Tài liệu Luận án giải pháp phân chia tần số và công suất dưới điều kiện ràng buộc nhiễu cho truyền thông nhận thức sử dụng ofdm [tt]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TIẾN HÒA GIẢI PHÁP PHÂN CHIA TẦN SỐ VÀ CÔNG SUẤT DƯỚI ĐIỀU KIỆN RÀNG BUỘC NHIỄU CHO TRUYỀN THÔNG NHẬN THỨC SỬ DỤNG OFDM Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2016 Công trình này được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.Nguyễn Văn Đức Phản biện 1: ....................................................................... Phản biện 2: ....................................................................... Phản biện 3: ....................................................................... Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội vào hồi . . . giờ, ngày . . . tháng . . . năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết của luận án Theo nghiên cứu của Ủy ban Truyền thông Liên bang FCC (Federal Communication Commission), hiệu quả của việc sử dụng của các tần số được cấp phép là thấp [21]. Hệ thống truyền thông nhận thức (CR: Cognitive Radio) được đề xuất trong [54] là một công nghệ đầy hứa hẹn có khả năng giải quyết các vấn đề sử dụng phổ tần hiệu quả. Truyền thông nhận thức cho phép người sử dụng thứ cấp SU (Secondary User) sử dụng những dải tần trống tạm thời của người dùng sơ cấp PU (Primary User) khi đảm bảo mức can nhiễu từ SU sang PU nhỏ hơn mức giới hạn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là phương pháp điều chế rất phù hợp cho các hệ thống truyền thông nhận thức [32,33,41,47,76]. Đề tài luận án nghiên cứu các giải pháp cho vấn đề phân chia kênh động và phân bổ công suất cho hệ thống CR-OFDM nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên vô tuyến. 2. Mục tiêu của luận án Mục tiêu của luận án đó là giải quyết những vấn đề tối ưu và cận tối ưu trong cấp phát kênh động và phân bổ công suất nhằm tối ưu dung lượng tổng cộng trong hệ thống CR-OFDM đơn và đa người dùng dưới các điều kiện ràng buộc nhiễu. 3. Nhiệm vụ của luận án Luận án tập trung nghiên cứu những phương pháp phân bổ công suất và phân chia kênh động nhằm tối ưu dung lượng tổng cộng trong hệ thống CR-OFDM đơn và đa người dùng dưới điều kiện ràng buộc nhiễu. Luận án giả sử rằng quá trình cảm biến hố phổ đã được thực hiện và các dải tần trống đã được biết. Các hệ số kênh truyền từ SU và PU được ước lượng hoàn hảo [51,96]. Đối với mô hình CR-OFDM đơn người dùng, vấn đề tối ưu dung lượng với các điều kiện biên có thể giải được bằng phương pháp Lagrange với các điều kiện biên 1 Karush-Kuhn-Tucker (KKT) [14]. Các phương pháp phân bổ công suất cận tối ưu được nghiên cứu một mặt nhằm giảm độ phức tạp tính toán, mặt khác đạt được dung lượng kênh gần phương pháp tối ưu tối ưu. Trong hệ thống CR đa người dùng, vấn đề tối ưu là vấn đề bất định trong thời gian đa thức (NP-Hard) không thể giải được bởi cách máy tính thông thường trong khoảng thời gian chấp nhận được, và không thể tìm được nghiệm giải tích dạng đóng [14,16]. Vấn đề tối ưu được chia thành hai quá trình bao gồm phân chia kênh động và phân bổ công suất phát. Ở đây quá trình phân chia kênh động không có lời giải tối ưu [74,75]. Quá trình phân bổ công suất có hai cách tiếp cận bao gồm tối ưu và cận tối ưu. Trong vấn đề phân bổ công suất, luận án không chỉ xem xét nhiễu tương hỗ truyền thống MUI (Multi-Users Interference) giữa PU và SU mà còn cả nhiễu nội bộ IUI (Inter-Users Interference) giữa những người dùng thứ cấp. 4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến của hệ thống truyền thông truyền thống đã được nghiên cứu sâu rộng trong [1-3,7-10,34-35,96-100]. Phương pháp phân bổ công suất theo thuật toán rót nước (Water-Filling) đã được tác giả trong [81] chứng minh rằng không hiệu quả