FBS cảm nhận phổ tần không cấp
phép để tránh nhiễu từ những quá trình truyền đang diễn ra bởi các thiết bị băng tần
không cấp phép khác. 2) hệ thống truy cập kênh gắn với kết cấu khung LTE
Hình. 4 minh họa các sơ đồ truy cập kênh được đề xuất. Các FBS cố gắng truy
cập vào các kênh tại thời gian định kỳ được gán trước, gọi là "cơ hội truy nhập." Thời
gian của các cơ hội truy nhập được ký hiệu là Tattempt. Tại mỗi cơ hội truy nhập, các

FBS cảm nhận băng tần không cấp phép trong Tsensing giây. Nếu kênh nhàn rỗi, FBS
sẽ truy cập vào kênh và sử dụng nó trong một thời gian cố định TcellTx; nếu không
FBS sẽ chờ cơ hội truy cập tiếp theo.
Như thể hiện trong hình. 4, để phù hợp với sơ đồ này truy cập kênh với cấu trúc
khung phụ LTE định kỳ, chúng tôi cần cả hai Tattempt và TcellTx nên là bội số
nguyên của khung phụ LTE. Thời gian đó là 1ms [5]. cũng như vậy , Tattempt bao
gồm các Tsensing và các cơ hội truy nhập,Tsensing phải trước ranh giới khung phụ
LTE để có thể hoàn thành cảm nhận băng tần không cấp phép FBS ngay tại ranh giới
khung phụ LTE và sử dụng toàn bộ khung phụ LTE. Hơn nữa, như chúng ta sẽ thấy
trong mục VI, một DBF FBS có thể điều chỉnh việc sử dụng băng tần không cấp phép
của mình bằng cách điều chỉnh các thông số Tattempt và TcellTx. Trong thực tế, các
kênh cảm nhận thời gian Tsensing chủ yếu được xác định bởi các phần cứng và là thứ
tự của 10 micro giây [13] đó ít hơn so với Tattempt và TcellTx, do đó có tác động
không đáng kể đến hiệu suất DBF.

Lớp M14CQTE02-B

14


Small cell LTE

Nội dung

Để ngăn chặn DBFs việc giữ kênh trong một thời gian dài, FBS không nên truy
cập kênh ngay lập tức sau khi sử dụng kênh. Nếu kết thúc một phiên truyền xảy ra một
cơ hội truy nhập, FBS nên bỏ qua nó; nếu kết thúc của một truyền là ở giữa hai cơ hội
truy nhập, FBS nên bỏ qua cơ hội truy cập ngay lập tức sau khi kết thúc việc truyền
tải. Điều này đảm bảo rằng Tattempt nhỏ nhất giữa hai truyền dẫn liên tiếp cho các
thiết bị khác cùng truy cập băng tần không cấp phép.

IV. Cân bằng lưu lượng small cell trên băng tần cấp phép và băng tần không cấp
phép
Trong phần này chúng tôi xây dựng các công thức về chiến lược cân bằng lưu
lượng cho các small cell trong trường hợp 3 và 4 ở hình 2 để ấn định lưu lượng trên
băng tần cấp phép và băng tần không cấp phép. Việc xây dựng được thực hiện với
công nghệ truy nhập vô tuyến độc lập băng tần không cần cấp phép, do đó có thể áp
dụng cho cả thiết bị IFW và DBF; trong khi sự bổ xung sẽ được thực hiện đối với công
nghệ truy nhập vô tuyến phụ thuộc và được mô tả ở phần V áp dụng với thiết bị IFW
và trong mục IV áp dụng cho thiết bị DBF
A. Các tham số truyền dẫn cho cân băng lưu lượng
Các thiết bị IFW và DBF truy nhập vào băng tần không cấp phép dựa trên sự cảm
nhận kênh truyền, vì vậy tại một thời điểm bất kỳ chỉ có duy nhất một thiết bị có thể sử
dụng kênh truyền, và do đó có thể loại trừ sự xung đột. Vì thế băng tần không cấp
phép được chia sẻ đúng lúc giữa hai thiết bị khác nhau, và sự sử dụng băng tần không
cần cấp phép có thể được biểu thị tốt nhất bởi khoảng thời gian mà một thiết bị chiếm
dụng kênh truyền. Chúng tôi sẽ điều khiển sự sử dụng băng tần không cấp phép trong
tf

