Giải pháp phân chia tần số và công suất dưới điều kiện ràng buộc nhiễu cho truyền thông nhận thức sử dụng ofdm

843.6 Công suất phát đơn vị dBm trên các sóng mang con trong hệ thống CR-OFDM hai người dùng, khi sử dụng bốn giải pháp phân chia kênh với Ith= 10−4W.. 883.7 Công suất phát đơn vị W trên

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

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

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiêncứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn Các số liệu, kết quảtrình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trongbất kỳ công trình nào trước đây Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã đượctrích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định.

Hà Nội, ngày 01 tháng 09 năm 2016

Tác giả

Nguyễn Tiến Hòa

Để hoàn thành được đề tài luận án này, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đếncác Thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật Thông tin và các đồng nghiệp tại bộ mônMạch và Xử lý Tín hiệu, Viện Điện tử Viễn thông đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trongsuốt quá trình làm luận án Tiến sĩ tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôixin cảm ơn đến Thầy 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

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 giải 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

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 Giải pháp phân bổ công suất cận tối ưu 48

2.5.1 Giải pháp phân bổ công suất đều 49

2.5.2 Giải pháp Scheme A, Scheme B của Bansal 50

2.5.3 Đề xuất giải pháp bám nhiễu bậc hai SOIT 52

2.6 Kết quả mô phỏng 58

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 66

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 Giải pháp phân chia kênh đều 70

3.3.2 Đề xuất giải pháp phân chia kênh động (IIA) dựa trên nhiễu từ PU sang SU 70

3.3.3 Đề xuất giải pháp phân chia kênh động (CCA) dựa trên nhiễu từ SU

sang PU 73

3.4 Vấn đề phân bổ công suất 75

3.4.1 Đặt vấn đề 75

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 Giải pháp phân bổ công suất đều 80

3.4.4 Đề xuất mở rộng giải pháp bám nhiễu bậc hai SOIT 81

3.4.5 Đề xuất mở rộng giải pháp Scheme A 84

3.4.6 Đề xuất mở rộng giải pháp Scheme B 85

3.5 Kết quả mô phỏng 86

3.5.1 Phân bổ công suất tối ưu 87

3.5.2 Phân bổ công suất cận tối ưu 93

3.6 Kết luận chương 97

KẾT LUẬN 99

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 102

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 trắngBER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít

CCA Cognitive Carrier Aggregation Tập hợp sóng mang

con thông minhCDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập

phân chia theo mã

CR Cognitive Radio Truyền thông nhận thức

CBS Cognitive Base Station Trạm truyền thông

nhận thứcCRN Cognitive Radio Network Mạng truyền thông

nhận thứcCPE Customer Premises Equipment Thiết bị khách hàng cơ sởCSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênhDCC Dynamic Carriers Cancellation Chèn không động

DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạcDSA 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

FDD Frequency Division Duplexing Phân chia tần số song công

iv

FDMA Frequency Division Multiple Đa truy cập phân chia

FFT Fast Fourier Transform Biến đổi nhanh Fourier

ICI Inter Channel Interference Nhiễu liên kênh

IDFT Inverse Discrete Fourier Biến đổi ngược Fourier

IEEE Institute of Electrical Viện công nghệ Kỹ sư

and Electronics Engineers Điện và Điện tử

IIA Inverted Interference Phân chia nghịch

IPC Interference Power Constraint Công suất can nhiễu giới hạnISI 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 cậpMDR Minimum Data Rate Tốc độ truyền tối thiểu

MIMO Multiple-Input-Multiple-Output Ăng-ten đa đầu vào đa đầu raNLP Non-Linear Programming Quy hoạch không tuyến tínhOFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia

Multiplexing tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy cập phân

Multiplexing Access chia tần số trực giao

PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh

trên công suất trung bìnhPHY 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

QoS Quality of Service Chất lượng phục vụ

SDR Software-Defined Radio Vô tuyến định nghĩa

bằng phần mềmSISO 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 âmSOIT 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 cấpSVD Singular Value Decomposition Phân tích giá trị đơn

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân

chia thời gianWIFI Wireless Fidelity Mạng không dây

WRAN Wireless Regional Area Network Mạng không dây khu vựcWLAN Wireless Local Access Network Mạng máy tính cục bộ