đối với SU. Cách tiếp cận với số lượng bít điều chế và công suất phát trên từng kênh con cho hệ thống OFDM đơn người dùng được trình bày trong [71], trong đó những kênh có hệ số kênh truyền lớn được phát công suất và mức điều chế cao nhằm tăng dung lượng của hệ thống. Để đảm bảo công bằng QoS, Rhee và cộng sự trong [70] đưa ra vấn đề Max-Min để tối ưu dung lượng kênh của những người dùng có dung lượng kênh thấp. Vấn đề phân bổ công suất tối ưu và cận tối ưu đã được Bansal đưa ra trong [7-10]. Tuy nhiên ở đây PU chỉ đưa ra một mức công suất can nhiễu giới hạn, tương ứng với một PU đang hoạt động. Tác giả không đưa ra mức công suất phát giới hạn cho SU, điều này không sát với thực tế bởi trong mạng hỗn tạp có thể có nhiều PU đang hoạt động và cần bảo vệ với nhiều mức can nhiễu khác nhau [21-21]. Trong các nghiên cứu [7-10,42,97-100] đều giả sử hệ số kênh truyền trong hệ thống SU và PU đều được biết tại phía phát SU. Sự giả định này là có cơ sở bởi hệ số kênh truyền giữa những người dùng SU có thể được ước lượng theo các phương pháp ước lượng kênh truyền thống. Ngoài ra hệ số kênh truyền giữa SU và PU có thể ước lượng được dựa trên lý thuyết thuận nghịch [51,97]. Các thách thức trong việc quản lý tài nguyên trong hệ thống không nhận thức truyền thống có thể được xem ở [71]. Các tác giả trong [34,91] đề xuất sử dụng cửa sổ (Windowing) cho phía phát của SU nhằm giảm búp sóng phụ qua đó giảm nhiễu lên PU. Phương pháp này 2 giúp nâng cao công suất phát của SU và nâng cao dung lượng kênh. Phần lớn nhiễu ảnh hưởng lên PU được gây ra do những sóng mang con của SU nằm cạnh băng tần của PU [88-89,95-100]. Tác giả trong [16] đề xuất phương pháp làm giảm các búp sóng phụ bằng cách tắt đi các sóng mang con nằm kề băng tần của PU, thay cho khoảng bảo vệ CP, gọi là CC (Cancellation Carriers). Việc tắt đi những sóng mang con này có thể giảm nhiễu từ SU sang PU được gọi là chèn không. 5. Đóng góp của luận án Những đóng góp chính của như sau: 1) Đưa ra nghiệm giải tích tối ưu dạng đóng cho mô hình hệ thống CR-OFDM đơn người dùng với ba kịch bản bảo vệ chất lượng dịch vụ cho ba hệ thống PU khác nhau. Kết quả được công bố trên công trình [C3], [J2]. 2) Đề xuất giải pháp phân bổ công suất phát bám nhiễu bậc hai (SOIT) cho hệ thống CR-OFDM đơn nguời dùng. Kết quả được công bố trên công trình [C1], [J1]. 3) Đề xuất hai giải pháp phân chia tần số dựa trên nhiễu cho hệ thống CR-OFDM đa người dùng. Các giải pháp này được công bố trên công trình [C4], [J2]. 4) Đề xuất hai phương án giải quyết bài toán tối ưu và cận tối ưu trong phân bổ công suất của hệ thông CR-OFDM đa người dùng. Kết quả được công bố trên công trình [C2]. 6. Bố cục luận án Luận án được chia thành ba chương. Trong chương 1, luận án trình bày các loại can nhiễu trong mô hình mà hệ thống PU và SU cùng tồn tại cũng như dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM. Trong chương 2, luận án đưa ra nghiệm giải tích tối ưu dạng đóng cho công suất phát phân bổ trên mỗi sóng mang con trong mô hình hệ thống CR-OFDM đơn người dùng và đề xuất phương pháp phân bổ công suất SOIT với độ phức tạp thuật toán thấp hơn so với phương pháp phân bổ công suất tối ưu và mang lại hiệu năng dung lượng hệ thống cao. Luận án xem xét mô hình hệ thống CR-OFDM đa người dùng trong chương 3 và đề xuất hai giải pháp phân chia kênh động. 3 Chương 1 NHIỄU VÀ DUNG LƯỢNG TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG NHẬN THỨC 1.1. Nhiễu từ SU sang PU Giả sử rằng ta dùng một bộ lọc xung vuông cho mỗi sóng mang con thứ i của tín hiệu OFDM theo như chuẩn WLAN [21-22]. Như vậy mật độ phổ công suất của sóng mang con thứ i của người dùng SU thứ k được viết trong [66-67,88-89] là sin(πf Ts ) πf Ts φi,k (f ) = ATs !2 , (1.7) trong đó A là biên