small cell bằng cách điều chỉnh phần thời gian chiếm kênh của nó, điều này sẽ tác
động đến thời gian tw, tổng thời gian kênh truyền được sử dụng bởi tất cả các thiết bị
chỉ có giao tiếp wifi (wDevice). Băng tần cấp phép được dùng đồng thời bởi cả small
cell và macro cell, và một số thiết bị trong mạng macro có thể sẽ chịu xuyên nhiễu
Pf( k )

nghiêm trọng từ các small cell [2]. Chúng tôi sẽ thiết lập công suất truyền của fBS
trong các kênh con thứ k, vì vậy mà xuyên nhiễu đến các thiết bị trong mạng macro có
thể điều khiển được, khi đó có thể thu được hiệu suất mong muốn cho các thiết bị
sDevices
B. Tối ưu hóa lợi ích người dùng đường xuống cho các trường hợp sử dụng DBF
và IFW

Như trình bày ở mục II về mô hình hệ thống, cho cả DBF và IFW, có một thiết bị
thông minh (sDevice – có thể truy nhập vào cả mạng di động và mạng wifi) và có N W
thiết bị chỉ có wifi (wDevice) được sử dụng bởi một người dùng đơn lẻ và một nhóm
đơn lẻ các người dùng. Thiết bị sDevice chia sẻ băng tần không cấp phép với N W thiết
bị chỉ có wifi, và chia sẻ băng tần cấp phép với N M thiết bị macro cell (mDevice).
Trạng thái bộ đệm (ví dụ đầy bộ đệm hoặc bộ đệm trống) của các thiết bị chỉ có wifi
Lớp M14CQTE02-B

15


Small cell LTE

Nội dung

không chỉ phụ thuộc vào tập hợp tải của nó

tw

, mà còn phụ thuộc vào thời gian sử
tw = 50%

tf

dụng kênh truyền của các cell DBF và IFW. Ví dụ, nếu
thì wDevice sẽ
không ở trạng thái đầy bộ đệm khi mà không có người dùng nào khác sử dụng băng
t f = 60%

tần không cấp phép; tuy nhiên, với các kịch bản của DBF và IFW trong đó

,
các thiết bị wDevice sẽ ở trạng thái đầy bộ đệm. Nhắc lại rằng các thiết bị sDevice
tf

luôn luôn nhận lưu lượng, do vậy thời gian

tối ưu được xác định như sau:

tmax − t f ≤ tw

(2)

tmax

Trong đó
là phần thời gian lớn nhất mà băng tần không cấp phép có thể được sử
dụng; trong trường hợp khác, thành phần kênh truyền băng tần không cấp phép sẵn có
không được sử dụng, dẫn đến gần điểm tối ưu. Do đó, với sự cân bằng lưu lượng tối
ưu trong các cell DBF và IFW, các thiết bị wDevice sẽ luôn ở trạng thái đầy bộ đệm,
mặc dù các tải lưu lượng của chúng có thể bị giới hạn
Tài liệu tham khảo [16] và [18] cho thấy một mạng WLAN với các trạm đầy bộ
đệm và không có người dùng nào khác sử dụng băng tần không cấp phép, trạm WLAN
αi

thứ i có thành phần thời gian là
được xác định bởi các tham số truy nhập kênh
truyền và các điều kiện kênh truyền của tất cả các trạm. Do đó, trong DBF và IFW sử
tw ,i

dụng trường hợp cân bằng lưu lượng tối ưu, thời gian truyền dẫn

wDevice thứ i (trong một phần của toàn bộ thời gian kênh truyền) là
tw,i = α i tw , i = 1,2, ..., N W ,

của thiết bị
3)
(

Trong đó tw là thời gian sử dụng kênh truyền của tất cả N W thiết bị wDevice. Từ đó
thông lượng của một thiết bị wDevice là
S W,i = RW,i tw ,i = RW,iα i t w , i = 1, 2,..., N W ,

4)
(

Trong đó RW,i được xác định bởi hàm tốc độ WiFi RW(.) và tỉ số SINR của thiết bị
tức thời thứ i. Trong phần IV-C, chúng tôi thể hiện rằng tham số
đến giải pháp tối ưu cuối cùng.

