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
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
HÀ NỘI - 2016
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
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã ngành: 62520208
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐỨC
HÀ NỘI - 2016
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên
cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả
trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong
bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được
trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định.
Hà Nội, Ngày 07 tháng 07 năm 2016
Tác giả
Nguyễn Tiến Hòa
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được chuyên đề này, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến các
Thày cô trong bộ môn Kỹ thuật Thông tin và các đồng nghiệp tại bộ môn Mạch
và Xử lý Tín hiệu, Viện Điện tử Viễn thông đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt
quá trình làm Luận án Tiến sỹ tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin
cảm ơn đến Thày giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Văn Đức đã hướng dẫn và
chỉ bảo trong suốt quá trình làm Luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS.
Nguyễn Thành Hiếu về những góp ý quan trọng đối với Luận án này.
MỤC LỤC
MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iv
DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
vii
DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ix
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
x
GIỚI THIỆU LUẬN ÁN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
Chương 1. NHIỄU VÀ DUNG LƯỢNG TRONG MẠNG TRUYỀN
THÔNG NHẬN THỨC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
1.1. Truyền thông nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
1.2. Ứng dụng OFDM trong truyền thông nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1.2.1. Lợi ích sử dụng OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1.2.2. Vì sao OFDM được ứng dụng trong truyền thông nhận thức . . .
17
1.3. Nhiễu trong mạng truyền thông nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.3.1. Các phương pháp giảm búp sóng phụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1.3.2. Nhiễu từ SU sang PU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
1.3.3. Nhiễu từ PU sang SU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
1.3.4. Nhiễu giữa SU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
1.4. Dung lượng kênh của hệ thống truyền thông nhận thức . . . . . . . . . . . .
26
1.4.1. Dung lượng kênh của hệ thống SISO-OFDM CR . . . . . . . . . . . . . . .
26
1.4.2. Dung lượng kênh của hệ thống MIMO-OFDM CR . . . . . . . . . . . . .
27
1.5. Tối ưu có ràng buộc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
1.6. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
Chương
2. PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN TRONG HỆ THỐNG CR
ĐƠN NGƯỜI DÙNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
2.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
i
ii
2.2. Mô hình hệ thống CR-OFDM đơn người dùng và đặt vấn đề . . . . . . .
38
2.3. Các mô hình đối với các điều kiện giới hạn nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
2.3.1. Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ khi PU cần bảo vệ với một mức
giới hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
2.3.2. Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ khi PU cần bảo vệ với nhiều
mức giới hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
2.3.3. Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ khi PU cần bảo vệ với nhiều
mức giới hạn can nhiễu dựa trên tham số SINR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
2.4. Đề xuất cách tính nghiệm giải tích phân bổ công suất tối ưu với các điều
kiện biên cho hệ thống CR-OFDM đơn người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
2.4.1. Lời giải cho mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ với một mức giới
hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
2.4.2. Lời giải cho mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ với nhiều mức giới
hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
2.4.3. Lời giải cho mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ với nhiều mức giới
hạn dựa trên tham số SINR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
2.5. Phương pháp phân bổ công suất cận tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
2.5.1. Phương pháp phân bổ công suất đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
2.5.2. Phương pháp Scheme A, Scheme B của Bansal . . . . . . . . . . . . . . . . .
50
2.5.3. Đề xuất phương pháp bám nhiễu bậc hai SOIT . . . . . . . . . . . . . . . .
52
2.6. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
2.6.1. Phân bổ công suất tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
2.6.2. Phân bổ công suất cận tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
2.7. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
Chương 3. PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN TRONG HỆ THỐNG CR ĐA
NGƯỜI DÙNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
3.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
3.2. Mô hình hệ thống CR-OFDM đa người dùng và đặt vấn đề . . . . . . . .
69
3.3. Vấn đề phân chia kênh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
3.3.1. Phương pháp phân chia kênh đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
3.3.2. Đề xuất phương pháp phân chia kênh động (IIA) dựa trên nhiễu từ
PU sang SU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
iii
3.3.3. Đề xuất phương pháp phân chia kênh động (CCA) dựa trên nhiễu từ
SU sang PU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
3.4. Vấn đề phân bổ công suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
3.4.1. Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
3.4.2. Đề xuất cách tính nghiệm phân bổ công suất giải tích tối ưu với các
điều kiện biên cho hệ thống CR-OFDM đa người dùng . . . . . . . . . . . . . . .