độ của tín hiệu tại sóng mang con thứ i của người dùng SU thứ k, Ts là thời gian một chu kỳ tín hiệu. Như vậy can nhiễu của tín hiệu tại sóng mang con thứ i của người dùng SU thứ k sang hệ thống PU với băng tần có bề rộng B là [7-10,88-89] Z di,k +B/2 Ii,k (di,k , Pi,k ) = Pi,k Ts di,k −B/2 sin(πf Ts ) πf Ts !2 df, (1.8) với Pi,k là công suất phát trên sóng mang con thứ i của người dùng SU thứ k, di,k là khoảng cách giữa sóng mang con của SU đến dải tần của PU. Từ công thức (l) (1.8), đặt Ii,k là nhiễu từ sóng mang con thứ i, kênh thứ k của SU sang dải tần thứ l của PU. Đặt N (k) là số lượng sóng mang con của kênh thứ k trong tổng số N sóng mang con của cả hệ thống SU. Tổng nhiễu từ SU sang PU với L dải tần sẽ là (k) L X K N X X (l) (l) Isp = Ii,k (di,k , Pi,k ) (1.13) l=1 k=1 i=1 4 Ta thấy nhiễu từ SU sang PU phụ thuộc vào 3 yếu tố: (1) độ lợi kênh hsp i,k,l ; (2) công suất Pi,k tại sóng mang con thứ i của người dùng SU thứ k; (3) khoảng (l) cách di,k giữa dải tần từ SU tới PU. 1.2. Nhiễu từ PU sang SU Mật độ phổ công suất của tín hiệu PU sau khi biến đổi Fourier với chiều dài N có thể viết [61,89]: 1 E{IN (ω)} = 2πN π sin(ω − ψ)N/2 ΦPU (e ) sin(ω − ψ)/2 −π Z !2 jω (l) dψ, (l) (1.14) (l) với ΦPU (ejω ) là mật độ phổ công suất của tín hiệu PU. Đặt Ji,k (di,k , PPU ) là nhiễu từ băng thông PU thứ l lên sóng mang con thứ i, người dùng SU thứ k ta có (l) (l) (l) Ji,k (di,k , PPU ) Z (l) di,k +∆f /2 = E{IN (ω)}dω, (l) (1.15) di,k −∆f /2 trong đó hps i,k,l là độ lợi kênh từ băng thông PU thứ l và sóng mang con thứ i của (l) người dùng SU thứ k, ∆f là bề rộng sóng mang con của SU, PPU là công suất phát của băng thông PU thứ l. 1.3. Nhiễu giữa SU (m,k) (m,k) (m) Đặt Mn,i (dn,i , Pn ) là nhiễu từ sóng mang thứ n, người dùng SU thứ m đến sóng mang thứ i người dùng SU thứ k, tương tự như trên luận án có thể viết (m,k) dn,i    ss(m,k) 2 (m) (m,k) (m,k) Mn,i (dn,i , Pn(m) ) = hn,i  Pn Ts × Z+∆f /2 (m,k) dn,i (m,k) với dn,i sin(πf Ts ) πf Ts 2 −∆f /2 ss(m,k) là khoảng cách giữa hai sóng mang thứ n và thứ i, hn,i kênh giữa máy phát thứ m đến máy thu thứ k. thứ n của người dùng CR thứ m. 5 df (1.17) (m) Pn là độ lợi là công suất trên sóng mang 1.4. Dung lượng hệ thống CR Tốc độ truyền dẫn tối đa đạt được tại sóng mang con thứ i với công suất phát Pi có thể được tính theo công thức Shannon [29]. ! 2 |hi | Pi Ri (Pi , hi ) = ∆f log2 1 + , (1.19) σi2 Trong đó hi là độ lợi kênh pha-đinh trên sóng mang con thứ i, σi2 là nhiễu trắng Gauss và can nhiễu từ phía phát PU sang sóng mang con thứ i. Dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM được đưa ra là [7-10]: C = max Pi,k N X i=1  ∆f log2  2 |hss i | Pi 1+ , PL (l) σ 2 + l=1 Ji (1.20) với Pi là công suất phát trên sóng mang con thứ i của của SU. σ 2 là phương sai (l) nhiễu trắng Gauss AWGN, Ji biểu thị nhiễu từ băng thông PU thứ l sang sóng mang con sóng mang con SU thứ i. Trong hệ thống CR-OFDM K người dùng sử dụng phương pháp đa truy nhập FDMA. Dung lượng kênh của hệ thống này được luận án đưa ra là: C = max Pi,k N (k) K XX i=1 k=1  ∆f log2 1 +  2 |hss i,k | Pi,k PL PK PN (m) (m,k) , (1.21) (l) σ 2 + l=1 Ji,k + m=1 n=1 Mn,i m6=k với Pi,k là công suất phát cho sóng mang con thứ i, người dùng SU thứ k. σ 2 là (l) phương sai nhiễu trắng Gauss AWGN, Ji,k là nhiễu từ băng thông PU thứ l sang sóng mang con thứ i, người dùng SU thứ k. N (k) là số lượng sóng mang con của (m,k) kênh SU thứ k, Mn,i là nhiễu giữa hai sóng mang con thứ i và thứ n của người dùng SU thứ m và thứ k. 6 Chương 2 PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN TRONG HỆ THỐNG CR ĐƠN NGƯỜI DÙNG Xem xét mô hình phân chia phổ tần giữa hệ thống CR và PU như trên hình 2.1. Luận án đưa ra nghiệm giải tích tối ưu dạng đóng cho mô hình hệ thống CROFDM đơn người dùng với ba kịch bản bảo vệ chất lượng dịch vụ cho ba hệ thống PU khác nhau. Kết quả giải tích được đối chứng với kết quả giải bằng công cụ tối ưu CVX [30]. Luận án cũng đưa ra phương pháp phân bổ công suất phát SOIT (Second Order Interference Tracking) dựa trên nhiễu từ PU sang SU. SOIT có độ phức tạp thuật toán là O(N logN ) bằng với Scheme A và B được đề xuất trong [7-10], và thấp hơn so với phương pháp tối ưu là O(N 3 ). 