Mục tiêu của luận án Mục tiêu của luận án đó là giải quyết những vấn đề tối ưu và cận tối ưu trongcấp phát kênh động và phân bổ công suất nhằm tối ưu dung lượng tổng cộng trong hệ thống
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN TIẾN HÒA
GIẢI PHÁP PHÂN CHIA TẦN SỐ VÀ CÔNG SUẤTDƯỚI 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
Trang 2Công trình này được hoàn thành tạiTrường 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
Trang 3GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1 Tính cấp thiết của luận án
Theo nghiên cứu của Ủy ban Truyền thông Liên bang FCC (Federal nication Commission), hiệu quả của việc sử dụng của các tần số được cấp phép làthấp [21] Hệ thống truyền thông nhận thức (CR: Cognitive Radio) được đề xuấttrong [54] là một công nghệ đầy hứa hẹn có khả năng giải quyết các vấn đề sửdụng phổ tần hiệu quả Truyền thông nhận thức cho phép người sử dụng thứ cấp
Commu-SU (Secondary User) sử dụng những dải tần trống tạm thời của người dùng sơcấp PU (Primary User) khi đảm bảo mức can nhiễu từ SU sang PU nhỏ hơn mứcgiới hạn Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trựcgiao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là phương pháp điềuchế rất phù hợp cho các hệ thống truyền thông nhận thức [32,33,41,47,76] Đề tàiluận án nghiên cứu các giải pháp cho vấn đề phân chia kênh động và phân bổcông 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 trongcấp 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 phânchia 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 trìnhcảm biến hố phổ đã được thực hiện và các dải tần trống đã được biết Các hệ sốkênh 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 cácđiều kiện biên có thể giải được bằng phương pháp Lagrange với các điều kiện biên
Trang 4Karush-Kuhn-Tucker (KKT) [14] Các phương pháp phân bổ công suất cận tối ưuđược nghiên cứu một mặt nhằm giảm độ phức tạp tính toán, mặt khác đạt đượcdung 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 trongthời gian đa thức (NP-Hard) không thể giải được bởi cách máy tính thông thườngtrong khoảng thời gian chấp nhận được, và không thể tìm được nghiệm giải tíchdạng đóng [14,16] Vấn đề tối ưu được chia thành hai quá trình bao gồm phânchia kênh động và phân bổ công suất phát Ở đây quá trình phân chia kênh độngkhông có lời giải tối ưu [74,75] Quá trình phân bổ công suất có hai cách tiếp cậnbao gồm tối ưu và cận tối ưu Trong vấn đề phân bổ công suất, luận án không chỉxem 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 dùngthứ 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 bổcông 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 điềuchế và công suất phát trên từng kênh con cho hệ thống OFDM đơn người dùngđược trình bày trong [71], trong đó những kênh có hệ số kênh truyền lớn đượcphát công suất và mức điều chế cao nhằm tăng dung lượng của hệ thống Để đảmbảo công bằng QoS, Rhee và cộng sự trong [70] đưa ra vấn đề Max-Min để tối ưudung 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 phátgiới 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 sởbởi hệ số kênh truyền giữa những người dùng SU có thể được ước lượng theo cácphương 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 tháchthức 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 phátcủa SU nhằm giảm búp sóng phụ qua đó giảm nhiễu lên PU Phương pháp này
2
Trang 5giúp nâng cao công suất phát của SU và nâng cao dung lượng kênh Phần lớnnhiễu ảnh hưởng lên PU được gây ra do những sóng mang con của SU nằm cạnhbăng tần của PU [88-89,95-100] Tác giả trong [16] đề xuất phương pháp làm giảmcác 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 nhữngsóng 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 thốngCR-OFDM đơn người dùng với ba kịch bản bảo vệ chất lượng dịch vụcho 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 bốtrên công trình [C1], [J1]
3) Đề xuất hai giải pháp phân chia tần số dựa trên nhiễu cho hệthống CR-OFDM đa người dùng Các giải pháp này được công bố trên côngtrình [C4], [J2]
4) Đề xuất hai phương án giải quyết bài toán tối ưu và cận tối ưutrong phân bổ công suất của hệ thông CR-OFDM đa người dùng Kếtquả 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 cácloại can nhiễu trong mô hình mà hệ thống PU và SU cùng tồn tại cũng như dunglượng kênh của hệ thống CR-OFDM Trong chương 2, luận án đưa ra nghiệm giảitích 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 bổcông 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 xemxét mô hình hệ thống CR-OFDM đa người dùng trong chương 3 và đề xuất haigiải pháp phân chia kênh động
Trang 6φi,k(f ) = ATs sin(πf Ts)
πf Ts
!2
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 sóngmang con thứ i của người dùng SU thứ k sang hệ thống PU với băng tần có bềrộng B là [7-10,88-89]
Ii,k(di,k, Pi,k) = Pi,kTs
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(1.8), đặt Ii,k(l) là nhiễu từ sóng mang con thứ i, kênh thứ k của SU sang dải tầnthứ 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
Isp=
LXl=1
KXk=1
N (k)Xi=1
Ii,k(l)(d(l)i,k, Pi,k) (1.13)4
Trang 7Ta thấy nhiễu từ SU sang PU phụ thuộc vào 3 yếu tố: (1) độ lợi kênh hi,k,l;(2) công suất Pi,k tại sóng mang con thứ i của người dùng SU thứ k; (3) khoảngcách d(l)i,k giữa dải tần từ SU tới PU.