WiMAX Worldwide Interoperability WiMAX

for Microwave Access

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 51

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 Giải pháp phân bổ công suất bám nhiễu bậc hai (SOIT) cho hệ thống CR-OFDM đơn người dùng 56

2.6 Công suất phát phân bổ trên sóng mang con trong hệ thống CR-OFDM đơn người dùng khi tổng công suất can nhiễu từ SU sang PU giới hạn ở mức Ith = 10−4W 59

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 = 10−4W 60

2.8 Công suất phát phân bổ trên sóng mang con trong hệ thống CR-OFDM đơn người dùng khi tổng công suất can nhiễu từ SU sang PU giới hạn ở mức với Ith = 9 × 10−4W 61

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 × 10−4W 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 giải 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 giải pháp phân bổ công suất với kênh Rayleigh 64

vii

2.13 So sánh dung lượng kênh của hệ thống SISO và MIMO CR-OFDM

đơn người dùng với kênh Rayleigh 653.1 Mô hình cùng hệ thống CR cùng hoạt động với PU 683.2 Phân chia kênh động (IIA) dựa trên bản đồ can nhiễu từ PU sang SU 713.3 Phân chia kênh động (CCA) dựa trên bản đồ can nhiễu từ SU sang PU733.4 Đề xuất mở rộng giải pháp bám nhiễu bậc hai (SOIT) cho hệ

thống CR-OFDM đa người dùng 823.5 Đề xuất mở rộng giải pháp Scheme A cho hệ thống CR-OFDM

đa người dùng 843.6 Công suất phát đơn vị (dBm) trên các sóng mang con trong hệ

thống CR-OFDM hai người dùng, khi sử dụng bốn giải pháp phân

chia kênh với Ith= 10−4W 883.7 Công suất phát đơn vị (W) trên các sóng mang con trong hệ thống

CR-OFDM hai người dùng, khi sử dụng bốn giải pháp phân chia

kênh với Ith = 10−4W 893.8 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng

giữa bốn giải pháp phân bổ tần số khi công suất được phân bổ tối ưu 923.9 So sánh tổng công suất phát giữa bốn giải pháp phân chia kênh

động khác nhau khi công suất được phân bổ tối ưu 933.10 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng,

phân chia kênh đều, khi sử dụng các giải pháp phân bổ công suất

phát khác nhau 943.11 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng,

phân chia kênh theo giải pháp đề xuất CCA, khi sử dụng các giải

pháp phân bổ công suất phát khác nhau 953.12 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng,

phân chia kênh theo giải pháp đề xuất IIA, khi sử dụng các giải

pháp phân bổ công suất phát khác nhau 963.13 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng,

phân chia kênh theo giải pháp đề xuất kiểu SuperWiFi, khi sử

dụng các giải pháp phân bổ công suất phát khác nhau 97

1.1 Biểu đồ so sánh các hiệu năng các kỹ thuật giảm búp phụ 223.1 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

CR-OFDM với các giải pháp phân chia kênh động đề xuất khi mức

công suất can nhiễu giới hạn từ SU sang PU Ith = 10−4W 903.2 So sánh mức công suất phát trên các sóng mang con trong hệ

thống CR-OFDM với các giải pháp phân chia kênh động đề xuất

khi mức công suất nhiễu giới hạn Ith= 10−4W 913.3 So sánh các giải pháp phân chia kênh động với công suất phát

được phân bổ tối ưu 92

ix

AH Chuyển vị liên hợp phức của ma trận A

Cx Ma trận hiệp phương sai của tín hiệu x

Ith Mức ngưỡng nhiễu giới hạn của hệ thống PU

Ith(l) Mức ngưỡng nhiễu giới hạn của hệ thống PU thứ lh(x) Entropy vi phân của tín hiệu x