2.1. Mô hình hệ thống và đặt vấn đề Số lượng các dải tần rời rạc của hệ thống PU là L với bề rộng tương ứng là B1 , B2 , . . . , BL . Hệ thống CR-OFDM đơn người dùng với N sóng mang với khoảng Hình 2.1: Mô hình phân chia phổ tần giữa hệ thống CR và PU 7 cách giữa các sóng mang con là ∆f và chu kỳ tín hiệu là Ts . Vấn đề tối ưu có thể được mô tả như sau !) (N 2 X |hss i | Pi C = max ∆f log2 1 + , (2.1) PL Pi,k σ 2 + l=1 Jl i=1 Đối với hàm mục tiêu trong công thức (2.1), luận án xem xét ba mô hình đảm bảo QoS cho PU như dưới đây. 2.1.1. Lời giải cho mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ với một mức giới hạn can nhiễu Mô hình này đưa ra điều kiện bảo vệ PU và cho phép PU có thể hoạt động với chất lượng dịch vụ (QoS) ở mức chấp nhận được khi can nhiễu từ SU nằm trong mức giới hạn cho phép (IPC). Đồng thời luận án cũng xem xét đến điều kiện tổng công suất phát của hệ thống CR dưới mức giới hạn cho phép, là điều kiện được áp chế bởi những tổ chức quản lý tần số như FCC hoặc ETSI. Các điều kiện biên cho hàm mục tiêu (2.1) được viết là: L X N X C1 : (l) (l) Ii (di , Pi ) ≤ Ith , (2.7) với ∀i = [1, . . . , N ], (2.8) l=1 i=1 Pi ≥ 0, C2 : C3 : N X Pi ≤ Pth , với ∀i = [1, . . . , N ], (2.9) i=1 Vấn đề này có thể giải được bằng phương pháp Lagrange và các điều kiện KKT như sau [14]: ! N 2 X Pi∗ |hss i | − (2.19) L(. . . ) = log2 1 + PL σ 2 + l=1 Jl i=1 ! ! L X N N N X X X (l) −λ Ii − Ith + µi Pi∗ − β Pi∗ − Pth , l=1 i=1 i=1 i=1 với Pi∗ là nghiệm công suất tối ưu và các nhân tử Lagrange λ, µi , β ∈ R0,+ . Ta !2 (l) (l) R d +B /2 ∂Ii (l) sin(πf Ts ) l 2 i đặt Ki = ∂Pi = |hsp , giải và biện luận phương trình (l) i,l | Ts πf Ts di −Bl /2 Lagrange với các điều kiện biên KKT, nghiệm giải tích tối ưu đối với công suất 8 phát Pi∗ là ) PL (l) σ 2 + l=1 Ji , = max 0, PL − 2 (l) |hss λ l=1 Ki + β i | ( Pi∗ 1 (2.22) 2.1.2. Lời giải cho mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ với nhiều mức giới hạn can nhiễu Trong trường hợp có nhiều hệ thống PU đang hoạt động và mức giới hạn IPC của từng hệ thống PU là khác nhau. Nói cách khác mỗi dải tần Bl sẽ có định mức can l nhiễu cho phép Ith . Hơn thế nữa công suất phát của hệ thống CR cũng cần phải được giới hạn theo ủy ban truyền thông FCC hay ETSI. Vì vậy luận án đưa ra điều kiện biên như sau đây. N X C4 : (l) (l) (l) Ii (di , Pi ) ≤ Ith , ∀l = [1, . . . , L] (2.11) i=1 Pi ≥ 0, ∀i = [1, . . . , N ], C5 : N X C6 : (2.12) Pi ≤ Pth , ∀i = [1, . . . , N ], (2.13) i=1 Đặt ψi = 2 |hss i | P σ2 + L l=1 Jl phương trình Lagrange có thể viết lại như sau với điều kiện KKT như sau [13]: L(. . . ) = N X ! log2 1 + Pi∗ ψi i=1 −β − L X λl l=1 N X i=1 ! Pi∗ − Pth + N X N X ! (l) Pi∗ Ki − (l) Ith − (2.24) i=1 µi Pi∗ , i=1 Giải và biện luận phương trình Lagrange với các điều kiện biên KKT, công suất phát Pi∗ tối ưu trên mỗi sóng mang con của CR-OFDM là:  PL (l) 1 P − ψ1i , nếu (l) L l=1 λl Ki + β ≤ ψi ∗ λ K +β l=1 l i (2.29) Pi = PL (l) 0, nếu λl l=1 Ki + β > ψi 2.1.3. Lời giải cho mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ với nhiều mức giới hạn dựa trên tham số SINR Mô hình này cho phép tính toán tốc độ truyền dẫn tối thiểu (MDR) của hệ thống PU dựa trên tỉ lệ lỗi bít truyền dẫn (BER) bằng cách đặt giới hạn cho thông số tỉ 9 lệ tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm (SINR). Kịch bản này cho phép bảo vệ nhiều hệ thống PU hoạt động nhiều tốc độ truyền dẫn khác nhau. Luận án đưa ra điều kiện biên như sau đây. (l) ϑ(l) ≥ ϑth , với ∀l = [1, . . . , L] C7 : C8 : N X (2.16) Pi ≤ Pth (2.17) i=1 Pi ≥ 0, ∀i = [1, . . . , N ], C9 : (2.18) Phương trình Lagrange được viết là L(. . . ) = N X ! log2 1 + Pi∗ ψi i=1 −β + L X ! λl ϑ (l) − (l) ϑth − (2.30) l=1 N X ! Pi∗ − Pth + i=1 N X µi Pi∗ . i=1 Do điều kiện giới hạn SINR là không tuyến tính, nên hệ phương trình trên không tuyến tính dẫn vấn đề giải và biện luận phức tạp. Đặt a1 = 1/ψi , a2 = PL (l) PN (l) N0 / i=1 Ki và b = l=1 λ(l) . Phương trình vi phân Lagrange có thể rút gọn: βP ∗ 2i + [β(a1 + a2 ) + b − 1]Pi∗ + βa1 a2 + ba1 − a2 = 0. (2.36) Đặt Popt là nghiệm dương lớn nhất của phương trình (2.36), nghiệm giải tích tối ưu Pi∗ là ( Popt , nếu [β(a1 + a2 ) + b − 1] > 0 ∗ Pi = (2.39) 0, cho các trường hợp còn lại 2.2. Phương pháp phân bổ công suất cận tối ưu 2.2.1. Phương pháp phân bổ công suất đều Phương pháp phân bổ công suất đều đơn giản nhất có độ phức tạp tính toán O(N ), chia đều công suất phát cho tất cả các sóng mang. Đặt Ptot là quỹ công suất phát của SU, công suất phát trên mỗi sóng con Pi là  Ith P P nếu Ptot ≥ Pth (l) L N l=1 i=1 Ki (2.44) Pi =  Ptot nếu P ≤ P . tot th N 10 2.2.2. Phương pháp A, B của Bansal Trong [7-8], Bansal và cộng sự đã đề xuất hai phương pháp phân chia công suất cận với độ phức tạp tính toán O(N logN ). Phương pháp Scheme A Tác giả trong [7] đề xuất một phương pháp phân bổ công suất tuyến tính dựa trên tham số là khoảng cách giữa các sóng mang của hệ thống CR tới các băng tần của hệ thống PU. Trong đó công suất trên mỗi sóng mang của hệ thống CR Pi
, công suất là bội bố công suất đơn vị ∆P . Đặt P = PL PN/2 Ith(l) (l) l=1 Pi có thể viết là i=1 i× Ki +KN/2+1−i  P nếu P ≤ 4×Ptot N (N +2) Pi =  4×Ptot nếu P > 4×Ptot . N (N +2) N (N +2) (2.51) Phương pháp Scheme B Trong phương pháp Scheme B, từ nghiệm tối ưu Pi trong công thức (2.22) tác giả bỏ qua phần P (l) σ2 + L l=1 Ji 2 |hss | i và chỉ xem xét phần 1 λ PL l=1 (l) Ki . Từ đó công suất (l) phát Pi cho mỗi sóng mang con tỷ lệ nghịch với hệ số Ki . Như vậy Pi có thể viết là   PILth (l) nếu Ptot ≤ Pth i Pi = N × l=1 K (2.53) Pi = P Pth (l) nếu Ptot > Pth . L l=1 Ki 2.2.3. Đề xuất phương pháp bám nhiễu bậc hai SOIT Luận án sử dụng các hàm đa thức nhằm mô tả xấp xỉ công suất phát tối ưu trên mỗi sóng mang con và thấy rằng khi dùng hàm bậc một mô tả xấp xỉ nghiệm tối ưu sẽ cho sai số lớn đến mức 10−3 (W). Mức này xấp xỉ 0.7 lần so với công suất phát cực đại trên mỗi sóng mang con. Hàm bậc một cũng chính là phương pháp Scheme A được Bansal đề xuất trong [7-8]. Nghiên cứu sinh đã chỉ ra việc sử dụng đa thức bậc năm có thể mô tả xấp xỉ khá chính xác công suất tối ưu được phân bổ trên từng sóng mang con. Tuy nhiên việc dùng đa thức bậc năm để mô tả mức công suất cận tối ưu sẽ mang lại độ phức tạp thuật toán (Computational Complexity) lớn. Vì thế luận án sử dụng đa thức bậc hai, cụ thể là phương trình parabol nhằm mô tả xấp xỉ nghiệm tối ưu và từ đó đề xuất phương pháp bám nhiễu bậc hai SOIT. Với phương pháp này, hiệu năng dung lượng kênh của SU được cải thiện trong khi độ phức tạp tính toán vẫn là O(N logN ). Đặt P là công suất phát trung bình I Ith trên mỗi sóng mang con. Đặt α = , sử dụng PL thPN (l) và β = L×N ×K min L×N × 11 l=1 i=1 Ki M« h×nh ph©n bæ c«ng suÊt cËn tèi −u SOIT Møc c«ng suÊt ph¸t (W) 0.025 C«ng suÊt ph¸t x¸c ®Þnh t¹i l−íi parabol M¹ng l−íi parabol 0.02 0.015 0.01 0.005 C«ng suÊt ph©n bæ trªn c¸c sãng mang con 0 0 5 10 15 20 ChØ sè sãng mang con 25 30 Hình 2.4: Thuật toán bám nhiễu bậc hai mô hình CR đơn người dùng bất đẳng thức Cauchy-Schwarz luận án tính được α≤P ≤β (2.62) Tiếp theo