với ΦPU(ejω) là mật độ phổ công suất của tín hiệu PU Đặt Ji,k(l)(d(l)i,k, PPU(l)) là nhiễu
từ băng thông PU thứ l lên sóng mang con thứ i, người dùng SU thứ k ta có
2
Pn(m)Ts×
d(m,k)n,i +∆f /2Z
Trang 81.4 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]
Ri(Pi, hi) = ∆f log2 1 + |hi|2Pi
σ2 i
!
Trong đó hi là độ lợi kênh pha-đinh trên sóng mang con thứ i, σ2
i là nhiễu trắngGauss và can nhiễu từ phía phát PU sang sóng mang con thứ i Dung lượng kênhcủa hệ thống CR-OFDM được đưa ra là [7-10]:
C = max
Pi,k
NXi=1
với Pi là công suất phát trên sóng mang con thứ i của của SU σ2 là phương sainhiễu trắng Gauss AWGN, Ji(l)biểu thị nhiễu từ băng thông PU thứ l sang sóngmang con sóng mang con SU thứ i
Trong hệ thống CR-OFDM K người dùng sử dụng phương pháp đa truy nhậpFDMA Dung lượng kênh của hệ thống này được luận án đưa ra là:
m=1PN (m)n=1 Mn,i(m,k)
, (1.21)
với Pi,k là công suất phát cho sóng mang con thứ i, người dùng SU thứ k σ2 làphương sai nhiễu trắng Gauss AWGN, Ji,k(l) là nhiễu từ băng thông PU thứ l sangsóng mang con thứ i, người dùng SU thứ k N (k) là số lượng sóng mang con củakênh SU thứ k, Mn,i(m,k)là nhiễu giữa hai sóng mang con thứ i và thứ n của ngườidùng SU thứ m và thứ k
6
Trang 9PU 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 độphức 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(N3)
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
Trang 10cách giữa các sóng mang con là ∆f và chu kỳ tín hiệu là Ts Vấn đề tối ưu có thểđược mô tả như sau
C = max
P i,k
( NX
i=1
∆f log2 1 + |hss
i |2Pi
σ2+PL l=1Jl
!)
Đối với hàm mục tiêu trong công thức (2.1), luận án xem xét ba mô hình đảm bảoQoS 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 vớichất lượng dịch vụ (QoS) ở mức chấp nhận được khi can nhiễu từ SU nằm trongmức giới hạn cho phép (IPC) Đồng thời luận án cũng xem xét đến điều kiện tổngcông 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 biêncho hàm mục tiêu (2.1) được viết là:
C1:
LXl=1
NXi=1
Ii(l)(d(l)i , Pi) ≤ Ith, (2.7)
C2: Pi ≥ 0, với ∀i = [1, , N ], (2.8)
C3:
NXi=1
Pi ≤ Pth, với ∀i = [1, , N ], (2.9)Vấn đề này có thể giải được bằng phương pháp Lagrange và các điều kiện KKTnhư sau [14]:
L( ) =
NXi=1log2 1 + P
∗
i |hss
i |2
σ2+PL l=1Jl
!
− λ
LXl=1
NXi=1
Ii(l)− Ith
!+
NXi=1
µiPi∗− β
NXi=1
Pi∗− Pth
!,
với Pi∗ là nghiệm công suất tối ưu và các nhân tử Lagrange λ, µi, β ∈ R0,+ Tađặt Ki(l)= ∂I
8
Trang 112+PL l=1Ji(l)
|hss
i |2
)
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 củatừng hệ thống PU là khác nhau Nói cách khác mỗi dải tần Blsẽ có định mức cannhiễu cho phép Ithl Hơn thế nữa công suất phát của hệ thống CR cũng cần phảiđược giới hạn theo ủy ban truyền thông FCC hay ETSI Vì vậy luận án đưa rađiều kiện biên như sau đây
C4:
NXi=1
Ii(l)(d(l)i , Pi) ≤ Ith(l), ∀l = [1, , L] (2.11)
C5: Pi≥ 0, ∀i = [1, , N ], (2.12)
C6:
NX
!
