Thiết kế các bộ phát phối hợp giữa các femtocell để giảm can nhiễu

Equipment) chỉ được phục vụ bởi một BS (Base Station)
tại một thời điểm. Tín hiệu từ các BS khác là can nhiễu
đối với UE. Khi UE di chuyển đến biên cell, nó sẽ giao
tiếp với nhiều hơn một BS để chuẩn bị handover. Đây là
lúc UE bị can nhiễu mạnh, trong khi tín hiệu mong muốn
thấp nhất và kết quả là tốc độ dữ liệu rất thấp. LTE CoMP
là chức năng phát triển cho LTE-Avanced được bổ sung
ở release-11 [4]. Kỹ thuật này cho phép truyền/nhận kết
hợp giữa các BS nhằm cải thiện chất lượng cho người
dùng cũng như việc sử dụng mạng tổng thể. Kỹ thuật
giảm ảnh hưởng của can nhiễu có thể thực hiện truyền
trên các kênh trực giao như phân chia theo tần số FDMA
(Frequency Division Multiple Access), phân chia theo
thời gian TDMA (Time Division Multiple Access). Gần
đây, kỹ thuật sắp xếp can nhiễu được phát triển cho phép
đạt được tối đa bậc tự do trong hệ thống [5]. Khi trạng
thái thông tin của kênh CSI (Channel State Information)
được biết, kỹ thuật truyền phối hợp đa điểm nhiều liên
kết eNB-UE (Evolved NodeB) được xử lý để tính toán
vector điều khiển búp sóng nhằm triệt tiêu, hạn chế can
nhiễu giữa các cell ICI (Inter-Cell Interference), nguyên
nhân làm giảm chất lượng của hệ thống. Kỹ thuật này
được gọi là beamforming hoặc precoding. Phối hợp đa
điểm giữa các BS có thể thực hiện trên cả đường lên và
đường xuống. Tuy nhiên, vấn đề quan tâm của bài báo
này là kỹ thuật truyền phối hợp đa điểm cho kênh đường
xuống. Như được minh họa trong hình 1 CoMP được
chia làm hai nhóm:
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 416
• Coordinated scheduling/beamforming CS/CB:
UE chỉ nhận dữ liệu từ một eNB. Dữ liệu scheduling
và beamforming được trao đổi giữa các eNB để phối
hợp kiểm soát can nhiễu.
• Joint transmission (JT): tín hiệu phát đến UE đồng
thời từ một số eNB nhằm tăng cường độ tín hiệu
thu ở UE. Cũng như CS/CB, phương pháp này chủ
động triệt tiêu can nhiễu gây ra do tín hiệu truyền
đến các UE khác thông qua việc trao đổi thông tin
giữa các eNB. JT CoMP đặt yêu cầu rất cao ở mạng
backhaul. Ngoài dữ liệu điều khiển, dữ liệu của UE
cũng phải được gửi đến mỗi eNodeB trong nhóm
CoMP phục vụ cho UE đó. Lưu lượng dữ liệu trong
mạng có thể rất lớn tùy thuộc vào số lượng eNB.
Hình 1. Joint transmission và CS/CB CoMP
Bài báo này sẽ tập trung khảo sát kỹ thuật beamforming
phối hợp giữa các femtocell bằng các phương pháp
khác nhau. Mô hình xem xét trong bài báo gồm nhiều
femtocell trong đó mỗi BS sử dụng nhiều antenna phục
vụ nhiều người sử dụng UE, mỗi UE có một antenna. Bài
báo phát triển các giải thuật cho trường hợp kênh fading
băng hẹp đến hệ thống băng rộng trong LTE có khai thác
kỹ thuật OFDM. Kết quả mô phỏng cho thấy kỹ thuật
beamforming phối hợp tối đa tỷ số tín hiệu trên rò rỉ
cộng nhiễu SLNR (Signal-to-Leakage plus Noise Ratio)
sẽ cho tốc độ bit trung bình cao nhất so với các phương
pháp zero-forcing và maximum ratio transmission.