Mth Công suất can nhiễu giới hạn trong hệ thống SU

Mn,i(m,k) Nhiễu giữa người dùng SU

N (k) Số lượng sóng mang con của người dùng SU thứ kO(.) Bậc của số lượng bước tính toán

x

Pi Công suất phát trên sóng mang con thứ i

Pth Công suất phát tối đa trên mỗi sóng mang con

Ptot Quỹ công suất phát tổng cộng

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 [47] Một trong những thách thức lớn mà chúng ta đang đối mặttrong các hệ thống truyền thông không dây đó là nhu cầu ngày càng lớn vềnguồn tài nguyên tần số đến từ những yêu cầu về dịch vụ dữ liệu tốc độ caonhư đa phương tiện và các dịch vụ khác Thiết kế, xây dựng một hệ thốngthông tin không dây với hiệu suất sử dụng phổ tần cao là một trong nhữngmục tiêu nghiên cứu quan trọng được cả cộng đồng khoa học và công nghệnghiên cứu trong một thập kỷ trở lại đây Trong truyền thông không dây,nhiều giải pháp hay kỹ thuật khác nhau đã được đề xuất để sử dụng cácnguồn tài nguyên vô tuyến khan hiếm một cách hiệu quả Những giải pháphay kỹ thuật này liên quan đến chiến lược cũng như các thuật toán nhằmkiểm 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 nguồntài 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 đượccấp phép là thấp [21] Báo cáo này đã chỉ ra rằng các chính sách phân bổtài 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 [55] làmột công nghệ đầy hứa hẹn có khả năng giải quyết các vấn đề sử dụng phổtần hiệu quả Ý tưởng của truyền thông nhận thức đó là cho phép người sửdụng thứ cấp SU (Secondary User), còn được gọi là người sử dụng không cógiấy phép, trong mạng lưới truyền thông có thể chia sẻ những phổ tần đượcphân bổ cho một số người dùng sơ cấp PU (Primary User), là người dùng sơcấp 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

phổ tần đó trống tạm thời Các khe tần số khi không được sử dụng có thểbiến thành các cơ hội tiềm năng trong việc sử dụng tần số tạm thời và antoàn 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 phépcủa hệ thống PU Nhiều hình thức khác nhau đối với giới hạn can nhiễu đãđược sử dụng trong các tài liệu, chẳng hạn như: giới hạn can nhiễu đỉnh, giớihạn 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 đượccoi 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 cóthể 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 mangtrực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được ứngdụng như một phương pháp điều chế rất phù hợp cho các hệ thống truyềnthông nhận thức [32], [41], [48], [77] Các tính chất cũng như khả năng của

hệ thống sử dụng OFDM làm cho nó phù hợp với các hệ thống truyền thôngnhận thức OFDM một mặt cung cấp khả năng sử dụng hiệu quả phổ tần vàđiều đó cũng là mục đích của hệ thống CR Điều này có được do các sóngmang con trong hệ thống OFDM là gần nhau, chồng chéo nhưng không gâynên can nhiễu nhờ sự trực giao của các sóng mang con Mặt khác một ưuđiểm khác của OFDM là tính chất linh hoạt và thích ứng Các sóng mangcon 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 đổiFourier nhanh (FFT) Bộ này có thể được thực hiện bằng cách xử lý tín hiệu

kỹ thuật số sử dụng phần mềm [54], [55], [56] Ngoài ra OFDM giúp tănghiệu quả dung lượng của đường truyền tải dữ liệu, đồng thời làm giảm nhiễuISI 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 côngnghệ truyền thông nhận thức đòi hỏi phải hoạt động theo một chu kỳ thíchứng 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

Để xác định và truy cập vào một phần thích hợp của phổ tần với sự canthiệp tối thiểu đối với người sử dụng được cấp phép PU, thách thức thiết kếquan 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 lýmột khoảng băng thông rất rộng và đáng tin cậy để phát hiện sự hoạt độngcủa PU Vì vậy các kỹ thuật cảm biến phải có độ nhạy rất cao và liên tụctrên toàn phạm vi hoạt động tần số vô tuyến Để đạt được những mục tiêunày cần nhiều các kỹ thuật xử lý tín hiệu số khác nhau Các kỹ thuật pháthiện hố phổ có thể được phân loại dựa trên các kỹ thuật sử dụng tại máythu như bộ lọc phối hợp, phát hiện năng lượng, và tính năng phát hiện dừngvòng (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 nănglượng, 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 dựatrên năng lượng cảm biến đối với hệ thống sơ cấp [51] Kỹ thuật phát hiệnnăng lượng là kỹ thuật phổ biến nhất để cảm biến phổ tần bởi sự đơn giản

