Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)

Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

LỜI MỞ ĐẦU

Truyền thông vô tuyến có một số đặc điểm : (1) Tài nguyên vô tuyến là hữu hạn và ngày càng khan hiếm trong khi nhu cầu sử dụng lại ngày một tăng cao Để đáp ứng được lượng nhu cầu này phải sử dụng một cách hiệu quả và khai thác triệt để lượng tài nguyên khan hiếm này (2) Chất lượng truyền dẫn và môi trường truyền dẫn vô tuyến bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi phading (chất lượng kém) trong khi đó các yêu cầu về chất lượng sử dụng ngày càng tăng dẫn đến phải tối ưu các tham số đối lập (3) Môi trường vô tuyến là hở dẫn đến sự mất an ninh trong truyền dẫn Điều này đồng nghĩa với việc đảm bảo an ninh trong truyền dẫn là vô cùng cần thiết

Từ các đặc điểm trên, xu hướng phát triển và tiến hóa tất yếu của các mạng thông tin vô tuyến thế hệ sau là phải giải quyết được triệt để các ấn đề đối lập trên Điều này dẫn đến xu hướng họi tụ các công nghệ, kỹ thuật then chốt và tinh túy trong đó

Xét trên phương diện tài nguyên, sử dụng hiệu quả tài nguyên thì vô tuyến khả tri và vô tuyến hợp tác là hai nhóm giải pháp tiềm năng, then chốt, chủ đạo cho các mạng vô tuyến thế hệ sau nhằm giải quyết các vấn đề khan hiếm phổ tần Trong dó thì bài toán phân bổ tài nguyên tối ưu lại là một trong những chủ đề then chốt

Việc phân bổ tài nguyên của hệ thống vô tuyến hợp tác khả tri có thể thực hiện trên nhiều khía cạnh riêng lẻ bao gồm : phân bổ tài nguyên công suất, lựa chọn chuyển tiếp, lập lịch cho user, định tuyến cho mạng, phân bổ theo chất lượng dịch vụ QoS, phân bổ tài nguyên theo trễ, phân bổ tài nguyên sóng mang con Ngoài ra ta có thể kết hợp giữa nhiều

kỹ thuật khác nhau dựa trên bài toán tối ưu theo nhiều tham số

Trong khuôn khổ của luận văn, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu và phân tích bài toán phân bổ tài nguyên dựa trên hai kỹ thuật đó là phân bổ tài nguyên công suất và phân bổ tài nguyên sóng mang con Đây cũng là hai kỹ thuật nhận được khá nhiều sự quan tâm nghiên cứu nhằm tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống Chính vì vậy luận văn lựa chọn chủ đề “Phân

bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri” làm đề tài nghiên cứu với mục đích tối

đa hiệu năng hệ thống Để tiện theo dõi, nội dung của các chương được khái quát lại như sau:

- Chương 1: Trình bày tổng quát về hệ thông vô tuyến khả tri, các chức năng cũng

như cấu trúc hệ thống vô tuyến khả tri

- Chương 2: Trình bày về vấn đề phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến khả tri

nói chung Đồng thời sẽ đưa các các vấn đề cũng như phương pháp phân bổ công suất và sóng mang con trong hệ thống vô tuyến khả tri

- Chương 3: Trình bày về phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến khả tri dựa trên

OFDM Đưa ra mô hình hệ thống cũng như bài toán phân bổ công suất và sóng mang con cho mạng vô tuyến khả tri dựa trên OFDM Mô phỏng, phân tích đánh giá hiệu năng hệ thống

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN HỢP TÁC KHẢ TRI

1.1.Ý tưởng và khái niệm về vô tuyến khả tri

Thuật ngữ “vô tuyến khả tri” xuất hiện lần đầu vào năm 1999 khi người ta nhận thấy hệ thống vô tuyến khả tri là sự cải tiến của vô tuyến phần mềm :

“Vô tuyến khả tri là sự phát triển của vô tuyến phần mềm và nó có thể thiết lập các thông

số như băng tần, giao tiếp, giao thức trong môi trường biến đổi theo không gian và thời gian nhằm điều tiết việc sử dụng phổ tần vô tuyến.”

