Nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến có nhận thức dựa trên OFDM.

Nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến có nhận thức dựa trên OFDM.Nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến có nhận thức dựa trên OFDM.Nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến có nhận thức dựa trên OFDM.Nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến có nhận thức dựa trên OFDM.Nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến có nhận thức dựa trên OFDM.Nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến có nhận thức dựa trên OFDM.

0

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

LÊ VĂN TUẤN

NÂNG CAO DUNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN CÓ NHẬN THỨC DỰA TRÊN OFDM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

1

Công tr nh ho n th nh t i: Kho Điện tử-Viễn thông

Tr ng Đ i họ Công nghệ Đ i họ Quố gi H Nội

Ng i h ớng dẫn kho họ : TS NGUYỄN THÀNH HIẾU PGS TS NGUYỄN VIẾT KÍNH

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ bảo vệ tr ớ Hội ồng ấp Đ i họ Quố gi hấm luận án tiến sĩ họp t i

v o hồi gi ng y tháng năm

Có thể t m hiểu luận án t i:

- Th viện Quố gi Việt N m

- Trung tâm Thông tin - Th viện Đ i họ Quố gi H Nội

2

MỞ ĐẦU Tổng quan

Vô tuyến ó nhận thứ (CR) xem l một h ớng i nhằm nâng o hiệu quả sử dụng t i nguyên tần số thông qu việ tận dụng

á phần băng tần ã ấp ho hệ thống chính (PU) nh ng ít sử dụng.Kỹ thuật OFDM thừ nhận rộng rãi ể dùng ho hệ thống

vô tuyến ó nhận thứ (CRS)

Bài toán đặt ra

Do sử dụng băng tần ủ PU nên CRS không phép gây r

mứ nhiễucho PU o hơn ng ỡng Ith Vậy l m thế n o ể nâng o dung l ng truyền ủ CRS trong iều kiện n y trong khi giữ ộ phứ t p tính toán thấp ể phù h p với CRS?

Hướng nghiên cứu của nghiên cứu sinh

Giải pháp sử dụng kỹ thuật ử sổ (windowing) xem xét

ể h n hế mứ phát x ngo i băng (mứ nhiễu s ng PU) ủ á sóng m ng on OFDM từ ó tăng ông suất phát ể tăng dung l ng truyền ho CRS Bên nh ó giải pháp phân bổ ông suất ho sóng

m ng on ũng nghiên ứu ể l m giảm ộ phứ t p tính toán

Phương pháp nghiên cứu

Ph ơng pháp kết h p giải tí h với mô phỏng Monte-C rlo sử dụng máy tính sử dụng phụ vụ nghiên ứu trong luận án

Các đóng góp

Cá kết quả nghiên ứu trong luận án (nằm trong á h ơng

2,3 và 4) ã t mụ í h ề r b o gồm: (i) Đề xuất áp dụng cửa sổ

Turkey cho CRS đơn người dùng, đa người dùng dựa trên OFDM; (ii) Đề xuất giải thuật Full-filling cho phân bổ công suất sóng mang con nhằm làm giảm độ phức tạp tính toán; (iii) đề xuất giải thuật phân bổ sóng mang con Q-IIA cho CRS đa người dùng

3

Bố cục luận án

Bố cục luận án gồm phần mở ầu 4 h ơng v phần kết luận

Ch ơng 1 l tổng quan về vô tuyến có nhận thức và giới thiệu bài toán nâng o dung l ng trong iều kiện có giới h n về nhiễu cho

PU Ch ơng 2 ề xuất áp dụng kỹ thuật cửa sổ Turkey, vốn ng

c sử dụng phổ biến cho WLAN 802.11 ho CRS Ch ơng 3 ề xuất giải thuật Full-filling trong phân bổ công suất sóng mang con của CRS nhằm làm giảm ộ phức t p tính toán Ch ơng 4 ải tiến giải pháp phân hi nghị h ảo theo nhiễu (IIA) và ề xuất giải pháp phân bổ sóng m ng on Q-IIA ho mỗi ng i dùng CRS

sử dụng t i một ị iểm v trong khoảng th i gi n xá ịnh

Các ặ tính ơ bản ủ CRS b o gồm khả năng có nhận thức

(nhận biết môi tr ng vô tuyến xung qu nh ể phát hiện r á

khoảng trống tần số v ể xá lập á th m số ho t ộng tốt

nhất), khả năng cấu hình lại (tự lập tr nh l i một á h linh ho t phù

h p với iều kiện môi tr ng xung qu nh) Ngoài ra, CRS khi ho t ộng phải ảm bảo không gây r mứ nhiễu o quá ng ỡng