nghiên cứu sinh xây dựng N/2 mạng lưới parabol ứng với N/2 giá trị của P , nhằm xây dựng lưới parabol xấp xỉ với công suất phân bổ tối. Sau đó đưa ra giá trị cấp phát công suất Pi bằng giá trị các nút trên mạng lưới parabol đó. Luận án xây dựng chính sách phân bổ công suất bám nhiễu bậc hai minh họa như trong hình 2.4. Ở đây parabol Lưới(1) là một lưới parabol đầu tiên, ứng với P = α và Lưới(N/2) là lưới parabol cuối cùng ứng với P = β. Hai lưới parabol này được xác định bởi hai điều kiện, một là cắt trục hoành tại vị trí sóng mang đầu tiên và sóng mang thứ N . Do tại hai vị trí này, hai sóng mang con SU nằm cạnh các dải tần PU vì thế công suất phát sẽ xấp xỉ 0. Hai là tổng công suất phát trên lưới parabol bằng N × P . Sau khi xây dựng được N/2 lưới parabol, luận án đề xuất phương pháp SOIT như sau. Giá trị Pmax được gán cho sóng mang con ở xa dải tần số của PU nhất, tại sóng con thứ (N + 1)/2 đối với trường hợp N lẻ hoặc hai sóng mang thứ N/2 và N/2 + 1 đối với trường hợp N chẵn. Sau đó hai sóng mang con kế bên cạnh, tại vị trí (N + 1)/2 − 1 và (N + 1)/2 + 1 đối với N lẻ hoặc hai sóng mang con ở vị trí N/2 − 1 và N/2 + 1 đối với N chẵn sẽ được phân bổ công suất ở mức (k) Pmax − ∆P . Tiếp tục như vậy cho đến khi hết quỹ công suất phát hoặc nhiễu sang PU đến mức giới hạn. A: Đối với trường hợp N chẵn Công suất phân bổ cho sóng mang con tại vị trí N/2 − i và N/2 + 1 + i là Pmax − i × ∆P . B: Đối với trường hợp N lẻ Công suất phân bổ cho sóng mang con tại vị trí (N + 1)/2 − i và (N + 1)/2 + i là Pmax − i × ∆P 12 Dung l−îng kªnh (Mega BÝt/gi©y) 40 Ph©n chia tèi −u B¸m nhiÔu bËc hai Scheme A 0-Nulling Scheme A 1-Nulling Scheme A 2-Nulling Ph©n chia ®Òu Scheme B 0-Nulling 30 20 10 0 2 4 6 8 Møc can nhiÔu giíi h¹n (mW) 10 Hình 2.12: So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM đơn người dùng giữa các phương pháp phân bổ công suất giữa các thuật toán với kênh Rayleigh Quy tắc này tiếp diễn cho đến khi điều kiện biên (2.7) tới hạn. Có thể thấy rằng điều kiện ràng buộc nhiễu hoặc quỹ công suất có thể tới hạn trước khi tất cả các sóng mang con được phân bổ công suất. Vì vậy số lượng các sóng mang con ở hai đầu của tín hiệu OFDM không được sử dụng là động và hoạt động như khoảng bảo vệ làm giảm nhiễu từ SU sang PU. 2.3. Kết quả mô phỏng Xem xét hệ thống CR-OFDM đơn người dùng với 20 sóng mang con và khoảng cách giữa các sóng mang con là ∆f = 0.3125MHz. Bề rộng hai băng tần của hệ thống PU như trong mô hình 2.1 được giả sử là ∆f . Công suất phát PPU trên từng dải tần được coi là 1W. Mức công suất phát giới hạn của CR Pth = PPU . Giá sp(l) ps(l) trị nhiễu trắng σ 2 được đặt là 10−3 W. hi , hi là kênh Rayleigh. Hình 2.12 mô tả dung lượng kênh truyền của SU được tính trung bình sau khi chạy 1000 lần mô phỏng với các thuật toán khác nhau được áp dụng. Kết quả mô phỏng cho thấy phân bổ công suất dựa trên nhiễu (Scheme B) mang lại dung lượng cao hơn so với dựa tuyến tính theo khoảng cách (Scheme A). Bên cạnh đó việc tắt đi một số các sóng mang tại hai đầu của tín hiệu OFDM làm giảm số lượng biến N và giảm mức phức tạp tính toán ON 3 . Đồng thời những sóng mang con này hoạt động như một khoảng bảo vệ làm bức xạ ngoài dải OOB, từ đó có thể nâng cao được công suất phát tại những sóng mang con khác. Khi tắt đi một sóng mang ở mỗi đầu tín hiệu OFDM, SU có dung lượng cao hơn so với trường hợp tắt đi hai sóng tại mức Ith = 6mW. Lý do là khi mức Ith cao, các sóng mang con bên cạnh các dải tần PU cũng được sử dụng để truyền dẫn. Vì vậy việc tắt đi hai sóng mang làm giảm bề rộng băng thông của SU và làm giảm dung lượng kênh truyền. 