Tóm tắt luận án Tiến sĩ Công nghệ Điện tử, Viễn thông: Nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin có nhận thức dựa trên OFDM

Luận văn đề xuất áp dụng cửa sổ Turkey cho CRS đơn người dùngdựa trên OFDM; đề xuất giải thuật Full-filling cho phân bổ công suất sóng mang con nhằm làm giảm độ phức tạp tính toán; đề xuất áp dụng cửa sổ Turkey cho CRS đa người dùng dựa trên OFDM; đề xuất giải thuật phân bổ sóng mang con Q-IIA cho CRS đa người dùng.

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

Mã số: 62.52.70.05

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ

ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2017

-Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THÀNH HIẾU

PGS TS NGUYỄN VIẾT KÍNH

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

1

MỞ ĐẦU Tổng quan

Vô tuyến có nhận thức (CR) được xem là một hướng đi nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên tần số thông qua việc tận dụng các phần băng tần đã cấp cho hệ thống chính (PU) nhưng ít được sử dụng.Kỹ thuật OFDM được thừa nhận rộng rãi để dùng cho hệ thống

vô tuyến có nhận thức (CRS)

Bài toán đặt ra

Do sử dụng băng tần của PU nên CRS không được phép gây ra mức nhiễucho PU cao hơn ngưỡng Ith Vậy làm thế nào để nâng cao dung lượng truyền của CRS trong điều kiện này, trong khi giữ độ phức tạp tính toán thấp để phù hợp với CRS?

Hướng nghiên cứu của nghiên cứu sinh

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

để hạn chế mức phát xạ ngoài băng (mức nhiễu sang PU) của các sóng mang con OFDM, từ đó tăng công suất phát để tăng dung lượng truyền cho CRS Bên cạnh đó, giải pháp phân bổ công suất cho sóng mang con cũng được nghiên cứu để làm giảm độ phức tạp tính toán

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp kết hợp giải tích với mô phỏng Monte-Carlo sử dụng máy tính được sử dụng phục vụ nghiên cứu trong luận án

Các đóng góp

Các kết quả nghiên cứu trong luận án (nằm trong các chương

2,3 và 4) đã đạt mục đích đề ra, bao gồm: (i) Đề xuất áp dụng cửa sổ

Turkey cho CRS đơn 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 áp dụng cửa sổ Turkey cho

PU Chương 2 đề xuất áp dụng kỹ thuật cửa sổ Turkey, vốn đang được sử dụng phổ biến cho WLAN 802.11, cho CRS Chương 3 đề xuất giải thuật Full-filling trong phân bổ công suất sóng mang con của CRS nhằm làm giảm độ phức tạp tính toán Chương 4 cải tiến giải pháp phân chia nghịch đảo theo nhiễu (IIA) và đề xuất giải pháp phân bổ sóng mang con Q-IIA cho mỗi người dùng CRS

3

Chương 1: Tổng quan về vô tuyến có nhận thức và bài toán nâng cao dung lượng

Tổng quan về hệ thống thông tin có nhận thức

Hệ thống thông tin có nhận thức (CRS) được hình thành dựa trên nhu cầu khai thác, tận dụng các khoảng trống tần số - phần phổ tần được ấn định cho một người sử dụng chính (PU) nhưng không được sử dụng tại một địađiểm và trong khoảng thời gian xác định

Các đặc tính cơ bản của CRS bao gồm khả năng có nhận thức

(nhận biết được môi trường vô tuyến xung quanh để phát hiện ra các

khoảng trống tần số và để xác lập được các tham số hoạt động tốt

nhất), khả năng cấu hình lại (tự lập trình lại một cách linh hoạt, phù

hợp với điều kiện môi trường xung quanh) Ngoài ra, CRS khi hoạt động phải đảm bảo không được gây ra mức nhiễu cao quá ngưỡng cho phép đối với người sử dụng chính

Về ứng dụng, vô tuyến có nhận thức (CR) dự báo sẽ được ứng dụng trong nhiều hệ thống vô tuyến trong tương lai Hiện IEEE đã xây dựng hai bộ tiêu chuẩn 802.22,802.11afcó sử dụng CR Chuẩn 802.22 cho mạng WRAN, được thông qua vào tháng 7 năm 2011 Chuẩn 802.11af(“White-Fi”, “Super-Fi”) là một tiêu chuẩn trong họ 802.11 về WLAN, được thông qua vào tháng 2 năm 2014 Khác với chuẩn 802.22 sử dụng OFDMA, chuẩn 802.11af sử dụng OFDM