Hình 1.1 : Lịch sử hệ thống vô tuyến khả tri

Vô tuyến khả tri có 4 chức năng chính :

Hình 1.2: Sử dụng phổ linh hoạt

1.2.Chu trình hoạt động của vô tuyến khả tri

1.2.1 Khái quát mạng vô tuyến khả tri

0

0

0 Trạm gốc chính

Truy nhập mạng chính

Truy nhập

ad hoc xG

Truy nhập mạng xG

Người dùng xG

Người dùng xG

1.2.2 Mô hình kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri

Hình 1.4 minh họa, so sánh vô tuyến thông thường và vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm SDR và vô tuyến khả tri CR

Vô tuyến thông thường

Xử lí thông minh (cảm nhận, quyết định, chia sẻ)

Hình 1.4 Minh họa, so sánh, vô tuyến thông thường, vô tuyến được định nghĩa bằng phần

mềm SDR và vô tuyến khả tri CR

Anten băng rộng

Bộ ghép song công

Cổng định thời

Điều khiển công suất phát (TPC)

Bộ tổng hợp thích ứng

Phát hiện lịch sử chiếm dụng tài nguồn tài nguyên vô tuyến (IPD)

Phối hợp lựa chọn

Hình 1.5 Sơ đồ khối thực hiện vô tuyến khả tri CR dựa trên SDR

Các lớp cao hơn

Giao thức quản lí kết nối Giao thức MAC

Giao thức quản lí nhóm

Lớp con hội tụ Ngăn xếp

WWAN

Ngăn xếp WLAN

Ngăn xếp WPAN

Ngoài ra, CR còn phải có khả năng IPD IPD là khả năng để phát hiện người dùng sơ cấp dựa trên một thông tin phổ đặc biệt

1.2.4 Chức năng và hoạt động của hệ thống vô tuyến khả tri

Chức năng của hệ thống vô tuyến khả tri

Chức năng dịch chuyển phổ

Chức năng quản lí phổ

Ứng dụng

Truyền tải

Lớp mạng

Chia sẻ phổ Lớp liên kết dữ liệu

Cảm nhận phổ Lớp vật lí

Điều khiển ứng dụng

Suy hao, trễ chuyển giao

Thông tin định tuyến

Thông tin cảm nhận

Trễ lớp liên kết

Yêu cầu về QoS

tự cấu hình Quyết định chuyển giao, thông tin về phổ tần hiện tại và tương lai

Hình 1.7 Các chức năng truyền thông trong mạng vô tuyến khả tri CRN

Hình 1.8 Các thành phần cơ bản của vô tuyến khả tri để lựa chọn tần số động

Hoạt động điển hình của mạng vô tuyến khả tri

 Trên băng cấp phép

Trạm gốc chính

Người dùng chính Mạng chính

Người dùng xG

Người dùng xG

Trạm gốc thứ cấp

Truy nhập phổ tần động

Mạng xG

Hình 1.9 Mạng vô tuyến khả tri hoạt động trên băng cấp phép

 Trên băng không được cấp phép

Bộ chuyển đổi tương tự-số (A/D)

Bộ trộn

Bộ lọc lựa chọn kênh

Mạch tự động điều chỉnh

độ lợi

Bộ chuyển đổi tương tự-số

(b)

Hình 1.11 Kiến trúc vật lí của vô tuyến khả tri: (a) Máy thu/phát của vô tuyến khả tri; (b)

Kiến trúc đầu cuối RF băng rộng

1.4 Vô tuyến định nghĩa mềm (SDR) cho hệ thống vô tuyến khả tri.

1.4.1 Khái niệm Software-Defined Radio (SDR)

Hình 1.12 mô tả một hệ thống thông tin vô tuyến thông thường, chúng bao gồm 5 bộ phận :