ho phép ối với ng i sử dụng hính

Về ứng dụng vô tuyến ó nhận thứ (CR) dự báo sẽ ứng dụng trong nhiều hệ thống vô tuyến trong t ơng l i Hiện IEEE ã xây dựng h i bộ tiêu huẩn 802.22,802.11af ó sử dụng CR Chuẩn 802.22 ho m ng WRAN thông qu v o tháng 7 năm 2011 Chuẩn 802.11af(“White-Fi”, “Super-Fi”) l một tiêu huẩn trong họ 802.11 về WLAN thông qu v o tháng 2 năm 2014 Khá với huẩn 802.22 sử dụng OFDMA huẩn 802.11 f sử dụng OFDM

1.2 Một số hướng nghiên cứu chính về vô tuyến có nhận thức

Vô tuyến ó nhận thứ l ông nghệ mới ng trong quá tr nh

h nh th nh v ho n thiện nên òn có h ng lo t thá h thứ b i toán ặt

r ể nghiên ứu Trong ó kỹ thuật nhận d ng phổ tần giải pháp nhằm giảm nhiễu giữ á sóng m ng on v nhiễu từ CRS s ng PU

5

l hủ ề thu hút sự qu n tâm nghiên ứu ủ nhiều tá giả Bên nh ó b i toán nâng o dung l ng ủ CRS l hủ ề thu hút sự qu n tâm nghiên ứu trong th i gi n gần ây

Luận án ã tổng h p tóm tắt một số nghiên ứu về nhận d ng phổ tần (nhận d ng dự trên phát hiện năng l ng tín hiệu nhận

Hình 1.1: Nhiễu hai chiều qua l i giữa CR và PU

Về khí nh nhiễu tín hiệu phát OFDM ủ CRS l một nguồn nhiễu ối với máy thu PU v ng l i nh biểu diễn ở hình 1.2 trong ó hệ số suy h o giữ máy phát CRS v máy thu PU viết

sóng mang con, l hệ số suy h o ủ kênh giữ á ng i dùng

CR, là nhiễu từ băng thứ l của PU vào sóng mang con OFDM thứ i của CRS, l nhiễu từ sóng m ng on thứ i v o băng l ủ

PU, P i l ông suất phát ủ sóng m ng on thứ i

Công thứ (1.1) ho thấy tố ộ truyền phụ thuộ không hỉ

v o ông suất phát P i m òn v o ả mứ nhiễu do máy phát PU gây ra t i phía thu của CRS

1.3.2 Các nghiên cứu về nâng cao dung lượng CRS

Trong b i toán nâng o dung l ng CRS một số nghiên ứu

tr ớ ây ã r ph ơng án phân bổ ông suất tối u một số

ph ơng án phân bổ ông suất ận tối u

Với phân bổ ông suất tối u, CRS dùng OFDM t tố

ộ truyền dẫn o nhất trong khi vẫn ảm bảo tổng mứ ông suất

1max 0,

|

i l

i i

l

J P

h K

- Phân bổ ều công suất, các sóng m ng on ều c phân bổ một mức công suất P nh nh u:

K P

 



- Phân bổ công suất theo hình bậc thang với hai giải pháp

Scheme A và Scheme B, dự trên ý t ởng phân bổ công suất tỷ lệ

nghịch với mức nhiễu do sóng mang con CRS gây ra cho PU Đối

với Scheme A, sóng mang con của CRS nằm kề PU c phân bổ

mức công suất P, thì các sóng mang con nằm cách xa dần PU sẽ

c phân bổ mức công suất tăng ồng biến 2P, 3P,

Trong Scheme B b ớc nhảy công suất giữa 2 bậc thang liền kề

I P

Hình 1.2: Phân bổ công suất theo hình bậc thang

Một số nghiên ứu ảnh h ởng ủ tắt (nulling) sóng m ng on

ể giảm nhiễu ho thấy khi CRS tắt á sóng m ng on nằm kề ng y

á băng ủ PU hiệu quả giảm nhiễu tốt

Cũng ó thể dùnggiải thuật Max-Min ể phân bổ bit cho từng cặp sóng mang con/tr m gốc CRS ể t hiệu quả về dung l ng Kết quả mô phỏng, CRS t tố ộ dữ liệu gần mứ giới h n trên ủ tr ng h p tối u (sự khá biệt nhỏ hơn 5%)