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

Vô tuyến có nhận thức là công nghệ mới đang trong quá trình hình thành và hoàn thiện nêncòn có hàng loạt thách thức, bài toán đặt

ra để nghiên cứu Trong đó, kỹ thuật nhận dạng phổ tần, giải pháp nhằm giảm nhiễu giữa các sóng mang con và nhiễu từ CRS sang PU

4

là chủ đề thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều tác giả Bên cạnh đó, bài toán nâng cao dung lượng của CRS là chủ đề thu hút được sự quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây

Luận án đã tổng hợp, tóm tắt một số nghiên cứu về nhận dạng phổ tần (nhận dạng dựa trên phát hiện năng lượng tín hiệu, nhận dạng qua đặc tính dừng vòng của tín hiệu, dựa trên dạng sóng, nhận dạng qua lọc hòa hợp, nhận dạng phân tán, nhận dạng ngoài); Quản trị phổ tần; Phân chia và chia sẻ phổ tần

1.3 Bài toán nâng cao dung lượng CRS

1.3.1 Tổng quan

Với bài toán dung lượng CRS, luận án nghiên cứu trường hợp

tổng quát, trong đó có một hệ thống PU sử dụng L đoạn phổ tần số

có độ rộng B 1 , B 2 , …B L (Hz) và có L đoạn băng tần nằm xen kẽ chưa

được sử dụng nên CRS tìm thấychiếm dụng và chia thành N sóng mang con OFDM, mỗi sóng mang con có độ rộng ∆Hz

Hình 1.1: Nhiễu hai chiều qua lại giữa CR và PU

Về khía cạnh nhiễu, tín hiệu phát OFDM của CRS là một nguồn nhiễu đối với máy thu PU và ngược lại như biểu diễn ở hình 1.2, trong đó hệ số suy hao giữa máy phát CRS và máy thu PU viết

i

ss N

Trong đó, C là dung lượng của CRS, N là tổng số các sóng

mang con OFDM của CRS, I th là mức nhiễu tối đa mà PU có thể chấp nhận được từ CRS, là nhiễu Gauss, ∆f là độ rộng phổ tần của một

sóng mang con, là hệ số suy hao của kênh giữa các người dùng

CR, là nhiễu từ băng thứ l của PU vào sóng mang con OFDM thứ i của CRS, là nhiễu từ sóng mang con thứ i vào băng l của

PU, P i là công suất phát của sóng mang con thứ i

Công thức (1.1) cho thấy, tốc độ truyền phụ thuộc không chỉ

vào công suất phát P i mà còn vào cả mức nhiễu do máy phát PU gây ra tại phía thu của CRS

1.3.2 Các nghiên cứu về nâng cao dung lượng CRS

Trong bài toán nâng cao dung lượng CRS, một số nghiên cứu trước đây đã đưa ra phương án phân bổ công suất tối ưu, một số phương án phân bổ công suất cận tối ưu

Với phân bổ công suất tối ưu, CRS dùng OFDM đạt được tốc

độ truyền dẫn cao nhất, trong khi vẫn đảm bảo tổng mức công suất

1max 0,

|

i l

i i

l

J P

h K

(1.4)

Nhược điểm của phân bổ công suất tối ưu là độ phức tạp tính toán cao, khó khả thi cho hệ thống bị giới hạn về công suất hay về độ phức tạp như CRS Một số giải pháp cận tối ưu đã được đề xuất:

- Phân bổ đều công suất, các sóng mang con đều được phân bổ một mức công suất P như nhau:

K P

(1.5)

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

Scheme A và Scheme B, dựa trên ý tưởng 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 được phân bổ

mức công suất P, thì các sóng mang con nằm cách xa dần PU sẽ được phân bổ mức công suất tăng đồng biến 2P, 3P,

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

được xác lập theo hướng càng nằm cách xa PU, bước nhảy càng lớn

Mức công suất phân bổ cho sóng mang con thứ i của CRS trong

phương án này được xác định như sau:

I P

N K

(1.6)

Giải pháp phân bố công suất theo hàm mũ (Scheme C và D), phát triển từ Scheme A và Scheme B Trong Scheme C, công suất

7

nhiễu Ith được phân chia đều cho từng sóng mang con CRS, công

suất tối đa mà sóng mang con thứ i th

được phân bổ là P C i = p x i 1.5

với i= 1,2, ,N (N là số sóng mang con) Trong Scheme D, việc phân

bổ cũng tương tự, nhưng chỉ số hàm mũ có thay đổi, P C

i = p x i 3

Hình 1.2: Phân bổ công suất theo hình bậc thang

Một số nghiên cứu ảnh hưởng của tắt (nulling) sóng mang con

để giảm nhiễu cho thấy khi CRS tắt các sóng mang con nằm kề ngay các băng của PU,hiệu quả giảm nhiễu tốt