77
3.4.3. Phương pháp phân bổ công suất đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
3.4.4. Đề xuất mở rộng phương pháp bám nhiễu bậc hai SOIT . . . . . . .
80
3.4.5. Đề xuất mở rộng phương pháp Scheme A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83
3.4.6. Đề xuất mở rộng phương pháp Scheme B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
3.5. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
3.5.1. Phân bổ công suất tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
3.5.2. Phân bổ công suất cận tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
3.6. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . . . .
102
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Viết tắt
Tên tiếng Anh
Tên tiếng Việt
4G
The fourth Generation
Thế hệ thứ 4
5G
The fifth Generation
Thế hệ thứ 5
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Nhiễu tạp âm Gauss trắng
BER
Bit Error Rate
Tỉ lệ lỗi bít
CCA
Cognitive Carrier Aggregation
Tập hợp sóng mang
con thông minh
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập
phân chia theo mã
CR
Cognitive Radio
Truyền thông nhận thức
CP
Cyclic Prefix
Tiền tố lặp
CBS
Cognitive Base Station
Trạm truyền thông
nhận thức
CRN
Cognitive Radio Network
Mạng truyền thông
nhận thức
CPE
Customer Premises Equipment
Thiết bị khách hàng cơ sở
CSI
Channel State Information
Thông tin trạng thái kênh
DCC
Dynamic Carriers Cancellation
Chèn không động
DFT
Discrete Fourier Transform
Biến đổi Fourier rời rạc
DSA
Dynamic Spectrum Access
Truy cập phổ động
DSP
Digital Signal Processor
Bộ xử lý tín hiệu số
ETSI
European Telecommunications
Viện Tiêu chuẩn
Standards Institute
Viễn thông châu Âu
EVD
Eigenvalue Decomposition
Phân tích trị riêng
FCC
Federal Communications
Ủy ban Truyền
Commission
thông Liên bang
Frequency Division Duplexing
Phân chia tần số song công
FDD
iv
v
FDMA
Frequency Division Multiple
Đa truy cập phân chia
Access
tần số
FFT
Fast Fourier Transform
Biến đổi nhanh Fourier
ICI
Inter Channel Interference
Nhiễu liên kênh
IDFT
Inverse Discrete Fourier
Biến đổi ngược Fourier
Transform
rời rạc
Institute of Electrical
Viện công nghệ Kỹ sư
and Electronics Engineers
Điện và Điện tử
Inverted Interference
Phân chia nghịch
Assignment
đảo nhiễu
IPC
Interference Power Constraint
Công suất can nhiễu giới hạn
ISI
Inter Symbol Interference
Nhiễu liên ký tự
KKT
Karush-Kuhn-Tucker
Karush-Kuhn-Tucker
LAN
Local Area Network
Mạng máy tính cục bộ
LP
Linear Programming
Quy hoạch tuyến tính
LTE
Long Term Evolution
Tiến hóa dài hạn
MAC
Medium Acess Control Layer
Lớp điều khiển truy cập
MDR
Minimum Data Rate
Tốc độ truyền tối thiểu
MIMO
Multiple-Input-Multiple-Output
Ăng-ten đa đầu vào đa đầu ra
NLP
Non-Linear Programming
Quy hoạch không tuyến tính
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Ghép kênh phân chia
Multiplexing
tần số trực giao
IEEE
IIA
OFDMA Orthogonal Frequency Division
PAPR
Đa truy cập phân
Multiplexing Access
chia tần số trực giao
Peak-to-Average Power Ratio
Tỷ số công suất đỉnh
trên công suất trung bình
PHY
Physical Layer
Lớp vật lý
PR
Primary Receiver
Máy thu sơ cấp
PSD
Power Spectrum Density
Mật độ phổ công suất
PT
Primary transmitter
Máy phát sơ cấp
PU
Primary User
Người dùng sơ cấp
PUs
Primary User System
Hệ thống người dùng sơ cấp
vi
QoS
Quality of Service
Chất lượng phục vụ
SDR
Software-Defined Radio
Vô tuyến định nghĩa
bằng phần mềm
SISO
Single-Input-Single-Output
Đơn Ăng-ten thu phát
SINR
Signal to Interference
Tỷ số tín hiệu trên
plus Noise Ratio
tạp âm cộng nhiễu
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SOIT
Second Order Interference
Bám nhiễu bậc hai
Tracking
SR
Secondary Receiver
Phía thu thứ cấp
ST
Secondary Transmitter
Phía phát thứ cấp