II. MÔ HÌNH VÀ GIẢI PHÁP
Xét một cell có nhiều người sử dụng như hình 2, trong
đó giả sử có K người dùng sử dụng đồng thời cùng kênh
tần số. Mô hình này được gọi là kênh can nhiễu nhiều
người sử dụng. Giả sử BS được trang bị Nt antenna trong
khi mỗi user trang bị Nr antenna. Tín hiệu phát bởi BS
Hình 2. Hệ thống đa người dùng
được cho bởi
x (n) =
K∑
k=1
wksk (n), (Nt × 1) (1)
sk (n) là tín hiệu phát cho người dùng thứ k và wk là
vector beamforming tương ứng. Giả sử công suất bởi BS
là Pt, nghĩa là
E
{
‖x (n)‖2
}
= Pt, ‖wk‖2 = 1. (2)
Tín hiệu thu được tại người dùng thứ i
yi = Hiwisi︸ ︷︷ ︸
tín hiệu mong muốn
+
K∑
k=1,k 6=i
Hiwksk︸ ︷︷ ︸
can nhiễu
+ ni,
(3)
Hi là ma trận hệ số kênh truyền từ BS đến người dùng i,
và ni ∼ CN
(
0, σ2i
)
là nhiễu ở người dùng thứ i. Kênh
đường xuống phát quãng bá phục vụ nhiều UE cùng lúc
gây ra can nhiễu. Giả sử các trạng thái thông tin của
kênh là hoàn hảo, các bộ thu sử dụng bộ lọc phối hợp
[6], như hình 3.
Hình 3. Sơ đồ khối MU-MIMO
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 417
Mô hình femtocell Kt BS với mỗi BS có Nt antenna
phát vàKr người dùng mỗi người được trang bị 1 antenna
thu được xem xét như hình 4 . Khi thực hiện beamforming
kết hợp, BSj gắn với nó hai vùng khái niệmDj và Cj [7].
BSj phải biết được ước lượng kênh của tất cả người dùng
trong vùng Cj . Đối với người dùng ngoài phạm vi Cj ,
tín hiệu từ BSj tới nó không đáng kể và được xem như
một phần của nhiễu nền. Cj là vùng phối hợp can nhiễu
của BSj. Đối với vùng dữ liệu Dj ⊆ Cj , BSj phải phục
vụ cho tất cả người dùng trong vùng này.
Hình 4. Vùng dữ liệu Dj và vùng phối hợp can nhiễu Cj của BSj
Từ khái niệm về vùng dữ liệu và vùng can nhiễu, ma
trận dữ liệu Dk ∈ CKtNt×KtNt và ma trận can nhiễu
Ck ∈ CKtNt×KtNt được xây dựng cho người dùng thứ
k như sau:
Dk =
 Dk1 0. . .
0 DkKt
 , Dkj = { INt , k ∈ Dj0Nt , k /∈ Dj
(4)
Ck =
 Ck1 0. . .
0 CkKt
 , Ckj = { INt , k ∈ Cj0Nt , k /∈ Cj
(5)
Ta có
Hkj ∈ C1×Nt (6)
là kênh truyền từ BSj đến MSk. Khi đó,
Hk = [Hk1 . . .HkKt ] ∈ C1×KtNt (7)
là ma trận kênh truyền từ tất cả các BS đến người dùng
thứ k. HkDk và HkCk lần lượt là kênh dữ liệu và kênh
gây nhiễu cho MSk. Tín hiệu thu được tại MSk
yk = HkCk
Kr∑
i=1
Divisi + nk. (8)
với
vi =
 0(jk−1)Nt×1wi
0(Kt−jk)Nt×1
 .
Các vùng dữ liệu và vùng can nhiễu của các BS trong
cluster CS/CB CoMP được mô tả như hình 5. BS phải
hạn chế can nhiễu đến vùng dữ liệu của các BS khác
trong cùng cluster. Vùng can nhiễu của BS trong trường
hợp này là toàn bộ không gian cluster, hình 5. Ma trận
can nhiễu của các user C1 = · · · = CKr = IKtNt .