αi

không ảnh hưởng

Thông lượng của thiết bị sDevice đến từ cả băng tần cấp phép và băng tần không
cần cấp phép. Trong băng tần cấp phép, thiết bị sDevice và mDevice sử dụng băng tần
một cách đồng thời, do đó cần kiểm soát lưu lượng để duy trì nhiễu giao thoa từ fBS
đến các thiết bị mDevice dưới ngưỡng quy định. Trong băng tần không cần cấp phép,
Lớp M14CQTE02-B

16

Small cell LTE

Nội dung

truy nhập kênh truyền kiểu “lắng nghe trước khi nói” được sử dụng một cách rộng rãi
(ví dụ như WiFi), do đó nhiễu giao thoa không phải là một vấn đề lớn, do đó chúng tôi
không áp dụng điều khiển công suất trong trường hợp này. Nhớ lại rằng fBS biết được
tỉ số SINR đường xuống thông qua phản hồi từ thiết bị, ngoài ra, bằng tần cấp phép và
không cần cấp phép sử dụng nguồn ngân sách riêng lẻ do sự quy định khác nhau của
chính phủ, do vậy tốc độ dữ liệu băng tần không cần cấp phép R U là một hằng số được
xác định bởi hàm tốc độ WiFi RW(.) (đối với IFW), hàm tốc độ LTE RL(.) (với DBF)
và tỷ số tín hiệu tín hiệu trên nhiễu tức thời trong băng tần không cần cấp phép. Kênh
truyền băng tần không cần cấp phép được chia sẻ đúng lúc bởi các thiết bị sDevice và
wDevice, vì vậy chúng tôi điều khiển phần thời gian chiếm kênh tf được sử dụng bởi
thiết bị sDevice. Khi đó thông lượng của sDevice là
S f = ∑ RL ( Pf( k )γ (f k ) ) + t f RU ,

5)
(

k

Pf( k )

Trong đó

là công suất truyền tin trong kênh con thứ k của băng tần cấp phép.

Bài toán tối ưu có thể được thể hiện qua công thức sau:

max
(k )

Pf

,t f ,tw

NW


U sum = ∑ U ( RW,iα i t w ) + U  ∑ RL ( Pf( k )γ (f k ) ) + t f RU ÷
i =1
 k


6)
(

Các ràng buộc
2

Pf( k ) h (fmk ) ≤ I k , k = 1,2,...,K,

7)
(

t f + tw ≤ tmax

(8)

tw ≤ t w

(9)

∑P

(k )
f

≤ Ptot

(10)

k

t f ≥ 0, tw ≥ 0, Pf( k ) ≥ 0, k = 1, 2,..., K .

(11)

Ràng buộc (7) tuân theo nguyên lý được thừa nhận một cách rộng rãi trong hai tầng
mạng yêu cầu công suất xuyên nhiễu rò rỉ từ small cell đến macro cell không được lớn
Ik

hơn giá trị xuyên nhiễu nhiệt lớn nhất được cho phép
trong kênh con thứ k ( k = 1,
2, …, K), nó là các tham số hệ thống được định nghĩa trước các tham số hệ thống mà
quyết định sự cân nhắc hiệu năng giữa các macro và small cell trong băng tần cấp
phép. Ràng buộc (8) thể hiện một thực tế rằng, trên thực tế, sự tổng thời gian sử dụng
băng tần không cần cấp phép phải nhỏ hơn hoặc bằng phần thời gian chiếm kênh lớn
nhất tmax mà băng tần không cần cấp phép được sử dụng. Ràng buộc (9) chỉ ra rằng sự

Lớp M14CQTE02-B

17


Small cell LTE

Nội dung

sử dụng kênh truyền của tập hợp thiết bị wDevice không thể lớn hơn thời gian đã được
xác định bởi tập hợp tải lưu lượng.
Để thuận tiện cho việc trình bày, chúng tôi xem như thời gian t w như là một biến
cho fBS để tối ưu hóa trong việc trình bày các vấn đề như trên; tuy nhiên, giải pháp
cuối cùng trong phần IV-C thể hiện rằng fBS không cần điều chỉnh t w – bất cứ khi nào
fBS điều chỉnh thời gian tf của nó, thời gian tw cũng được điều chỉnh một cách tự động.
Mục tiêu (6) tối đa hóa toàn bộ sự trải nghiệm/lợi ích người dùng từ tất cả các thiết bị
sDevice và wDevice được sử dụng bởi người dùng (hoặc nhóm người dùng), và nó
tương đương với

max U  ∑ RL ( Pf( k )γ (f k ) ) + t f RU
, tw
 k

Pf( k ) ,t f


÷+ NW U (t w )