Cũng có thể dùnggiải thuật Max-Min để phân bổ bit cho từng cặp sóng mang con/trạm gốc CRS để đạt hiệu quả về dung lượng Kết quả mô phỏng, CRS đạt được tốc độ dữ liệu gần mức giới hạn trên của trường hợp tối ưu (sự khác biệt nhỏ hơn 5%)

Giải thuật phân bổ phổ tần số cho người dùng CRS dựa trên kết quả giám sát nền nhiễu tạp âm và mức nhiễu do PU tạo ra, từ đó tính mức công suất tối đa có thể phân bổ trên kênh truyền được đề xuất gần đây Bằng cách đó hệ thống sẽ xác định tất cả các đường truyền tiềm năng giữa các người dùng CRS để tối ưu hóa dung lượng của hệ thống trong khi vẫn đảm bảo ngưỡng bảo vệ Ith cho PU

qua đó tăng C Một trong các kỹ thuật để làm giảm công suất búp phụ là kỹ thuật cửa sổ lọc(windowing) Kỹ thuật này hiện được dùng phổ biến trong WLAN chuẩn 802.11 cũng dựa 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 có mức phát xạ ngoài băng cao là do búp phụ cao được tạo ra trong quá trình xử lý lấy mẫu tín hiệu trong miền thời gian làm cho tín hiệu không liên tục và khác so với ban đầu, qua biến đổi DFT sang miền tần số sẽ tạo một dải tần số rộng, làm cho phổ của tín hiệu sau FFT bị kéo rộng, tạo ra hiệu tượng dò phổ tần làm giảm SNR, đồng thời tăng gây nhiễu cho các băng tần liền kề

Hình 2.1 mô tả sự khác biệt giữa tín hiệu gốc (tín hiệu sin) và tín hiệu mà DFT sử dụng cho phép biến đổi của mình Phổ của tín hiệu sin chuẩn này là 1 vạch tần số trong miền tần số Tuy nhiên, khi qua biến đổi DFT, do tính không liên tục của tín hiệu trong miền thời gian nên biến đổi qua miền tần số sẽ tạo ra một phổ gồm 1 chuỗi các tần số (hiện tượng dò phổ tần)

9

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

Để giảm hiện tượng dò phổ của tín hiệu, cần làm giảm độ không liên tục của tín hiệu tại mỗi cuối chu kỳ đo lấy mẫu Việc này

có thể thực hiện bằng cách nhân tín hiệu trong khoảng thời gian đo lấy mẫu với một hàm làm cho tín hiệu từ từ tiến về giá trị 0 tại cuối

thời gian đo 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 sau khi windowing là tích chập của phổ tần số của hàm window với phổ của tín hiệu đầu vào

Hình 2.1: sự khác biệt của tín

hiệu qua FF Hình 2.2: Sử dụng window cosin nâng để ghép nối ký tự

Kỹ thuật windowing từ rất lâu đã được các tác giả đề xuất áp dụngcho các hệ thống OFDM Hình 2.2 mô tả tác dụng của windowing trong việc “làm trơn” tín hiệu trong hệ thống WLAN 802.11 để giảm hiện tượng dò tần số

2.2 Một số kỹ thuật windowing sử dụng cho OFDM

10

Luận án trình bày một số cửa sổ phổ biến như cửa sổ chữ nhật, Hanning.Trong WLAN 802.11, cửa sổ được sử dụng là Tukey Vì lẽ

đó, Tukey cũng là cửa sổ được lựa chọn để nghiên cứu trong luận án

2.3 Đề xuất sử dụng kỹ thuật windowing cho bài toán nâng cao dung lượng CRS

2.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của windowing tới bài toán phân bổ công suất

Để đánh giá ảnh hưởng, mô phỏng được thực hiện với PU là

truyền hình 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 cho phân bố công suất sóng mang con của CRS như hình 2.3 (trường hợp phân bổ công suất tối ưu), hình 2.4 (có windowing), hình 2.5 (windowing với Ith khác nhau) và tốc độ của CRS như hình 2.6 (window có độ số uốn = 0,3 và = 0,6)

Hình 2.3: phân bổ công suất sóng

mang con CRS khi chưa áp dụng

windowing

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

Tốc độ truyền của CRS tăng lên đáng kể, từ 28 Mbps lên 40

Mbps(với α=0.3, I th =σ 2), khi áp dụng windowing Điều này là do cửa sổ giúp làm giảm phát xạ không mong muốn của các sóng mang con CRS, tức làm giảm nhiễu từ CRS sang PU, qua đó giúp CR tăng được công suất phát và tăng được tốc độ truyền dẫn của mình