Hình 1.12 : Sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến

Mạch tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại

1.4.2 Mối quan hệ giữa SDR và vô tuyến khả tri.

Hình 1.13: Mối quan hệ giữa SDR và hệ thống vô tuyến khả tri1.4.3 Kiến trúc SDR

Hình 1.14 : Kiến trúc hệ thống SDR

1.5 Ứng dụng của hệ thống vô tuyến khả tri

1.5.1.Đặc điểm của vô tuyến khả tri

 Khả năng nhận thức:

Môi trường Vô tuyến

CẢM NHẬN PHỔ

QUYẾT ĐỊNH PHỔ

PHÂN TÍCH PHỔ

Tín hiệu truyền đi Các tác nhân

Vô tuyến Thông tin về các

hố phổ

Dung lượng kênh

1.5.2.Ứng dụng của vô tuyến khả tri

Hình 1.16 : Phân loại ứng dụng vô tuyến khả tri

CHƯƠNG 2 : PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG VÔ

TUYẾN HỢP TÁC KHẢ tri

2.1 Khái quát về phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến khả tri

Bảng 2.1: Các tham số chuẩn IEEE 802.22

16QAM 64QAM

Fixed and adaptive modulation

other regulatory domains

Hình 2.1 (a) phổ tần lớp phủ

Hình 2.1 (b) phổ tần lớp dưới

Hình 2.1(c) kết hợp phổ tần lớp phủ và phổ tần lớp dưới

2.2 Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri

Hình 2.2 : Thành phần cơ bản phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri 2.3 Phân bổ tài nguyên công suất và sóng mang con trong vô tuyến hợp tác khả tri

2.3.1 Phân bổ tài nguyên sóng mang con

Đối với tất cả cac ngưỡng nhiễu và ràng buộc công suất để đáp ứng, ta phân bổ công suất ngang bằng như sau

theo điều kiện

( ) ( ) , , 1

2 ( )

, 1

ss

k n

L l

k n l

h J

l l

k n

l F

å , cho k=1,…,K b) Phân bổ sóng mang con n tìm được cho người dùng k,    n ;

c) Cập nhật R k,n theo (2.36)

iii) FairR-SAA

2 , ,

a) Tìm sóng mang con n=argmaxS k,n , cho n∈A;

b) Phân bổ sóng mang con n vừa tìm được cho người dùng vô tuyến khả tri k,

c) Cập nhật R k,n theo (2.36)

3) Trong khi A≠∅

a) Tìm người dùng vô tuyến khả tri k=argmin ,

k

k n n

2.3.2 Phân bổ tài nguyên công suất

i) Phân bổ công suất tối ưu

,

2 , ,

k n k n

L l P

Bằng cách giới thiệu nhân tử Lagrange và các điều kiện Karush-Kuhn-Tucker, ta có thể

có được giải pháp tối ưu như:

1

l k n l

w

F

  



các điều kiện bắt buộc

ii) Phân bổ công suất bước

được viết:

*

A n

L l

l



cho người dùng CR k cho tất cả những người dùng chính Sau đó, theo các ràng buộc trong công suất tổng được phân bổ cho người dùng CR, cỡ bước p được thể hiện:

1

1

N A

Sử dụng các giải pháp ít được tính toán hơn bởi (2.10) và (2.11) là cỡ bước cuối cùng, và

Sau đó, theo ràng buộc về công suất tổng được phân bổ cho người dùng CR, cỡ bước p

n

n n

Sử dụng các giải pháp ít được tính toán hơn bởi (2.13) và (2.14) là cỡ bước cuối cùng, và

CHƯƠNG 3 : PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN SÓNG MANG CON VÀ TÀI NGUYÊN CÔNG SUẤT CHO CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN HỢP