Hình 5. Nhóm phối hợp beamforming
Sau khi đã phân định vùng hoạt động, chúng ta
phải lựa chọn thuật toán để tìm vector beamforming
(precoding). Mục đích của giải thuật beamforming kết
hợp là tìm giá trị beamformer làm cực đại SINR tại
các máy thu. Có hai hướng đi để tìm giá trị precoding:
Precoding phi tuyến mà tiêu biểu là DPC (Dirty Paper
Precoding) cho chất lượng tốt dù số lượng người dùng
lớn [8]. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là
sự phức tạp, khiến việc ứng dụng gặp nhiều khó khăn.
Trái ngược với đó, giải thuật precoding tuyến tính thực
hiện đơn giản song hiệu năng lại suy giảm rất nhanh
khi số lượng người dùng trong hệ thống lớn [9]. Trong
hệ thống femtocell, số lượng người dùng không lớn (3-6
người/FBS). Các thuật toán precoding tuyến tính phù hợp
hơn do tính đơn giản, nhanh chóng trong việc tính toán.
Sau đây, các phương pháp thiết kế trọng số beamforming
khác nhau được giới thiệu:
A. Phương pháp kết hợp tối đa (MRT: Maximum ratio
transmission MRT)
Beamforming dựa trên MRT được giới thiệu trong [10]
nhằm cực đại SNR =
pkjk
σ2k
‖Hkjkwkjk‖2 tại máy thu thứ
k. Hkjk là kênh truyền từ BSjk đến MSk. BSjk là
eNodeB phục vụ cho MSk. Vector beamforming
w
(MRT )
kjk
=
HHkjk∥∥∥HHkjk∥∥∥ . (9)
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 418
B. Zero-forcing beamforming
ZFBF triệt tiêu hoàn toàn ICI tại máy thu. Tuy nhiên
giải pháp này rất nhạy với các can nhiễu không được
mô hình hóa và các nguồn gây méo dạng khác. ZFBF
bị giới hạn về số lượng anten và datastream cho user
theo (10). Trong một số trường hợp, kết quả của ZFBF
có thể dẫn đến SNR thấp do bỏ qua công suất của nhiễu
trong quá trình tính toán beamformer. Để tồn tại vector
beamforming cho user k, wkjk , số lượng anten phát tại
BS phải lớn hơn hoặc bằng tổng số anten thu
Nt ≥ KrNr. (10)
C. Maximum signal-to-leakage plus noise ratio
Vì những hạn chế của ZFBF, chúng ta phải dựa vào
một tiêu chí khác để tìm beamformer. Tiêu chí này phải
không bị ràng buộc bởi (10) và bao gồm nhiễu trong việc
xác định beamformer. Thuật toán tìm beamformer để cực
đại SLNR thõa mãn được những yêu cầu nêu trên. Với
SLNR được định nghĩa bởi
SLNRk =
1
σ2k
‖HkjkCkjkwkjk‖2
1
ηjk
+
∑
i6=k
1
σ2i
‖HkjkCijkwkjk‖2
, (11)
với ηjk là công suất phát của BSjk , vector beamforming
được tìm là
w
(SLNR)
kjk
=
(
1
ηjk
INjk +
Kr∑
i=1
1
σ2i
CHijkH
H
ijk
HijkCijk
)−1
HHkjk∥∥∥∥∥
(
1
ηjk
INjk +
Kr∑
i=1
1
σ2i
CHijkH
H
ijk
HijkCijk
)−1
HHkjk
∥∥∥∥∥
.
(12)
Các công thức trên được xem xét trên kênh fading phẳng.
Tuy nhiên, trong hệ thống LTE các kênh fading chọn
lọc tần số nên kỹ thuật OFDM đã được áp dụng cho
kênh đường xuống để chia tín hiệu thành nhiều băng
hẹp truyền trên các sóng mang con. Do đó, các kỹ thuật
beamforming trình bày phần trên sẽ được áp dụng cho
các sóng mang con tương ứng.
III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Một bộ hệ số kênh truyền được tạo ra theo mô hình
WINNER [11] dựa trên các thông số của LTE như hình
III.