SU
Secondary User
Người dùng thứ cấp
SUs
Secondary User System
Hệ thống người dùng thứ cấp
SVD
Singular Value Decomposition
Phân tích giá trị đơn
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy cập phân
chia thời gian
WIFI
Wireless Fidelity
WRAN
Wireless Regional Area Network Mạng không dây khu vực
WLAN
Wireless Local Access Network
Mạng máy tính cục bộ
WiMAX
Worldwide Interoperability
WiMAX
for Microwave Access
Mạng không dây
DANH MỤC HÌNH VẼ
1
Các phương pháp cảm biến tần số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2
Phương pháp truy cập phổ xen lẫn và lót . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3
Tổng quan các vấn đề phân bổ tài nguyên trong mạng CR . . . . . . 8
1.1
Mô hình hố phổ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2
Phổ của một sóng mang con với các hệ số uốn β khác nhau . . . . . . 19
2.1
Mô hình phân chia phổ tần giữa hệ thống CR và PU . . . . . . . . . 36
2.2
Mô hình phân bổ công suất Bansal Scheme A . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3
So sánh nghiệm giải tích tối ưu và kết quả giải bằng công cụ CVX . . 53
2.4
So sánh xấp xỉ đa thức bậc cao với nghiệm giải tích tối ưu . . . . . . 54
2.5
Phương pháp phân bổ công suất bám nhiễu bậc hai (SOIT) cho
hệ thống CR-OFDM đơn người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.6
Công suất phát phân bổ trên sóng mang con trong hệ thống CROFDM đơn người dùng khi tổng công suất can nhiễu từ SU sang
PU giới hạn ở mức Ith = 10−4 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.7
Nhiễu tương hỗ giữa hệ thống PU và SU khi tổng công suất can
nhiễu từ SU sang PU giới hạn ở mức Ith = 10−4 W . . . . . . . . . . . 59
2.8
Công suất phát phân bổ trên sóng mang con trong hệ thống CROFDM đơn người dùng khi tổng công suất can nhiễu từ SU sang
PU giới hạn ở mức với Ith = 9 × 10−4 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.9
Nhiễu giữa hệ thống PU và SU khi tổng công suất can nhiễu từ
SU sang PU giới hạn ở mức Ith = 9 × 10−4 W . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.10 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM đơn người
dùng khi sử dụng hai loại cửa sổ Tukey và chữ nhật. . . . . . . . . . . 62
2.11 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM đơn người
dùng giữa các phương pháp phân bổ công suất với kênh lý tưởng . . 63
2.12 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM đơn người
dùng giữa các phương pháp phân bổ công suất với kênh Rayleigh . . 64
vii
viii
2.13 So sánh dung lượng kênh của hệ thống SISO và MIMO CR-OFDM
đơn người dùng với kênh Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1
Mô hình cùng hệ thống CR cùng hoạt động với PU . . . . . . . . . . 68
3.2
Phân chia kênh động (IIA) dựa trên nhiễu từ PU sang SU . . . . . . 71
3.3
Phân chia kênh động (CCA) dựa trên nhiễu từ SU sang PU . . . . . 73
3.4
Đề xuất mở rộng phương pháp bám nhiễu bậc hai (SOIT) cho hệ
thống CR-OFDM đa người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.5
Đề xuất mở rộng phương pháp Scheme A cho hệ thống CR-OFDM
đa người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.6
Công suất phát đơn vị (dBm) trên các sóng mang con trong hệ
thống CR-OFDM hai người dùng, khi sử dụng bốn phương pháp
phân chia kênh với Ith = 10−4 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.7
Công suất phát đơn vị (W) trên các sóng mang con trong hệ
thống CR-OFDM hai người dùng, khi sử dụng bốn phương pháp
phân chia kênh với Ith = 10−4 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.8
So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng
giữa bốn phương pháp phân bổ tần số khi công suất được phân
bổ tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.9