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 đượcxác suất phát hiện nhất định 2) khả năng phát hiện đối tượng không chắcchắn bởi các lý do nhiễu không ổn định 3) không thể phân biệt nhiễu từ cáctín 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 nhiễuđối với một tín hiệu đầu vào cho trước Khi người dùng thứ cấp biết trướcđược 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 hợpđòi hỏi phải biết về mỗi tín hiệu phát Nếu thông tin không chính xác, bộ lọcphối hợp sẽ thực hiện kém hiệu quả Ngoài ra bất lợi đáng kể nhất của bộ lọcphối hợp đó là một CR sẽ cần một máy thu chuyên dụng phù hợp tất cả cácloại người dùng chính Kỹ thuật dùng máy dò dừng vòng dựa trên những đặctính của tín hiệu sơ cấp để phát hiện ra sự tồn tại của tín hiệu này Phươngpháp này khai thác chu kỳ của các tín hiệu sơ cấp nhận được để xác định sựhiện diện của người sử dụng chính (PU) Tính chu kỳ thường được thể hiệntrong khoảng cách các sóng mang, mã trải, hoặc tiền tố tuần hoàn của tínhiệu Như vậy, tính năng dò dừng vòng hoạt động ổn định đối với việc nhiễukhông ổn định và thực hiện tốt hơn so với phát hiện năng lượng trong khuvực SNR thấp Mặc dù nó đòi hỏi một kiến thức tiên nghiệm của các đặctính tín hiệu, phương pháp này đồng thời có khả năng phân biệt nhiễu từ cácthiết bị sử dụng CR với nhiễu từ tín hiệu PU [82]

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 nhữngngười dùng trong mạng Sự phân bổ này không những phụ thuộc vào các đặctính 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 chínhsách 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 rãitrong 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 đượcthực 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

là tín hiệu được trải sẽ gây ra nhiễu thấp hơn đối với người dùng sơ cấp Tín

Hình 2: Phương pháp truy cập phổ xen lẫn và lót

hiệu nguyên bản thứ cấp có thể giải điều chế lại ở phía thu bằng cách nhântín 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 [91] Mô hình xen lẫntái 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 địnhcác dải tần số nhàn rỗi Việc này có thể thực hiện được thông qua các cơ sởđiều 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 tầnhoạt động để tránh xung đột hoạt động với hệ thống PU Ngoài ra, CR cóthể thực hiện việc di rời phổ để cải thiện hiệu suất trong mạng thứ cấp bằngcách 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 chỉnhtheo 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 mộtngười dùng CR thay đổi tần số hoạt động của mình, các giao thức mạng sẽthay đổi chế độ hoạt động khác Mục đích của việc quản lý di động phổ trongmạng nhận thức là để đảm bảo rằng quá trình chuyển đổi đó được thực hiệnthông suốt và kịp thời Như vậy các ứng dụng chạy mạng nhận thức mới tốithiểu hóa được sự suy giảm hiệu suất Thông tin về phổ tần vì thế phải đượccung cấp bởi các thuật toán cảm biến Và đây là vấn đề đã và đang được giảiquyết trong phần cảm biến phổ tần

2 Mục tiêu của luận án

Mục tiêu của luận án đó là giải quyết những vấn đề tối ưu và cận tối ưutrong cấp phát kênh động và phân bổ công suất nhằm tối ưu dung lượng tổngcộng trong một hệ thống CR-OFDM đơn và đa người dùng dưới các điều kiệnràng buộc nhiễu

3 Nhiệm vụ của luận án

Sự phân bổ tài nguyên động (Dynamic Resource Allocation) phân chia tàinguyên thích ứng cho người sử dụng dựa trên các chính sách nội bộ của mạng

và ảnh hưởng từ môi trường truyền dẫn mang lại hiệu quả sử dụng tần sốnhờ hội tụ đủ các tính đa dạng của môi trường truyền dẫn cộng với sự phântập đa người dùng sẽ đạt được hiệu suất cao hơn so với sự phân bổ truyềnthống Vì vậy không có gì ngạc nhiên khi CR hiện đang đóng một vai tròhàng đầu đối với các nghiên cứu về những hệ thống truyền thông không dâytrong tương lai, nhằm cải cách các kỹ thuật sử dụng cũng như các quy địnhquản lý tần số một cách linh hoạt hơn