Ví dụ 1: Đánh giá chất lượng của các kỹ thuật
beamforming kết hợp theo SNR tại máy thu. Thông số
mô phỏng được cho như bảng I. Vì ví dụ này đánh giá
theo SNR tại máy thu, ảnh hưởng của suy hao đường
truyền được bỏ qua bằng cách chuẩn hóa kênh truyền.
Trong quá trình mô phỏng, công suất nhiễu tại mỗi người
dùng σ2k được giả sử như nhau. Hiệu năng của kỹ thuật
Hình 6. Thông số lớp vật lý LTE
Bảng I
THÔNG SỐ MÔ PHỎNG CHUẨN HÓA CÔNG SUẤT THU
Thông số Giả định
Tần số 2GHz
Số lượng anten(Nt, Nr) (4,1)
Môi trường WINNER C2 - đô thị
Bố trí mạng 4 HeNB, 1 UE/HeNB
Băng thông kênh truyền 10 MHz
Tốc độ UE 5km/h
beamforming được đánh giá trên hiệu suất phổ trung bình
của hệ thống. Kết quả trong hình 7 chỉ ra hiệu suất phổ
theo SNR của các phương pháp. Hiệu suất phổ cực đại
theo Shannon được tính như sau [12]:
S = EH
{
Kr∑
k=1
log2 (1 + SINRk)
}
[bits/s/Hz] , (13)
Kr là số lượng người dùng trong hệ thống. Mỗi UE sử
dụng một antenna thu.
−10 −5 0 5 10 15 20 25 30
0
5
10
15
20
25
30
35
Average SNR [dB]
Av
er
ag
e 
Su
m
 R
at
e 
[bp
cu
]
SLNR−MAX
ZF
MRT
Hình 7. So sánh hiệu suất phổ các giải thuật CoMP
Từ hình 7, ta có thể quan sát rằng MRT cho hiệu suất
tốt ở SNR thấp, trái ngược hoàn toàn với ZFBF. SLNR
cho hiệu suất cao ở toàn bộ dãy SNR.
Ví dụ 2: Beamforming kết hợp cực đại SLNR trong hệ
thống femto cell. Thông số hệ thống được cho như bảng
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 419
Bảng II
THÔNG SỐ HỆ THỐNG FEMOCELL
Thông số Giả định
Tần số 2GHz
Số lượng anten(Nt, Nr) (2,1)
Độ lợi anten HeNodeB 2.16dBi (dipole nửa bước sóng)
Mô hình kênh WINNER II A1 - trong nhà
Công suất phát HeNB 20 dBm
Băng thông kênh truyền 10 MHz
Noise figure người dùng 8 dB
Mật độ công suất nhiễu -174dBm/Hz
UE antenna Omnidirectional A (θ) = 0 [dB]
Tốc độ UE 5km/h
II. Tiêu chí đánh giá cũng dựa trên hiệu suất phổ trung
bình của hệ thống. Vị trí phân bố của người dùng trong
hệ thống được cho như hình 9. Ngoài dữ liệu, các tín
hiệu điều khiển, lái, đồng bộ khung cũng được trao đổi
giữa eNodeB và UE. Do đó, hiệu suất phổ theo Shannon
phải được hiệu chỉnh lại cho LTE [12] như công thức
(14). Các hệ số hiệu chỉnh được tìm bằng phương pháp
điều chỉnh đường cong (curve fitting).
S = EH
{
Kr∑
k=1
BWeff × η × log2
(
1 +
SINRk
SNReff
)}
(14)
Hình 8. Hệ số hiệu chỉnh
(
BWeff × η, SNReff
)
Trong ví dụ này, mô hình hệ thống femto cell được mô
tả như hình 9. Các vector lần lượt chỉ hướng di chuyển
của người dùng và hướng broadside dãy antenna FBS
(Femto Base Station). Mỗi FBS phục vụ hai người dùng
gần nó nhất. Kết quả mô phỏng được trình bày ở hình
10.