So sánh tổng công suất phát giữa bốn phương pháp phân chia
kênh động khác nhau khi công suất được phân bổ tối ưu . . . . . . . 92
3.10 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng,
phân chia kênh đều, khi sử dụng các phương pháp phân bổ công
suất phát khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.11 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng,
phân chia kênh theo phương pháp đề xuất CCA, khi sử dụng các
phương pháp phân bổ công suất phát khác nhau. . . . . . . . . . . . . 94
3.12 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng,
phân chia kênh theo phương pháp đề xuất IIA, khi sử dụng các
phương pháp phân bổ công suất phát khác nhau. . . . . . . . . . . . . 95
3.13 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng,
phân chia kênh theo phương pháp đề xuất kiểu SuperWiFi, khi
sử dụng các phương pháp phân bổ công suất phát khác nhau. . . . . 96
DANH MỤC BẢNG
1.1
Biểu đồ so sánh các hiệu năng các kỹ thuật giảm búp phụ . . . . . . 22
3.1
So sánh số lượng sóng mang con giữa những cặp người dùng SU
sử dụng cũng như công suất phát tổng cộng của hệ thống CROFDM với các phương pháp phân chia kênh động đề xuất khi
mức công suất can nhiễu giới hạn từ SU sang PU Ith = 10−4 W . . . . 89
3.2
So sánh mức công suất phát trên các sóng mang con trong hệ
thống CR-OFDM với các phương pháp phân chia kênh động đề
xuất khi mức công suất nhiễu giới hạn Ith = 10−4 W . . . . . . . . . . 91
ix
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
Ký hiệu
Ý nghĩa
a
a là biến số
a
a là một véc-tơ
A−1
Nghịch đảo của ma trận A
A
A là một ma trận
ai,j
Phần tử hàng thứ i cột thứ j của ma trận A
AT
Chuyển vị của ma trận A
AH
Chuyển vị liên hợp phức của ma trận A
Cx
Ma trận hiệp phương sai của tín hiệu x
I
Nhiễu từ SU sang PU
Ith
Mức ngưỡng nhiễu giới hạn của hệ thống PU
(l)
Ith
Mức ngưỡng nhiễu giới hạn của hệ thống PU thứ l
h(x)
Entropy vi phân của tín hiệu x
J
Nhiễu từ PU sang SU
K
Số người dùng SU
L
Số lượng dải tần được cấp phép
Mth
Công suất can nhiễu giới hạn trong hệ thống SU
(m,k)
Mn,i
Nhiễu giữa người dùng SU
N
Số lượng sóng mang con của hệ thống SU
N (k)
Số lượng sóng mang con của người dùng SU thứ k
O(.)
Bậc của số lượng bước tính toán
x
xi
Pi
Công suất phát trên sóng mang con thứ i
Pmax
Công suất phát tối đa trên mỗi sóng mang con của hệ
thống SU
Pth
Công suất can nhiễu giới hạn của hệ thống PU
Ptot
Quỹ công suất phát tổng cộng
P
Công suất trung bình
Ri
Tốc độ dữ liệu
E{.}
Kỳ vọng thống kê
tr (A)
Vết của ma trận A
det (A)
Định thức của ma trận A
(.)T
Chuyển vị
(.)H
Chuyển vị Hermitian
GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1. Tính cấp thiết của luận án
Sự tăng trưởng theo cấp số nhân của các hệ thống thông tin không dây đã
mở ra những thách thức mới trong việc thiết kế mạng và quản lý tài nguyên
vô tuyến [46]. Một trong những thách thức lớn mà chúng ta đang đối mặt
trong các hệ thống truyền thông không dây đó là nhu cầu ngày càng lớn về
nguồn tài nguyên tần số đến từ những yêu cầu về dịch vụ dữ liệu tốc độ
cao như đa phương tiện và các dịch vụ khác. Thiết kế, xây dựng và sử dụng
một hệ thống thông tin không dây với hiệu suất sử dụng phổ tần cao là một
trong những mục tiêu nghiên cứu quan trọng được cả cộng đồng khoa học
và công nghệ nghiên cứu trong một thập kỷ trở lại đây. Trong truyền thông
không dây, nhiều phương pháp hay kỹ thuật khác nhau đã được đề xuất để
sử dụng các nguồn tài nguyên vô tuyến khan hiếm một cách hiệu quả. Những
phương pháp hay kỹ thuật này liên quan đến chiến lược cũng như các thuật
toán nhằm kiểm soát công suất phát, phân bổ tần số, điều chế và mã hóa
thích ứng. Mục tiêu chính của việc quản lý tài nguyên vô tuyến là sử dụng
các nguồn tài nguyên này một cách hiệu quả nhất.