13 Dung l−îng kªnh (Mega BÝt/Gi©y) 50 Ph©n chia tèi −u §Ò xuÊt PP b¸m nhiÔu bËc 2 Scheme A, 0-Nulling Scheme A, 2-Nulling Scheme B Ph©n chia tèi −u §Ò xuÊt PP b¸m nhiÔu bËc 2 Scheme A, 0-Nulling Scheme A, 2-Nulling Scheme B 45 40 35 30 MIMO 2x2: SISO 25 2 4 6 8 Møc can nhiÔu giíi h¹n (mW) 10 Hình 2.13: So sánh dung lượng kênh của hệ thống SISO và MIMO CR-OFDM đơn người dùng với kênh Rayleigh Phương pháp đề xuất SOIT xem xét không những khoảng cách từ các sóng mang con SU đến dải tần PU mà còn dựa trên các tham số nhiễu. Kết quả trong hình 2.12 cho thấy SU sử dụng phương pháp SOIT có dung lượng xấp xỉ 95% so với sử dụng phương pháp tối ưu. Đồng độ phức tạp thuật toán giảm từ O(N 3 ) xuống O(N logN ). SOIT nâng cao dung lượng xấp xỉ 8% so với Scheme B và xấp xỉ 30% so với Scheme A. Việc sử dụng MIMO cho hệ thống CR nhằm đạt được thêm độ lợi phân tập không gian giữa các ăng-ten như trên hình 2.13. So sánh hiệu năng dung lượng của hệ thống CR trong hai mô hình MIMO và SISO luận án thấy rằng đối với mức can nhiễu giới hạn Ith = 2 × 10−4 hệ thống MIMO có dung lượng lớn hơn SISO xấp xỉ 3.4Mbps tương đương với xấp xỉ 0.17bit/s/Hz. Với mức can nhiễu giới hạn Ith = 10 × 10−4 hệ thống MIMO có dung lượng lớn hơn SISO xấp xỉ 6Mbps tương đương với xấp xỉ 0.3bit/s/Hz. 14 Chương 3 PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN TRONG HỆ THỐNG CR ĐA NGƯỜI DÙNG Xem xét hệ thống CR-OFDM đa người dùng với K kênh sử dụng OFDM, sử dụng phương pháp đa truy nhập FDMA. Mỗi kênh có N (k) trong tổng số N sóng mang con của hệ thống. Hệ thống SU sử dụng các hố phổ nằm kề với L băng tần PU. Luận án xem xét hai quá trình, gồm phân chia kênh động và phân bổ công suất. 3.1. Vấn đề phân chia kênh Trong phần này luận án xem xét phương pháp phân chia kênh đều và đề suất hai phương pháp phân chia kênh động dựa trên hai loại nhiễu tương hỗ giữa SU và PU, gồm (a) Giải pháp phân chia nhiễu nghịch đảo IIA (Inverted Interference Assignment) dựa nhiễu từ PU sang SU và sự cân bằng về mức nhiễu. (b) Giải pháp phân chia tập hợp sóng mang con thông minh CCA (Cognitive Carrier Aggregation) dựa trên nhiễu từ SU sang PU và sự công bằng về QoS. 3.1.1. Phương pháp phân chia kênh đều Đây là phương pháp phổ biến vì tính đơn giản với độ phức tạp thuật toán là O(N ) [73]. Đặt N (k) là số sóng mang con của kênh thứ k trong hệ thống SU suy ra: N (k) = N , K (3.1) với N là số sóng mang con, K là tổng số kênh của hệ thống SU. Phương pháp này được sử dụng trong nhiều hệ thống truyền thông ví dụ như trong hệ thống WiFi, khi mỗi kênh là bằng nhau và bằng 20MHz. 15 3.1.2. Đề xuất phương pháp phân chia kênh động (IIA) dựa trên nhiễu từ PU sang SU Phương pháp phân chia IIA có thể áp dụng được trong cả hai mô hình tập trung và phân tán, nhờ dựa trên nhiễu từ PU sang SU có thể hoàn toàn tính toán được tại phía SU. IIA được thực hiện dựa trên ba bước như sau: Bước 1: Hệ thống CR lập một bản đồ nhiễu từ phía PU sang SU. Nhiễu từ PU sang SU hoàn toàn có thể đo và tính được tại phía SU. Bước 2: IIA tính lượng nhiễu trung bình trên từng sóng mang con của CR đồng thời tính lượng nhiễu J mà mỗi người dùng SU cần phải chịu. PL PN (l) (l) (l) K × l=1 i=1 Ji (di , PPU ) , (3.2) J= N (l) (l) (l) với L là số lượng băng thông của hệ thống PU, Ji (di , PPU ) là nhiễu của từ băng thông PU thứ l sóng mang con CR thứ i, N là tổng số sóng mang con của CR. Bước 3: Đặt N (k) là số sóng mang con của kênh SU thứ k, nhiễu từ hệ thống PU sang kênh SU thứ k được viết là N (k) Jps = (k) L N X X (l) (l) (l) Ji,k (di,k , PPU ), (3.3) l=1 i=1 Chọn N (k) sao cho N (k) Jps ≤J (3.4) Quá trình này được tiếp tục cho đến K − 1 kênh, và kênh thứ K sẽ nhận toàn bộ những tần số còn trống còn lại. Với ba bước để phân chia kênh động theo phương pháp IIA, độ phức tạp của phương pháp này tương tự như phân chia đều và bằng O(N ) [73]. 