Từ hình 2.5, 2.6, khi điều kiện về nhiễu được nới lỏng (Ith cao hơn), CRS sẽ đạt tốc độ truyền cao hơn và ngược lại Điều này có thể giải thích khi Ith tăng, tức là PU chấp nhận được mức nhiễu cao hơn,

12

nên công suất phân bổ cho các sóng mang con của CRS có thể tăng

lên, qua đó làm tăng tốc độ truyền của CRS

Từ hình 2.6, khi hệ số uốn lớn hơn thì tốc độ truyền CRS cao hơn và ngược lại Khi hệ số uốn càng cao thì mức phát xạ không mong muốn càng giảm, tức là mức gây nhiễu cho PU càng thấp, CRS

có thể phát công suất lớn hơn,làm cho tốc độ truyền cao hơn Ngược lại khi hệ số uốn bằng 0, tương đương với trường hợp không áp dụng

kỹ thuật windowing, thì mức nhiễu là lớn nhất Tuy nhiên, khi hệ số uốn tăng, thì sẽ kéo theo kéo dài ký tự trong miền thời gian Trong thực tế, giá trị của hệ số uốn nằm trong khoảng 0-0,3

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

Các sóng mang con có tần số nằm càng nằm gần tần số của PU thì có mức công suất càng thấp, có khoảng cách tần số càng xa PU thì càng được phân bổ công suất cao, nhiều sóng mang con còn được

phân bổ mức công suất tối đa

Kỹ thuật windowing có tác động rõ rệt lên mức công suất phân

bổ cho từng sóng mang con, công suất phát của các sóng mang con tăng lên đáng kể so với khi không sử dụng windowing (hình 2.3), các

sóng mang con nằm xa PU (≥ 7 ∆f) đều được phân bổ mức công suất

tối đa mà CRS có thể phân bổ

Khi Ith tăng lên (hình 2.5), mức công suất của các sóng mang con của CRS cũng tăng lên.Khi sử dụng windowing, với Ith= 5σ2và

Ith= σ2 thì 8 sóng mang con có vị trí số 7-14 đều có mức công suất phân bổ tối đa Điều này có nghĩa là mức nhiễu mà 8 sóng mang con này gây ra là không đáng kể với PU Như vậy, với Ith và băng thông

B xác định, chúng ta có thể xác định trước được các sóng mang có có

13

thể được phân bổ mức công suất tối đa mà không cần phải dùng phép toán tối ưu hóa công suất để tính toán, giảm độ phức tạp tính toán Trường hợp sử dụng windowing, một số lượng đáng kể sóng mang con được phân bổ mức công suất tối đa (mức công suất đã biết trước),chỉ một số ít các sóng mang con nằm gần PU có mức công suất nhỏ hơn công suất tối đa.Điều này dẫn đến logic là khi áp dụng

kỹ thuật windowing, chúng ta có thể không cần phải tính toán mức công suất cần phân bổ cho các sóng mang con của CRS nằm xa PU

mà có thể phân bổ ngay mức công suất tối đa cho chúng

Như vậy, kỹ thuật windowing không chỉ giúp làm tăng tốc độ truyền của CRS mà còn mở ra cơ hội làm cho bài toán phân bổ công suất sóng mang con trở nên đơn giản hơn, độ phức tạp tính toán giảm xuống Cụ thể là 8/20 ( tương đương 40%) số sóng mang con như trong mô phỏng có thể phân bổ công suất tối đa ngay mà không cần phải thực hiện phép tính tối ưu

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

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

các sóng mang con CRS gây ra ≤ Ith Mục đích của 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 đạt dung lượng truyền tốt

Hai giải thuật riêng rẽ được đề 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 hai cách để xác định số sóng mang con có thể phân bổ mức công suất tối đa:

- Cách 1: tắt hết các sóng mang con (đặt Pi= 0), sau đó bật sóng mang con có khoảng cách tần số lớn nhất tới PU bằng cách

phân bổ mức công suất tối đa 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, lại kiểm tra mức nhiễu gây cho PU Quá trình này được tiếp tục lặp đi lặp lại cho đến khi mức nhiễu do các sóng mang con gây ra vượt qua

mức ngưỡng I th của PU thì ngừng lại

- Cách 2: thay vì tắt hết các sóng mang con như cách 1 thì chúng ta lại phân bổ mức công suất tối đa ngay cho toàn bộ sóng mang con của CRS Bước 2 thực hiện kiểm tra điều kiện về tổng

mức nhiễu các sóng mang con gây cho PU, tổng nhiễu lớn hơn I th thì