Theo các nghiên cứu của Ủy ban Truyền thông Liên bang FCC của Mỹ
(Federal Communication Commission), hiệu quả việc sử dụng các tần số được
cấp phép là thấp [21]. Báo cáo này đã chỉ ra rằng các chính sách phân bổ
tài nguyên tần số có thể không hiệu quả. Hệ thống truyền thông nhận thức
(CR: Cognitive Radio System) được đề xuất lần đầu tiên bởi Mitola [54] là
một công nghệ đầy hứa hẹn có khả năng giải quyết các vấn đề sử dụng phổ
tần hiệu quả. Ý tưởng của truyền thông nhận thức đó là cho phép người sử
dụng thứ cấp SU (Secondary User), còn được gọi là người sử dụng không có
giấy phép, trong mạng lưới truyền thông có thể chia sẻ những phổ tần được
phân bổ cho một số người dùng sơ cấp PU (Primary User), là người dùng sơ
cấp hay còn gọi là người dùng được cấp phép LU1 (Licensed User), khi những
1 Thuật
ngữ "LU" và "PU" là đồng nghĩa trong luận án này
1
2
phổ tần đó trống tạm thời. Các khe tần số khi không được sử dụng có thể
biến thành các cơ hội tiềm năng trong việc sử dụng tần số tạm thời và an
toàn. Trong khi truy cập phổ của PU, một điều rất quan trọng đó là hạn chế
sự can nhiễu từ phía truyền thông nhận thức CR2 thấp hơn mức cho phép
của hệ thống PU. Nhiều hình thức khác nhau đối với giới hạn can nhiễu đã
được sử dụng trong các tài liệu, chẳng hạn như: giới hạn can nhiễu đỉnh, giới
hạn can nhiễu trung bình, giới hạn tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và tạp âm SINR,
v.v. Cách sử dụng phổ tần trống tạm thời của hệ thống PU này có thể được
coi là phương pháp quản lý tài nguyên tần số đa chiều trong miền tần số,
thời gian hay không gian. Và qua đó hiệu quả trong việc sử dụng phổ tần có
thể được cải thiện rất nhiều thông qua cách sử dụng này.
Rất nhiều các nghiên cứu đã chỉ ra rằng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang
trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được ứng
dụng như một phương pháp điều chế rất phù hợp cho các hệ thống truyền
thông nhận thức [32], [41], [47], [76]. Các tính chất cũng như khả năng của
hệ thống sử dụng OFDM làm cho nó phù hợp với các hệ thống truyền thông
nhận thức. OFDM một mặt cung cấp khả năng sử dụng hiệu quả phổ tần và
điều đó cũng là mục đích của hệ thống CR. Điều này có được do các sóng
mang con trong hệ thống OFDM là gần nhau, chồng chéo nhưng không gây
nên can nhiễu nhờ sự trực giao của các sóng mang con. Mặt khác một ưu
điểm khác của OFDM là tính chất linh hoạt và thích ứng. Các sóng mang
con có thể được bật và tắt tùy theo môi trường truyền dẫn và do đó có thể
hỗ trợ hệ thống CR tạo nên các khuôn phổ theo các hố phổ trống tạm thời.
Điều này được OFDM thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng các bộ biến đổi
Fourier nhanh (FFT). Bộ này có thể được thực hiện bằng cách xử lý tín hiệu
kỹ thuật số sử dụng phần mềm [53], [54], [55]. Ngoài ra OFDM giúp tăng
hiệu quả dung lượng của đường truyền tải dữ liệu, đồng thời làm giảm nhiễu
ISI và cho phép phân tập đa người dùng khắc phục pha-đinh lựa chọn tần
số, giúp tăng cường việc sử dụng phổ tần nói chung [39].