TÁC KHẢ TRI DỰA VÀO OFDMA

3.1 Giới thiệu về phân bổ tài nguyên sóng mang con và tài nguyên công suất 3.2 Mô hình hệ thống và phát biểu bài toán.

Trạm gốc: Phân bổ sóng mang con, tốc độ, công suất

Tần số

Người dùng 1

Người dùng 2

Người dùng K

dùng được giả định là có các

độ lợi kênh độc lập thống

kê, và được trạm gốc phân

bổ một tập các sóng mang khác nhau

c)

Phân bổ sóng mang con và công suất

Phát OFDMA

Thu OFDMA của người dùng 1 Thu OFDMA của người dùng 2

Thu OFDMA của người dùng K

Kênh của người dùng 1 Kênh của người dùng 2

Kênh của người dùng K

a)

Thông tin kênh

Hình 3.1 Mô hình phân bổ tài nguyên OFDMA, N kênh con cho K người dùng

Hình 3.2 Phân bố người dùng chính (PU) và người dùng CR (SU) trong không gian

i) Nhiễu gây ra bởi tín hiệu của người dùng vô tuyến khả tri lên PU

2 , ,

2 ( )

ii) Nhiều được gây ra bởi tín hiệu của người dùng chính lên SU

Mật độ phổ công suất của tin hiệu người dùng chính sau khi xử lý biến đổi Fourier nhanh (FFT) có thể được diễn tả:

iii) Nhiều được gây ra bởi tín hiệu giữa các người dùng vô tuyến khả tri

Nhiễu qua lại giữa sóng mang con thứ n của người dùng thứ m và sóng mang con thứ i của người dùng thứ k được xác định

( , ) ,

2 /2

2 ( , ) ( , ) ( ) ( , ) ( ) ( ) ( , )

/2

sin,

2 , , , 2 2 ( )

1

log 1

ss N

3.3 Phân bổ tài nguyên sóng mang con và phân bổ tài nguyên công suất.

3.3.1.Phân bổ sóng mang con và công suất tối ưu

3.3.2.Phân bổ sóng mang con và công suất cận tối ưu.

3.3.2.1 Cấp phát kênh con cận tối ưu

1 Khởi tạo

Đặt R k =0, với k=1,2,…,K và A={1,2,…,N}

2 Cho k chạy từ 1 đến K

(a) tìm n thoả mãn với mọi

(b) cho , A=A-{n} và cập nhật R k theo (3.8)

3 Khi thì

(a) tìm k thoả mãn R /wk k R /wi i với mọi i,

(b) với k tìm được, tìm n thoả mãn với mọi

(c) với k và n tìm được, cho , A=A-{n} và cập nhật R k theo (3.8)

3.3.2.2 Phân bố công suất tối ưu cho các người dùng SU đã được cấp phát kênh con

Để cấp phát kênh con tất định, bài toán tối ưu được công thức hóa như sau

,

2 , ,

k n k n

L l p

rời rạc với mọi k

1) Phân bố công suất cho một người dùng cụ thể:

(3.15)

với k = 1, 2, ,K

2) Phân bố công suất giữa nhiều người dùng:

i) Trường hợp tuyến tính:

ii) Trường hợp tỉ lệ kênh trên tạp âm lớn:

3.4 Mô phỏng hiệu năng phân bổ tài nguyên sóng mang con và công suất

3.4.1.Các tham số đặc trưng trong mô hình mô phỏng

Hình 3.4 Đáp ứng xung kim CIR và đáp ứng tần số của các người dùng

k



 N

k 1,2, ,

,

k tot P

, ,1 , , ,1

Hình 3.5 Phân bổ kênh con và công suất giữa các người dùng

Hình 3.6 Phân bổ kênh con và dung lượng giữa các người dùng 3.5.Kết luận

Từ các kết quả mô phỏng trên ta có thể thấy được với thuật toán phân bổ sóng mang con

sẽ tìm được kênh con có đáp ứng kênh tốt nhất đối với người dùng Từ đó phân bổ sóng

mang con này cho người dùng đó Sau khi đã người dùng đã được phân bổ sóng mang con,

thuật toán “Water-filling” sẽ thực hiện phân bổ lại công suất cho người dùng sao cho vẫn