12)
(

Các mô hình toán học (6)-(11) chia sẻ một số điểm tương đồng với các vấn đề tối
ưu trong tài liệu tham khảo [2]; tuy nhiên, không giống như tài liệu [2] chỉ xem xét
đến băng tần cấp phép, sự tối ưu của chúng tôi còn xem xét sự cân bằng lưu lượng trên
cả băng tần cấp phép và băng tần không cần cấp phép
C. Giải pháp cho bài toán tối ưu
Pf( k )

Trong bài toán tối ưu ở trên,

ảnh hưởng đến tổng lợi ích (6) chỉ thông qua

∑

k

RL ( Pf( k )γ (f k ) )

thông lượng small cell băng tần cấp phép
. Mặt khác, hàm hữu ích
U(S) = ln(S) tăng chặt với thông lượng S, do đó tối đa hóa thông lượng băng tần cấp
phép của small cell

∑

k

RL ( Pf( k )γ (f k ) )

phụ thuộc vào các điều kiện (7) và (10) sẽ tối ưu
Pf( k )

hóa được tổng (6) là tốt. Vì vậy, để tìm được công suất tối ưu
quyết bài toán tối ưu sau đây

∑R ( P

max
(k)

L

Pf

k

(k )
f

γ (f k ) )

, chúng tôi giải

13)
(

Điều kiện

∑P

(k )
f

≤ Ptot ,

14)
(

k

2

0 ≤ Pf( k ) ≤ I k / h(fmk ) , k = 1, 2,..., K .

(15)
tf

Sau khi đạt được công suất tối ưu, tìm thời gian tối ưu
(6)-(11) tương đương như sau

Lớp M14CQTE02-B

18

thay vào bài toán tối ưu


Small cell LTE

Nội dung


U  ∑ RL ( Pf*( k )γ (f k ) ) + t f RU ÷+ NW U (tw )
 k


max
t f ,tw

16)
(

Điều kiện
t f + tw ≤ tmax ,

17)
(

t f ≥ 0, 0 ≤ t w ≤ t w .

(18)

Chúng tôi xem xét sự tối ưu trong các ràng buộc (13)-(15). Trong các phần nhỏ này
chúng tôi giải quyết các bài toán tối ưu giả sử rằng hàm tốc độ R L(.) có được theo công
thức Shannon, đó là
RL ( Pf( k )γ (f k ) ) = B log 2 ( 1 + Pf( k )γ (f k ) ) ,

19)

(

Trong đó B là băng thông của một kênh con small cell trong băng tần cấp phép.
Trong phần IV-G chúng tôi sẽ trình bày làm cách nào các phân tích này có thể mở
rộng đến các trường hợp khi mà R L(.) thu được sử dụng phép xấp xỉ từ hàm tốc độ
LTE. Sử dụng các điều kiện Karush-Kuhn-Tucker (KKT) [19], có thể thấy rõ rằng giải
tháp (13)-(15) với RL(.) được định nghĩa trong ràng buộc (19) thì được cho bởi công
thức
*( k )
f

P

+

1
1 
Ik

= min  − ( k ) ÷ ,
(k )
  µ γ f ÷
 h fm


x + = max(0, x)


÷,
2

÷


20)
(

µ

Trong đó
và
được lựa chọn để thỏa mãn ràng buộc (14). Giải
pháp trong ràng buộc (2) về số lượng có thể đạt được bằng giải thuật water-filling sửa
đổi [20] [21], điều này phân bổ công suất vào các kênh con giống nhau đến thủ tục
water-filling thông thường, chỉ khác là công suất trên kênh con thứ k phải dưới mức
I k / h (fmk )

2

.
Pf*( k )

Dựa trên công suất tối ưu

thu được ở trên, chúng tôi tiếp tục giải quyết bài

Pf*( k )

toán tối ưu (16)-(18). Vì
đã được xác định, nên tốc độ tổng cộng băng tần cấp
phép LTE của thiết bị sDevice bây giờ là một hằng số