Trong mạng truyền thông người sử dụng chính PU luôn có quyền cao hơn
so với người sử dụng phụ SU trong việc sử dụng phổ tần xác định. Do đó công
nghệ truyền thông nhận thức đòi hỏi phải hoạt động theo một chu kỳ thích
ứng trong quá trình truy cập phổ. Ở bước thứ nhất hệ thống CR tìm kiếm và
2 Trong
luận án này hai thuật ngữ "CR" và "SU" là đồng nghĩa
3
Cảm biến phổ
Phát hiện năng lượng
Bộ lọc phối hợp
Máy dò dừng vòng
Hình 1: Các phương pháp cảm biến tần số
phát hiện ra những khoảng tần số nào có thể sử dụng. Đây là quá trình được
gọi là cảm biến phổ (Spectrum Sensing). Tiếp theo hệ thống CR cần đưa ra
quyết định lựa chọn các điều kiện thích hợp nhất đối với quá trình truyền dẫn
của mình cũng như cần phối hợp truy cập và phân chia tài nguyên với những
người dùng khác. Quá trình này được gọi là quản lý tài nguyên (Resource
Management). Và cuối cùng là khả năng phải dịch phổ nếu như tần số đang
chiếm dụng bị tái sử dụng bởi những người dùng chính (Spectrum Mobility)
[1], [3], [33].
Để xác định và truy cập vào một phần thích hợp của phổ tần với sự can
thiệp tối thiểu đối với người sử dụng được cấp phép PU, thách thức thiết kế
quan trọng đầu tiên đó là phải theo dõi mức độ hoạt động của người sử dụng
PU. Sự giám sát hoặc cảm biến rất quan trọng trong đó CRN cần phải xử lý
một khoảng băng thông rất rộng và đáng tin cậy để phát hiện sự hoạt động
của PU. Vì vậy các kỹ thuật cảm biến phải có độ nhạy rất cao và liên tục
trên toàn phạm vi hoạt động tần số vô tuyến. Để đạt được những mục tiêu
này cần nhiều các kỹ thuật xử lý tín hiệu số khác nhau. Các kỹ thuật phát
hiện hố phổ có thể được phân loại dựa trên các loại của các kỹ thuật phát
hiện sử dụng tại máy thu như bộ lọc phối hợp, phát hiện năng lượng, và tính
năng phát hiện dừng vòng (Cyclostationary) đã được nghiên cứu trong các
tài liệu [18], [26]. Hình 1 mô tả sự phân loại ba kỹ thuật cảm biến phổ gồm:
kỹ thuật phát hiện năng lượng, kỹ thuật sử dụng bộ lọc phối hợp và kỹ thuật
máy dò dừng vòng.
Kỹ thuật phát hiện năng lượng là kỹ thuật phát hiện tín hiệu sơ cấp dựa
trên năng lượng cảm biến đối với hệ thống sơ cấp [50]. Kỹ thuật phát hiện
năng lượng là kỹ thuật phổ biến nhất để cảm biến phổ tần bởi sự đơn giản
4
và không cần biết trước dạng tín hiệu sơ cấp [24], [36]. Kỹ thuật này luôn đi
kèm với một số nhược điểm sau: 1) thời gian cảm biến thực hiện để đạt được
xác suất phát hiện nhất định. 2) khả năng phát hiện đối tượng không chắc
chắn bởi các lý do nhiễu không ổn định. 3) không thể phân biệt nhiễu từ các
tín hiệu sơ cấp hay các tín hiệu thứ cấp. Kỹ thuật sử dụng bộ lọc phối hợp
sử dụng bộ lọc tuyến tính được thiết kế để tối ưu tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
đối với một tín hiệu đầu vào cho trước. Khi người dùng thứ cấp biết trước
được dạng tín hiệu của người dùng sơ cấp, bộ lọc phối hợp sẽ được sử dụng
để phát hiện sự tồn tại của người dùng sơ cấp [3]. Tuy nhiên bộ lọc phối hợp
đòi hỏi phải biết về mỗi tín hiệu phát. Nếu thông tin không chính xác, bộ lọc
phối hợp sẽ thực hiện kém hiệu quả. Ngoài ra bất lợi đáng kể nhất của bộ lọc
phối hợp đó là một CR sẽ cần một máy thu chuyên dụng phù hợp tất cả các
loại người dùng chính. Kỹ thuật dùng máy dò dừng vòng dựa trên những đặc
tính của tín hiệu sơ cấp để phát hiện ra sự tồn tại của tín hiệu này. Phương
pháp này khai thác chu kỳ của các tín hiệu sơ cấp nhận được để xác định sự
hiện diện của người sử dụng chính (PU). Tính chu kỳ thường được thể hiện
trong khoảng cách các sóng mang, mã trải, hoặc tiền tố tuần hoàn của tín
hiệu. Như vậy, tính năng dò dừng vòng hoạt động ổn định đối với việc nhiễu
không ổn định và thực hiện tốt hơn so với phát hiện năng lượng trong khu
vực SNR thấp. Mặc dù nó đòi hỏi một kiến thức tiên nghiệm của các đặc
tính tín hiệu, phương pháp này đồng thời có khả năng phân biệt nhiễu từ các
thiết bị sử dụng CR với nhiễu từ tín hiệu PU [81].