−
LX
l=1
λl
NXi=1
Pi∗− Pth
!+
NXi=1
ψi, nếu PL
l=1λlKi(l)+ β ≤ ψi
0, nếu λlPLl=1Ki(l)+ β > ψi
(2.29)
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
Trang 12lệ 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 điềukiện biên như sau đây
C7: ϑ(l)≥ ϑ(l)th, với ∀l = [1, , L] (2.16)
C8:
NXi=1
C9: Pi≥ 0, ∀i = [1, , N ], (2.18)Phương trình Lagrange được viết là
L( ) =
NXi=1log2 1 + Pi∗ψi
!+
LXl=1
Pi∗− Pth
!+
NXi=1
ưu Pi∗là
Pi∗=
(
Popt, nếu [β(a1+ a2) + b − 1] > 0
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 toánO(N ), chia đều công suất phát cho tất cả các sóng mang Đặt Ptot là quỹ côngsuất phát của SU, công suất phát trên mỗi sóng con Pilà
P N i=1 Ki(l) nếu Ptot≥ Pth
P tot
N nếu Ptot≤ Pth
(2.44)
10
Trang 132.2.2 Phương pháp A, B của Bansal
Trong [7-8], Bansal và cộng sự đã đề xuất hai phương pháp phân chia công suấtcận 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 dựatrên tham số là khoảng cách giữa các sóng mang của hệ thống CR tới các băngtần của hệ thống PU Trong đó công suất trên mỗi sóng mang của hệ thống CR Pi
là bội bố công suất đơn vị ∆P Đặt P = Ith
P L l=1
P N/2 i=1 i× Ki(l)+K(l)N/2+1−i , công suất
|h ss
i | 2 và chỉ xem xét phần 1
λ P L l=1 Ki(l) Từ đó công suấtphát Pi cho mỗi sóng mang con tỷ lệ nghịch với hệ số Ki(l) Như vậy Pi có thể viếtlà
Pi= Pth
P L l=1 Ki(l) nếu Ptot > Pth (2.53)
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 trênmỗi sóng mang con và thấy rằng khi dùng hàm bậc một mô tả xấp xỉ nghiệmtối ưu sẽ cho sai số lớn đến mức 10−3(W) Mức này xấp xỉ 0.7 lần so với côngsuất phát cực đại trên mỗi sóng mang con Hàm bậc một cũng chính là phươngpháp Scheme A được Bansal đề xuất trong [7-8] Nghiên cứu sinh đã chỉ ra việc sửdụng đa thức bậc năm có thể mô tả xấp xỉ khá chính xác công suất tối ưu đượcphân 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 (ComputationalComplexity) lớn Vì thế luận án sử dụng đa thức bậc hai, cụ thể là phương trìnhparabol nhằm mô tả xấp xỉ nghiệm tối ưu và từ đó đề xuất phương pháp bámnhiễu bậc hai SOIT
Với phương pháp này, hiệu năng dung lượng kênh của SU được cải thiện trongkhi độ phức tạp tính toán vẫn là O(N logN ) Đặt P là công suất phát trung bìnhtrên mỗi sóng mang con Đặt α = Ith
L×N × P L l=1
P N i=1 Ki(l) và β = Ith
L×N ×K min, sử dụng
Trang 14Mô hình phân bổ công suất cận tối ưu SOIT
Mạng lưới parabol Công suất phát xác định
tại lưới parabol
Công suất phân bổ trên các sóng mang con
Hỡnh 2.4: Thuật toỏn bỏm nhiễu bậc hai mụ hỡnh CR đơn người dựng
bất đẳng thức Cauchy-Schwarz luận ỏn tớnh được
Ở đõy parabol Lưới(1)là một lưới parabol đầu tiờn, ứng với P = α và Lưới(N/2)
là lưới parabol cuối cựng ứng với P = β Hai lưới parabol này được xỏc định bởihai điều kiện, một là cắt trục hoành tại vị trớ súng mang đầu tiờn và súng mangthứ N Do tại hai vị trớ này, hai súng mang con SU nằm cạnh cỏc dải tần PU vỡthế cụng suất phỏt sẽ xấp xỉ 0 Hai là tổng cụng suất phỏt trờn lưới parabol bằng
N ì P Sau khi xõy dựng được N/2 lưới parabol, luận ỏn đề xuất phương phỏpSOIT như sau Giỏ trị Pmax được gỏn cho súng mang con ở xa dải tần số của PUnhất, tại súng con thứ (N + 1)/2 đối với trường hợp N lẻ hoặc hai súng mang thứN/2 và N/2 + 1 đối với trường hợp N chẵn Sau đú hai súng mang con kế bờncạnh, tại vị trớ (N + 1)/2 ư 1 và (N + 1)/2 + 1 đối với N lẻ hoặc hai súng mangcon ở vị trớ N/2 ư 1 và N/2 + 1 đối với N chẵn sẽ được phõn bổ cụng suất ở mức
Pmax(k) ư ∆P Tiếp tục như vậy cho đến khi hết quỹ cụng suất phỏt hoặc nhiễu sang
PU đến mức giới hạn
A: Đối với trường hợp N chẵn
Cụng suất phõn bổ cho súng mang con tại vị trớ N/2 ư i và N/2 + 1 + i là
Pmaxư i ì ∆P
B: Đối với trường hợp N lẻ
Cụng suất phõn bổ cho súng mang con tại vị trớ (N + 1)/2 ư i và (N + 1)/2 + i
là Pmaxư i ì ∆P
12