(

)

RLtot = ∑ RL Pf*( k )γ (f k ) ,
k

Lớp M14CQTE02-B

21)
(

19


Small cell LTE

Nội dung
tf

Hàm mục tiêu (16) là một hàm tăng theo thời gian và tw (nhớ lại rằng U(.) = ln
(.)), vì vậy tính cân bằng phải đạt được trong ràng buộc (17) để tối đa hóa (16), vì lý
do dó ta có
t w = tmax − t f

22)
(

Đưa ràng buộc (21) và (22) vào bài toán tối ưu (16)-(18), chúng tôi thu được công

thức thu gọn dưới đây,

(

)

ln t f + RLtot / RU + NW ln ( tmax − t f

max
tf

)

23)
(

Điều kiện
t f ≥ 0, 0 ≤ t w ≤ t w

24)
(

Chúng tôi tạm thời bỏ qua ràng buộc (24), lấy đạo hàm biểu thức (23) theo tham số
tf

và cho biểu thức sau đạo hàm bằng = 0, ta có thể thấy rằng

RLtot 
t =
 tmax − N W

÷
NW +1 
RU 
1

*
f

25)
(

Chúng tôi xem xét điều kiện (24), điêu kiện này xác định tải lưu lượng cố định của
thiết bị wDevice, từ đó ta có

(

t *f ≥ tmax − t w

)

+

,

26)
(

Bởi vì các thiết bị sDevice luôn có dữ liệu để nhận; trong trường hợp thành phần
kênh truyền băng tần không cần cấp phép sẵn dùng sẽ không được sử dụng điều này
t *f

dẫn đến điểm cực thuận

. Do đó,

+
 1 
RLtot 
t = max 
 t − NW
÷ , tmax − t w
 NW + 1  max
RU 


(

*
f


= max  tmax − t w



(

)

+


 tmax − NW
,
NW + 1 

1

tw* = tmax − t *f

∑

k

)

+


÷
÷


(

)

+
RL Pf*( k )γ (f k )  ÷
÷

÷ ÷
RU
 ÷


(
(

27)
28)

Kết quả (28) thể hiện rằng fBS có thể điều khiển thời gian sử dụng kênh truyền t w
của thiết bị wDevice bằng cách điều chỉnh thời gian sử dụng kênh truyền tf của thiết bị
sDevice .
Lớp M14CQTE02-B

20


Small cell LTE

Nội dung

Pf*( k )

Trạm fBS sẽ tính toán công suất truyền tối ưu

trong băng tần cấp phép và thời

t *f

gian truyền tin tối ưu
trong băng tần không cần cấp phép sử dụng tương ứng các
công thức (20) và (27). Trạm fBS sau đó sẽ điều chỉnh tổng lưu lượng cấp cho băng
tần không cấp phép vì vậy nó truyền tin trong băng tần không cấp phép trong khoảng
t *f

thời gian

. Trạm fBS sẽ cấp lưu lượng còn lại cho băng tần cấp phép. Ngoài ra, trạm
Pf*( k )

fBS sẽ truyền tại công suất
trong kênh con thứ k của băng tần cấp phép. Chú ý
rằng mặc dù tốc độ dữ liệu RW của thiết bị wDevice xuất hiện trong công thức (6),
Pf*( k )

t *f

nhưng nó lại không xuất hiện trong giải pháp cuối cùng về công suất
và . Kết
quả là fBS không có được thông tin về tốc độ dữ liệu wDevice để thực hiện các đề án
về cân băng lưu lượng tối ưu.
D. Trực giác về giải pháp lưu lượng tối ưu
Trong phần này, chúng tôi trình bày trực giác về khả năng tối ưu thời gian tf
Trường hợp H1: Đầu tiên, chúng tôi xem xét trường hợp tải lớn của thiết bị
wDevice trong đó thỏa mãn hai điều kiện (29) và (30)
t w ≥ tmax

29)

(

NW RLtot / RU ≤ tmax

(30)

Từ công thức (27) và (28) ta có
+


RLtot 
t =
 tmax − NW
÷ ,
NW + 1 
RU 
NW
t *f =
tmax + RLtot / RU .
NW + 1
1

*
f

(

)

31)