Dựa vào sự sẵn sàng của những hố phổ sau khi đã cảm biến, các nút mạng
(Node) trong mạng nhận thức có thể phân bổ tài nguyên vô tuyến cho những
người dùng trong mạng. Sự phân bổ này không những phụ thuộc vào các đặc
tính của các hố phổ khả dụng mà còn phụ thuộc vào các chính sách nội bộ
(và có thể là bên ngoài) của mạng nhận thức. Do đó, việc thiết kế một chính
sách phân bổ tần số, công suất, v.v. để cải thiện hiệu suất của các nút mạng
là một chủ đề nghiên cứu quan trọng đã và đang được nghiên cứu rộng rãi
trong một thập kỷ trở lại đây. Có hai chế độ hoạt động cơ bản của các mạng
vô tuyến nhận thức dựa vào cách sử dụng phổ tần của người dùng phụ được
thực hiện như thế nào như mô tả trong hình 2 [1], [44]. Trong mô hình lót,
với việc sử dụng kỹ thuật trải phổ, tín hiệu thứ cấp sẽ được nhân với một
mã trải phổ để nhận được một tín hiệu yếu hơn với phổ rộng hơn. Kết quả
5
Hệ thống sơ cấp
Công suất
Hệ thống thứ cấp
Công suất
Mô hình xen lẫn
Mô hình lót
Tần số
Tần số
Hình 2: Phương pháp truy cập phổ xen lẫn và lót
là tín hiệu được trải sẽ gây ra nhiễu thấp hơn đối với người dùng sơ cấp. Tín
hiệu nguyên bản thứ cấp có thể giải điều chế lại ở phía thu bằng cách nhân
tín hiệu thu được với mã trải phổ tương tự. Tuy nhiên với việc trải phổ rộng
hệ thống CR vì thế sẽ bị can nhiễu lớn từ phía PU [90]. Mô hình xen lẫn
tái sử dụng các hố phổ được bỏ trống tạm thời của hệ thống được cấp phép.
Cách tiếp cận phổ tần xen lẫn này dựa trên kết quả cảm biến để xác định
các dải tần số nhàn rỗi. Việc này có thể thực hiện được thông qua các cơ sở
điều phối trung tâm quản lý về mặt tần số, thời gian, không gian.
Quá trình rời tần khi tần số bị tái chiếm đóng bởi hệ thống PU còn gọi
là quá trình bàn giao phổ. Với chức năng này, CR có thể thay đổi băng tần
hoạt động để tránh xung đột hoạt động với hệ thống PU. Ngoài ra, CR có
thể thực hiện việc di rời phổ để cải thiện hiệu suất trong mạng thứ cấp bằng
cách hoạt động trong một hố phổ khác với các điều kiện truyền dẫn tốt hơn.
Qua đó các thông số giao thức ở các mức độ khác nhau sẽ được điều chỉnh
theo các băng tần hoạt động khác nhau. Hệ thống truyền thông nhận thức
có thể thích ứng với các tần số hoạt động khác nhau. Do đó, mỗi khi một
người dùng CR thay đổi tần số hoạt động của mình, các giao thức mạng sẽ
thay đổi chế độ hoạt động khác. Mục đích của việc quản lý di động phổ trong
mạng nhận thức là để đảm bảo rằng quá trình chuyển đổi đó được thực hiện
thông suốt và kịp thời. Như vậy các ứng dụng chạy mạng nhận thức mới tối
thiểu hóa được sự suy giảm hiệu suất. Thông tin về phổ tần vì thế phải được
cung cấp bởi các thuật toán cảm biến. Và đây là vấn đề đã và đang được giải
- Xem thêm -