Giải thuật phân bổ phổ tần số ho ng i dùng CRS dự trên kết quả giám sát nền nhiễu t p âm v mứ nhiễu do PU t o r , từ ó tính mứ ông suất tối ó thể phân bổ trên kênh truyền ề xuất gần ây Bằng á h ó hệ thống sẽ xá ịnh tất ả á ng truyền tiềm năng giữ các ng i dùng CRS ể tối u hó dung l ng

ủ hệ thống trong khi vẫn ảm bảo ng ỡng bảo vệ Ith cho PU

qu ó tăng C Một trong á kỹ thuật ể l m giảm ông suất búp phụ l kỹ thuật ử sổ lọ (windowing) Kỹ thuật này hiện dùng phổ biến trong WLAN huẩn 802.11 ũng dự trên OFDM

Vì lý do nêu trên, nghiên cứu sinh đã lựa chọn kỹ thuật

windowing trong nghiên cứu, đề xuất cho bài toán nâng cao dung lượng của CRS dựa trên OFDM

2.2 Hiện tượng dò phổ tín hiệu trong quá trình FFT, DFT

Tín hiệu OFDM ó mứ phát x ngo i băng o l do búp phụ cao t o r trong quá tr nh xử lý lấy mẫu tín hiệu trong miền th i

gi n l m ho tín hiệu không liên tụ v khá so với b n ầu, qu biến

ổi DFT s ng miền tần số sẽ t o một dải tần số rộng l m ho phổ

ủ tín hiệu s u FFT bị kéo rộng t o r hiệu t ng dò phổ tần làm giảm SNR ồng th i tăng gây nhiễu ho á băng tần liền kề

Hình 2.1 mô tả sự khá biệt giữ tín hiệu gố (tín hiệu sin) và tín hiệu m DFT sử dụng ho phép biến ổi ủ m nh Phổ ủ tín hiệu sin huẩn n y l 1 v h tần số trong miền tần số Tuy nhiên khi

qu biến ổi DFT do tính không liên tụ ủ tín hiệu trong miền th i

gi n nên biến ổi qu miền tần số sẽ t o r một phổ gồm 1 huỗi á tần số (hiện t ng dò phổ tần)

2.3 Sử dụng kỹ thuật windowing cho hệ thống dựa trên OFDM

th i gi n o lấy mẫu Quá trình nhân với hàm này được gọi là lấy

cửa sổ (windowing), còn hàm nhân được gọi là hàm “cửa sổ” Phổ

tín hiệu s u khi windowing l tí h hập ủ phổ tần số ủ h m window với phổ ủ tín hiệu ầu v o

Hình 2.1: sự khá biệt ủ tín

hiệu qu FF Hình 2.2: Sử dụng window cosin nâng ể ghép nối ký tự

Kỹ thuật windowing từ rất lâu ã á tá giả ề xuất áp dụng ho á hệ thống OFDM Hình 2.2 mô tả tá dụng ủ windowing trong việ “l m trơn” tín hiệu trong hệ thống WLAN 802.11 ể giảm hiện t ng dò tần số

2.2 Một số kỹ thuật windowing sử dụng cho OFDM

Luận án tr nh b y một số ử sổ phổ biến nh ử sổ hữ nhật Hanning.Trong WLAN 802.11, ử sổ sử dụng l Tukey V lẽ

ó Tukey ũng l ử sổ lự họn ể nghiên ứu trong luận án

Để ánh giá ảnh h ởng mô phỏng thự hiện với PU là

truyền h nh số DVB-T, CRS có 20 sóng mang con ∆f = 0,3125;T s = 4

μs, σ 2

= 10-3 mW, công suất tín hiệu PU: P Pu = 10 mW

Kết quả mô phỏng ho phân bố ông suất sóng m ng on ủ CRS nh h nh 2.3 (tr ng h p phân bổ ông suất tối u), hình 2.4 (có windowing), hình 2.5 (windowing với Ith khác nhau) v tố ộ

ủ CRS nh hình 2.6 (window ó ộ số uốn  = 0,3 và = 0,6)

Hình 2.3: phân bổ ông suất sóng

mang con CRS khi h áp dụng

windowing

Hình 2.4: phân bổ công suất sóng mang con CRS khi áp dụng windowing

Tố ộ truyền ủ CRS tăng lên áng kể từ 28 Mbps lên 40

Mbps(với α=0.3, I th =σ 2), khi áp dụng windowing Điều n y l do

ử sổ giúp l m giảm phát x không mong muốn ủ á sóng m ng con CRS tứ l m giảm nhiễu từ CRS s ng PU qu ó giúp CR tăng ông suất phát v tăng tố ộ truyền dẫn ủ m nh