(
Thông lượng của thiết bị sDevice thì đến từ cả băng tần cấp phép và không cần cấp
t 'f

phép. Ta có thể biến tổng lưu lượng của sDevice vào trong thời gian
của kênh
truyền băng tần không cần cấp phép miễn là thông lượng của băng tần cấp phép thì
cũng có thể thu được từ băng tần không cần cấp phép
t 'f =

RLtot + t *f RU
RU

=

tmax + RLtot / RU
1 + NW

32)
(

Như ta có thể thấy,
Lớp M14CQTE02-B

21


Small cell LTE

Nội dung

t =
'
f

t 'f + tw*

33)
(

NW + 1

Vì vậy, khi điều kiện (29) và (30) đồng thời được thỏa mãn, quá trình tối ưu hóa
một cách hiệu quả chuyển tổng lưu lượng sDevice (của băng tần cấp phép và không
t 'f

cần cấp phép) vào trong thời gian chiếm kênh băng tần không cần cấp phép

, và

t 'f

t *f

đảm bảo rằng thời gian chia sẻ bằng nhau thời gian chiếm kênh tổng hợp (t f’+
Trường hợp đặc biệt của điều kiện (30) là
NW RLtot / RU = tmax ,

).
34)
(

Sau đó chúng ta có thể thu được kết quả sau
t *f ≈

tmax
,
NW + 1

35)
(

tw* ≈

NW tmax
.
NW + 1

(36)

Từ kết quả (35) và (36), chúng tôi củng cố thêm rằng quá trình tối ưu phân chia
công bằng sự chia sẻ thời gian kênh truyền băng tần không cần cấp phép tới các thiết
bị sDevice
Trường hợp H2: Nếu điều kiện (29) được thỏa mãn (rõ hơn là tải wDevice cao) và
t *f

điều kiện (30) thì không, chúng ta có thể nhận được
= 0 từ (27). Tương tự như
trường hợp H1, quá trình tối ưu hóa trong trường hợp này vẫn chuyển tổng thông
lượng sDevice vào thời gian kênh truyền băng tần không cần cấp phép tf’, nhưng tỷ lệ
RLtot / RU

t 'f = (t 'f + tw* ) / ( N W + 1)

thì lớn đến mức chúng ta không thể đạt được

. Giải
(t 'f + t w* ) / ( N W + 1)

t *f

= 0 điều này tối thiểu hóa sự khác nhau giữa tf’ và

pháp tốt nhất là

Trường hợp L1: Chúng tôi xem xét trường hợp tải wDevice thấp thỏa mãn điều
kiện dưới đây
t w ≤ NW

tmax + Rtot / RU
.
NW + 1

37)
(

Giải pháp tối ưu tf’ trong (27) có viết gọn lại như sau

(

t *f = tmax − t w

Lớp M14CQTE02-B

)

+

.

38)
(

22


Small cell LTE

Nội dung

Trong trường hợp này vì tải lưu lượng tích tụ wDevice thì giới hạn, thiết bị sDevice
cố gắng để sử dụng thời gian kênh truyền sẵn có còn lại
E. Các kết quả số học
Hình 5(a) thể hiện kết quả số học của công thức (27) dưới các tỷ số

RLtot / RU

khác

γ (f k )

Pf*( k )

nhau. Trong hình 5(a) và 5(b), chúng tôi giả sử các giá trị
và
sao cho các
thiết bị sDevice cố định hiệu suất phổ là 3.9 bits/second/Hz cho băng tần cấp phép và
RLtot

RU

không cần cấp phép, vì thế chỉ có
và
tương ứng ảnh hưởng đến băng thông ở
băng tần cấp phép và không cần cấp phép. Chúng tôi cố định băng thông ở băng tần
không cần cấp phép là 20MHz, và băng thông ở băng tần cấp phép thì thay đổi (1.4, 3,
5, 10, 15, 20 và 30 MHz) để thu được tốc độ tức thời khác nhau trên băng tần cấp phép
RLtot ' s

. Băng thông tần số sóng mang LTE cấp phép chỉ có thể lên tới 20MHz; băng
thông 30MHz là do sự tổng hợp sóng mang của nhiều tần số sóng mang được cấp
phép. Tốc độ lớn nhất 72Mbps được sử dụng cho tốc độ dữ liệu
lý.