3.2. Đề xuất phương pháp phân chia kênh động (CCA) dựa trên nhiễu từ SU sang PU Phương pháp phân chia kênh động CCA có thể được áp dụng trong mô hình tập trung. CCA dựa trên nhiễu từ SU sang PU và mức ngưỡng công suất nhiễu giới hạn Ith . CCA được thực hiện dựa trên 3 bước như sau: Bước 1: Hệ thống CR lập một bản đồ nhiễu từ phía SU sang PU và xác định mức ngưỡng nhiễu giới hạn Ith . Bước 2: CCA tính lượng nhiễu trung bình I mà mỗi kênh SU gây sang PU . PL PN (l) (l) (l) K × l=1 i=1 Ii (di , PPU ) I= , (3.5) N 16 (l) (l) (l) với L là số lượng băng thông của hệ thống PU, Ii (di , PPU ) là nhiễu từ sóng mang SU thứ i sang băng thông PU thứ l. N là tổng số sóng mang con của SU. Bước 3: Đặt N (k) là số sóng mang con của kênh SU thứ k, chọn N (k) như sau N (k) (3.7) Isp ≤I Quá trình này được tiếp tục cho đến kênh thứ K − 1. Kênh thứ K sẽ nhận toàn bộ những tần số còn trống còn lại. Độ phức tạp của phương pháp này có thể tính tương tự như IIA bằng L × O(N ), khi L băng tần PU cần bảo vệ với L mức công suất can nhiễu giới hạn [73]. 3.3. Vấn đề phân bổ công suất Giả sử rằng có rất nhiều người dùng SU, dựa trên định lý giới hạn trung tâm (m,k) (central limit theorem), có thể coi Mn,i là một loại nhiễu trắng Gauss [5]. Luận án viết lại hàm mục tiêu với các điều kiện biên như dưới đây   ( K N (k) !)  ss 2 hi,k  Pi,k XX ∆f log2 1 + C = max , (3.9) PL Pi σ 2 + l=1 Jl k=1 i=1 Luận án xem xét xác suất để nhiễu từ SU sang PU nhỏ hơn mức giới hạn cần lớn hơn mức giới hạn α. Điều kiện này cho phép xác định xác suất rớt mạng (outage probability) của hệ thống của PU. Các điều kiện biên đối với bài toán tối ưu trong hàm mục tiêu (3.9) là: C1 : Pr (k) K N X X ! (l) (l) Ii,k (di,k , Pi,k ) − Ith ≥ α, (3.10) k=1 i=1 (l) với Ith là mức can nhiễu giới hạn cho phép trên băng thông PU thứ l. C2 : 0 ≤ Pi,k ≤ Pth , ∀i = [1, . . . , N (k)], k = [1, . . . , K] (l) (3.10) (l) Từ công thức (3.10) và Ii,k = Pi,k Ki,k luận án nhận được Pr (k) K N X X ! (l) Pi,k Ki,k ≤ (l) Ith ≥ α, (3.14) k=1 i=1 hay viết cách khác luận án có (k) K N X X (l) (l) Pi,k Ki,k ≤ k=1 i=1 17 Ith −σln(1 − α) (3.19) Tiếp theo luận án đặt ψi,k = ss |hP i,k | σ2 + 2 L l=1 Jl . Từ hàm mục tiêu trong (3.9) phương trình Lagrange có thể viết là L(. . . ) = (k) K N X X ! ∗ log2 1 + Pi,k ψi,k k=1 i=1 − L X l=1 λl −β (k) K N X X ! ∗ Pi,k − Pth k=1 i=1 (k) K N X X k=1 i=1 (l) ∗ Pi,k Ki,k − (l) Ith σl ln(1 − α) ! + (k) K N X X (3.20) µi,k Pi,k , k=1 i=1 Với các hệ số nhân Lagrange λl ∈ R0,+ , l = [1, . . . L], µi,k ∈ R0,+ , i = ∗ [1, . . . , N (k)], k = [1, . . . , K] và β là các nhân tử Lagrange. Khi đó nghiệm Pi,k được tính là  PL (l)  PL 1 (l) nếu − ψ1i , l=1 λl Ki,k + β ≤ ψi,k ∗ λ K +β l=1 l i,k Pi,k = (3.22) PL (l) 0, nếu λl l=1 Ki,k + β > ψi,k 3.3.1. Phương pháp phân bổ công suất đều Phương pháp này chia đều công suất phát trên tất cả các sóng mang. Đặt P là công suất trên mỗi sóng mang, Ptot là quỹ công suất phát của SU, luận án tính được 
P IthP PN (k) (l)
,  nếu Ptot ≤ Pth L K ∗ −σ ln(1−α) l l=1 k=1 i=1 Ki,k Pi = (3.25)  P = Pth /N, nếu Ptot ≥ Pth Tham số Ith là mức can nhiễu giới hạn đã biết tại hệ thống SU. Vì vậy SU hoàn toàn có thể sử dụng phương pháp này trong thực tế với độ phức tạp tính toán là O(N ) 3.3.2. Đề xuất mở rộng phương pháp bám nhiễu bậc hai SOIT Trong phần này luận án mở rộng phương pháp phân bổ công suất phát bám nhiễu bậc hai (SOIT) cho hệ thống CR-OFDM đa người dùng. Khác với hệ thống CROFDM đơn người dùng, trong hệ thống đa người dùng trước hết phải xác định được công suất phát trên từng người dùng trong hệ thống. Nói cách khác P được hiểu là công suất phát trung bình của từng cặp người dùng. Luận án chia công suất phát cho từng kênh dựa trên bề rộng băng thông của chúng. Công suất trung bình trên từng kênh sẽ nằm trong khoảng α × N (k) β × N (k) ≤ P (k) ≤ N N 18 (3.30)