Từ hình 2.5, 2.6, khi iều kiện về nhiễu nới lỏng (Ith cao hơn), CRS sẽ t tố ộ truyền o hơn v ng l i Điều n y ó thể giải thí h khi Ith tăng tứ l PU hấp nhận mứ nhiễu o hơn

13

nên ông suất phân bổ ho á sóng m ng on ủ CRS ó thể tăng

lên qu ó l m tăng tố ộ truyền ủ CRS

Từ hình 2.6, khi hệ số uốn lớn hơn th tố ộ truyền CRS cao hơn v ng l i Khi hệ số uốn ng o th mứ phát x không mong muốn ng giảm tứ l mứ gây nhiễu ho PU ng thấp, CRS

ó thể phát ông suất lớn hơn,làm cho tố ộ truyền o hơn Ng

l i khi hệ số uốn bằng 0 t ơng ơng với tr ng h p không áp dụng

kỹ thuật windowing th mứ nhiễu l lớn nhất Tuy nhiên khi hệ số uốn tăng th sẽ kéo theo kéo d i ký tự trong miền th i gi n Trong thự tế giá trị ủ hệ số uốn nằm trong khoảng 0-0,3

Về phân bố mức công suất cho các sóng mang con của CRS:

Cá sóng m ng on ó tần số nằm ng nằm gần tần số ủ PU

th ó mứ ông suất ng thấp, có khoảng á h tần số ng x PU

th ng phân bổ ông suất o nhiều sóng m ng on òn

phân bổ mứ ông suất tối

Kỹ thuật windowing ó tá ộng rõ rệt lên mứ ông suất phân

bổ ho từng sóng m ng on, ông suất phát ủ á sóng m ng on tăng lên áng kể so với khi không sử dụng windowing (hình 2.3), các

sóng m ng on nằm x PU (≥ 7 ∆f) ều phân bổ mứ ông suất

tối m CRS ó thể phân bổ

Khi Ith tăng lên (hình 2.5) mứ ông suất ủ á sóng m ng

on ủ CRS ũng tăng lên.Khi sử dụng windowing với Ith= 5σ2và

Ith= σ2 thì 8 sóng m ng on ó vị trí số 7-14 ều ó mứ ông suất phân bổ tối Điều n y ó nghĩ l mứ nhiễu m 8 sóng m ng on này gây ra l không áng kể với PU Nh vậy với Ith và băng thông

B xá ịnh húng t ó thể xá ịnh tr ớ á sóng m ng ó ó

kỹ thuật windowing húng t ó thể không ần phải tính toán mứ ông suất ần phân bổ ho á sóng m ng on ủ CRS nằm x PU

m ó thể phân bổ ng y mứ ông suất tối ho húng

Nh vậy kỹ thuật windowing không hỉ giúp l m tăng tố ộ truyền ủ CRS m òn mở r ơ hội l m ho b i toán phân bổ ông suất sóng m ng on trở nên ơn giản hơn ộ phứ t p tính toán giảm xuống Cụ thể l 8/20 ( t ơng ơng 40%) số sóng m ng on nh trong mô phỏng ó thể phân bổ ông suất tối ng y m không ần phải thự hiện phép tính tối u

giải thuật l tìm số lượng lớn nhất các sóng mang con đểphân bổ

ngay mức công suất tối đa trong khi vẫn ảm bảo tổng mứ nhiễu do

các sóng mang con CRS gây ra ≤ Ith Mụ í h ủ giải thuật này là

làm giảm số lượng các sóng mang con cần tính toán phân bổ tối ưu công suất(vốn là phép tính phức tạp), qua đó làm giảm độ phức tạp tính toán, trong khi CRS vẫn t dung l ng truyền tốt

Hai giải thuật riêng rẽ ề xuất trong Full-Filling (FF) là Max Filling Range (MFR) và Pre-set Filling Range (PFR)

3.1.1 Giải thuật Max Filling Range

Trong MFR, có h i á h ể xá ịnh số sóng m ng on ó thể phân bổ mứ ông suất tối :