Do điều kiện (10) không thõa mãn nên phương pháp
ZFBF không thể thực hiện được trong mô hình này. Kết
quả cho thấy được ưu thế của giải thuật beamforming kết
hợp SLNR.
−30 −20 −10 0 10 20 30
−30
−20
−10
0
10
20
30
Cells area, X[m]
Ce
lls
 a
re
a,
 Y
[m
]
NETWORK LAYOUT: BSs and BS Sectors, MSs and MS Directions
UE
HeNodeB
Hình 9. Femtocell layout
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Average Sum Rate [bpcu]
Area sum rate CDF
MRT
SLNR−MAX
Hình 10. Hiệu suất phổ femtocell CoMP
IV. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày mô hình truyền phối hợp giữa
các trạm gốc của các femtocell. Các mô phỏng đánh giá
hiệu suất phổ trung bình của hệ thống femto cell dùng
các kỹ thuật khác nhau đã được thực hiện. Các kết quả
mô phỏng cho thấy kỹ thuật phối hợp giữa các femto
cell dùng phương pháp maximum signal-to-leakage plus
noise ratio có thể cải thiện đáng kể dung lượng của hệ
thống. Tuy nhiên, mô hình trong bài báo tập trung vào
trường hợp kênh truyền hoàn hảo, vấn đề kênh truyền
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 420
không hoàn hảo cũng như kỹ thuật đạt được trạng thái
thông tin kênh cần được khảo sát thêm.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa
học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài
mã số 102.04-2013.46.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] 4G Americas, “LTE: Long Term Evolution.” LTE introduction.
[2] D. Cui, “LTE peak rates analysis,” in Wireless and Optical
Communications Conference, 2009. WOCC 2009. 18th Annual,
pp. 1–3, May 2009.
[3] D. Lopez-Perez, I. Guvenc, G. de la Roche, M. Kountouris,
T. Quek, and J. Zhang, “Enhanced intercell interference coor-
dination challenges in heterogeneous networks,” Wireless Com-
munications, IEEE, vol. 18, pp. 22–30, June 2011.
[4] 3GPP TR 36.819, “Coordinated multi-point operation for lte
physical layer aspects (release 11),” tech. rep., 2013.
[5] V. Cadambe and S. Jafar, “Interference alignment and degrees of
freedom of the K -user interference channel,” IEEE Transactions
on Information Theory, vol. 54, pp. 3425–3441, Aug 2008.
[6] M. Sadek, A. Tarighat, and A. Sayed, “A leakage-based precoding
scheme for downlink multi-user mimo channels,” Wireless Com-
munications, IEEE Transactions on, vol. 6, pp. 1711–1721, May
2007.
[7] E. Bjornson and E. Jorswieck, Optimal Resource Allocation in
Coordinated Multi-Cell Systems. Foundations and Trends(r) in
Communications and Information, Now Publishers Incorporated,
2013.
[8] H. Weingarten, Y. Steinberg, and S. Shamai, “The capacity region
of the gaussian multiple-input multiple-output broadcast channel,”
Information Theory, IEEE Transactions on, vol. 52, pp. 3936–
3964, Sept 2006.
[9] D. Gesbert, M. Kountouris, R. Heath, C.-B. Chae, and T. Salzer,
“Shifting the mimo paradigm,” Signal Processing Magazine,
IEEE, vol. 24, pp. 36–46, Sept 2007.
[10] T. K. Y. Lo, “Maximum ratio transmission,” Communications,
IEEE Transactions on, vol. 47, pp. 1458–1461, Oct 1999.
[11] P. Kyosti, “WINNER II channel models,” Sept 2007.
[12] P. Mogensen, W. Na, I. Kovacs, F. Frederiksen, A. Pokhariyal,
K. Pedersen, T. Kolding, K. Hugl, and M. Kuusela, “LTE ca-
pacity compared to the shannon bound,” in Vehicular Technology
Conference, 2007. VTC2007-Spring. IEEE 65th, pp. 1234–1238,
April 2007.
 Hội thảo quốc gia 2014 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin (ECIT2014) 
ISBN: 978-604-67-0349-5 421