đáp ứng được yêu cầu về tổng dung lượng và nhiễu ảnh hưởng đến người dùng chính (PU)

KẾT LUẬN

Luận văn đã trình bày tổng quan về hệ thống vô tuyến khả tri cũng như bài toán phân

bổ tài nguyên công suất và sóng mang con cho mạng vô tuyến khả tri Các kiến thức nền tảng và các kết quả nghiên cứu, tìm hiểu được trình bày trong luận văn với bố cục ba chương như sau : (1) Tổng quan về vô tuyến khả tri; (2) Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (3) Phân bổ tài nguyên sóng mang con và công suất trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri dựa vào OFDMA

Dựa vào kiến trúc hệ thống, cũng như tính cấp thiết trong lý thuyết và mô phỏng, luận văn đã đưa ra bài toán cho việc phân bổ tài nguyên công suất và tài nguyên sóng mang cho hệ thống vô tuyến khả tri đó là cần xây dựng thuật toán phân phổ tài nguyên cho các người dùng vô tuyến khả tri trong điều kiện ràng buộc nhiễu không ảnh hưởng tới người dùng chính (PU) vượt quá mức nhiễu yêu cầu của hệ thống nhưng vẫn đảm bảo được tối đa dung lượng cũng như chất lượng cho các người dùng này

Cuối cùng, luận văn cũng tìm hiểu, tham khảo và phân tích, đưa ra phương án lý thuyết cũng như mô phỏng cho bài toán phân bổ tài nguyên công suất và tài nguyên sóng mang con theo các điều kiện ràng buộc ở trên Phương án này có thể được chia thành hai bài toán : Bài toán tối ưu đồng thời cho các ràng buộc về công suất và sóng mang con Tuy nhiên các này rất tốn tài nguyên cũng như độ phức tạp tương đối cao Vì vậy luận văn đưa

ra phương án thứ hai là bài toán cận tối ưu được xây dựng theo các giai đoạn : (1) Thực hiện phân bổ sóng mang con cho các người dùng vô tuyến khả tri khi coi như công suất được phân bổ cho mỗi người dùng là như nhau (phân bổ đều) (2) Sau khi đã phân bổ sóng mang con cho người dùng, thuật toán “Water-filling” sẽ được sử dụng để phân bổ công suất cho những người dùng trên Kết quả cũng đã cho thấy bài toán yêu cầu được giải quyết với độ phức tạp của thuật toán cũng như yêu cầu về tài nguyên xử lý tốt hơn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

2013, “Resource Allocation Techniques in Cooperative Cognitive Radio Networks”, IEEE

communications surveys & tutorials, Vol 16, 11-09

OFDM-based Congnitive Radio Systems”, I.J Computer Network and Information Security,

1, 24-30

and Power Allocation for Cooperative Communications in LTE-Advanced Networks”, Vol

13, No 2

Resource Allowcation in Cooperative Sensing, Cellular Communications, High-Speed Vehicles, and Smart Grid

Power Allocation in Cognitive Radio Networks”

Cluster-Based Cognitive Radio Networks,” Proc IEEE Int Conf Commun and Mobile Computing

[8] Y Zhang, J Zheng and H H Chen, 2010 “Cognitive radio networks:

architectures, protocols, and standards” ,CRC Press

[10] Joanna Guenin, 2008, "IEEE SCC41 Standards for Dynamic Standards for Dynamic

Spectrum Access Networks", IEICE Software & Cognitive Radio IEICE Software &

Cognitive Radio Expo & Technical Conference

[11] O.Simeone, J.Gambini , Y.Bar-Ness, 2013, "Cooperation and Cognitive radio", Vol 32