- Cách 1: tắt hết các sóng mang con ( ặt Pi= 0) s u ó bật sóng mang con có khoảng cách tần số lớn nhất tới PU bằng cách

phân bổ mức công suất tối P i = P max Nếu mức nhiễu do các sóng

mang con này gây ra cho PU vẫn ≤I th thì tiếp tục bật sóng mang con

nằm kế tiếp bằng cách phân bổ mức công suất P max cho chúng, l i kiểm tra mức nhiễu gây ho PU Quá tr nh n y c tiếp tục lặp i lặp l i ho ến khi mức nhiễu do á sóng m ng on gây r v t qua

mứ ng ỡng I th của PU thì ngừng l i

- Cách 2: th y v tắt hết á sóng m ng on nh á h 1 th húng t l i phân bổ mứ ông suất tối ng y ho to n bộ sóng

m ng on ủ CRS B ớ 2 thự hiện kiểm tr iều kiện về tổng

mứ nhiễu á sóng m ng on gây ho PU, tổng nhiễu lớn hơn I th thì

Nếu tổng nhiễu <I th nh ng không thể phân bổ thêm 1 sóng

m ng on ó ông suất ự i th húng t ó thể tiếp tụ tính toán tối u mứ ông suất ó thể phân bổ ho á sóng m ng on òn l i

3.1.2 Giải thuật Pre-set Filling Range -PFR

Từ nhận xét ở Ch ơng 2 nếu biết tr ớ về PU Ith v ộ rộng phổ tần m CRS hiếm dùng th t ó thể xá ịnh tr ớ một số á sóng m ng sẽ phân bổ mứ ông suất tối á sóng m ng

òn l i sẽ tính toán tối u ể t m r mứ ông suất ần phân bổ.V ã xá ịnh v biết tr ớ á sóng m ng phân bổ ông suất tối nên giải thuật n y gọi l Pre-set Filling Range Giải thuật n y b o gồm h i b ớ :B ớ 1 xá ịnh á sóng

m ng on phân bổ ông suất tối ; B ớ 2: tính toán mứ ông suất tối t u sẽ phân bổ ho á sóng m ng òn l i trên ơ sở

ảm bảo tổng nhiễu tới PU từ CRS thỏ mãn ≤ I th Dung l ng truyền ủ hệ thống tính trên ơ sở mứ ông suất ã phân

giả thiết l suy h o R yleigh ó ộ l i kênh trung b nh l 10 dB Thông tin về kênh truyền (CSI) giả thiết l biết

t i phí thu ủ CRS

17

3.1.1 Phân bổ mức công suất cho các sóng mang con

H nh 3.2 h nh 3.3 l ông suất trung b nh ủ á sóng m ng con CRS ho 10.000 lần truyền ối với thuật toán MFR PFR Phân

bố n y ó dáng t ơng tự nh tr ng h p phân bổ tối u (h nh 3.1)

Từ h nh 3.2 h nh 3.3 ó thể thấy nh ã phân tí h ở Ch ơng

2 số l ng sóng m ng on phân bổ ông suất ự i trong ả

2 tr ng h p áp dụng PFR v MFR ều l 8 trên tổng số 20 v vị trí

ủ húng l nằm giữ ủ CRS V vậy ối với một số tr ng h p

ặ biệt khi băng thông CRS hiếm dụng l ố ịnh (ví dụ 8 MHz)

I th ã biết th húng t ó thể sử dụng PFR Tuy nhiên so với PFR, MFR ó u iểm l ó thể áp dụng tổng quát ho mọi tr ng h p

3.2.2 Dung lượng truyền của CRS

Dung l ng CRS khi áp dụng Full-Filling so sánh với

á tr ng h p phân bổ tối u phân bổ ều ông suất phân bổ tỷ lệ nghị h với nhiễu ó hoặ không ó windowing (h nh 3.4)

Từ kết quả mô phỏng n y húng t ó thể thấy:

Khi không áp dụng windowing tố ộ truyền ủ CRS l thấp nhất Windowing ã giúp nâng o áng kể tố ộ truyền ủ CRS

Ví dụ với S heme B th tố ộ truyền ủ CRS hỉ t 1 2 x 107

bps

t i I th =2

nh ng khi áp dụng windowing tố ộ truyền ủ CRS nâng lên tới 4 7 x107

bps Khi áp dụng kỹ thuật Full-filling thì

sự hênh lệ h ối với phân bổ tối u gần nh không òn với Ith ≥ 0,62

Khi ng ỡng hịu nhiễu I th ủ PU nhỏ i dung l ng ủ CRS giảm nhẹ khoảng 0 1 x 107

bit/s (2%) so với tr ng h p tối u (hình 3.5)

Đối với á tr ng h p ó áp dụng windowing (hình 3.4), thì

kỹ thuật phân bổ ông suất ều (uniform) l ho kết quả thấp nhất