tf

(a) Giá trị

tối ưu (công thức 27)

RW

wDevice lớp vật

(b) Tổng độ lợi của sDevice và wDevice
(công thức 6)

tf

Hình 5: Sử dụng small cell tối ưu,
tot
L

R / RU

, và tổng độ lợi như là hàm của

RLtot / RU

. Tỷ số

khác nhau thu được bằng cách thay đổi băng thông băng tần cấp phép

(1.4, 3, 5, 10, 15, 20 và 30MHz), tmax = 0.9. Hình 5(b) giả sử thêm Nw = 1 và

Lớp M14CQTE02-B

23

t w = 0.6

.


Small cell LTE

Nội dung

Hình 5(b) thể hiện kết quả số học của tổng hiệu dụng trong công thức (6) liên quan
t w = 0.6

tới tf. Ở đây chúng tôi giả sử Nw = 1 và
. Từ hình 5(a) chúng ta có thể thấy thời
gian tối ưu tf phụ thuộc vào nhiều tham số. Trong hình này, chúng tôi thấy rằng một
hằng số tf không thể đạt được tổng hiệu dụng tốt dưới mọi điều kiện. Chú ý rằng hằng
t 'f

số

= 0.3 đạt được hầu hết tổng hiệu dụng tối ưu, đó là bởi vì nó khá gần với khoảng
t 'f

thời gian
tối ưu [0.3, 0.45] (xem hình 5(a)). Vì chúng ta sử dụng hiệu suất phổ cố
định cho bằng tần cấp phép, nên độ lợi hiệu dụng trong hình này thì chỉ có được từ sự
t 'f

tối ưu hóa , không phải có được từ sự điều khiển công suất. Vì thế, trong khi các
nghiên cứu hiện tại [2] thể hiện rằng điều khiển công suất băng tần cấp phép thì rất
hữu dụng cho các small cell, nhưng hình này đề xuất rằng khi điều khiển công suất đã
thực hiện với băng tần cấp phép, chúng ta có thể cải thiện hơn nữa độ lợi người dùng

t 'f

bằng cách điều khiển sự chia sẻ thời gian

trong băng tần không cần cấp phép. Thêm
t 'f

vào đó, chúng tôi cũng thấy rằng hiệu quả sẽ tăng lên khi trở lên gần hơn với giá trị
tối ưu. Chúng tôi nghiên cứu tác động của độ nhạy tổng hiệu dụng để thay đổi thời
t 'f

gian

trong mục IV-F

Lớp M14CQTE02-B

24


Small cell LTE

Nội dung

F. Phân tích độ nhạy
Trong tiểu mục này, chúng tôi phân tích các tác động của tf để tổng các ứng dụng
được thể hiện trong công thức (6). Không giống như các phân tích tối ưu ở phần
trước, việc thể hiện tf trong phần này có thể không tối ưu, do đó ta không thể tổng hợp
tf + tw = tmax ở đây. Chúng ta xem xét hai trường hợp dựa trên các giá trị tf.

Hình 6: Độ nhạy của lợi ích tổng đến sự thay đổi về thời gian t f trong trường hợp
t w = 0.6

∆U sum / ∆t f

t *f

Nw = 1,
và thời gian tối ưu. Chú ý rằng trục OY thể hiện
.Các
đường cong “analysis” thu được từ biểu thức (41) và (43). Các đường cong

(U ( t
sum

“actual” thu được từ biểu thức (6) bằng cách tính

*
f

)

( ) ) / ∆t

+ ∆t f − U sum t *f

f

Trường hợp A: nếu điều kiện (39) được thỏa mãn tức là
39)

(
Thì ta có
40)
(
Thay thế giả định (40) vào ứng dụng ở công thức (6) và lấy đạo hàm của đối với tf,
chúng ta có được để xấp xỉ giá trị đầu tiên với .. làm thay đổi khi tf được tăng lên (),
41)
(
Ở đây chúng ta sử dụng giá trị trung bình tại để nâng cao giá trị gần đúng.
Trường hợp B: nếu điều kiện (39) không được thỏa mãn tức là
42)
(
Thay (42) vào Tổng hợp ứng dụng và lấy đạo hàm của đối với tf, chúng ta THU
thu được:
Lớp M14CQTE02-B

25