Luận án tập trung nghiên cứu những giải pháp phân bổ công suất và phânchia kênh động nhằm tối ưu dung lượng tổng cộng trong hệ thống CR-OFDMđơn và đa người dùng dưới điều kiện ràng buộc nhiễu Luận án giả sử rằngquá trình cảm biến hố phổ đã được thực hiện và các dải tần trống đã đượcbiết Các hệ số kênh truyền từ SU và PU được ước lượng hoàn hảo

Đối với mô hình CR-OFDM đơn người dùng, vấn đề tối ưu dung lượngvới các điều kiện biên có thể giải được bằng phương pháp Lagrange với cácđiều kiện biên Karush-Kuhn-Tucker (KKT) [14] Các giải pháp phân bổ côngsuất cận tối ưu được nghiên cứu một mặt nhằm giảm độ phức tạp tính toán,mặt khác đạt được dung lượng kênh gần giải pháp tối ưu Độ phức tạp tínhtoán phụ thuộc vào các tham số điều kiện biên bao gồm các mức giới hạncan nhiễu nhằm bảo vệ hệ thống PU cũng như các điều kiện biên là QoS của

hệ thống CR Nếu như các điều kiện biên là tuyến tính, vấn đề tối ưu đượcgọi là quy hoạch tuyến tính Ngược lại nếu một trong các điều kiện biên làkhông tuyến tính, vấn đề tối ưu là quy hoạch không tuyến tính Điều nàydẫn đến sự phức tạp trong cách tìm nghiệm giải tích là công suất được phân

bổ trên mỗi sóng mang con Từ đó các giải pháp phân bổ công suất cận tối

ưu được nghiên cứu, một mặt làm giảm độ phức tạp tính toán, mặt khác đạtđược hiệu năng dung lượng hệ thống gần với tối ưu.

Trong hệ thống CR đa người dùng luận án sử dụng giải pháp thươnglượng Nash trong lý thuyết trò chơi (NBS: Nash Bargaining Solution) NBS

là một lý thuyết hợp tác cung cấp hai vấn đề tối ưu và công bằng cùng mộtlúc Kết quả là bài toán tối ưu là một vấn đề bất định trong thời gian đathức (NP-Hard), không thể giải được bởi cách máy tính thông thường trongkhoảng thời gian chấp nhận được, và không thể tìm được nghiệm giải tíchdạng đóng [6], [60] Do đó, quá trình tối ưu cần chia thành hai quá trìnhbao gồm phân chia kênh động và phân bổ công suất phát Ở đây trong quátrình phân chia kênh động không có lời giải tối ưu Trong quá trình phân

bổ công suất, tương tự như trong hệ thống CR-OFDM đơn người dùng tacũng có hai cách tiếp cận là tối ưu và cận tối ưu Trong vấn đề phân bổcông suất này này luận án không chỉ xem xét nhiễu tương hỗ truyền thốngMUI (Multi-users Interference) giữa PU và SU mà còn cả nhiễu nội bộ IUI(Inter-users Interference) giữa những người dùng thứ cấp

Luận án xem xét một hệ thống CR bao gồm K kênh Phương pháp điềuchế trên từng kênh là OFDM Mỗi kênh trong hệ thống CR được phân chiathích ứng với N (k) trong tổng số N sóng mang con của hệ thống Vấn đềphân bổ tài nguyên vô tuyến trong hệ thống này là làm thế nào để xác địnhcác thành phần của nhóm kênh con C[1 × N (k)] ∈ C[1 × N ], trong đó chỉ

rõ những nhóm kênh con nào nên được gán cho những người dùng nào Véc

tơ P [1 × N (k)] ∈ P [1 × N ] chỉ ra công suất phát được phân bổ cho từngkênh con là bao nhiêu Tổng quan các vấn đề cần giải quyết của luận án được

mô tả như trên hình 3

Để giải quyết vấn đề tài nguyên trên phân bổ tài nguyên như trên câu hỏiđầu tiên là làm thế nào để xác định được mục tiêu chính sách của hệ thống

Có hai cách tiếp cận đã được đề xuất trong một số các tài liệu trước đâynhư [76] được gọi là: công suất biên thích ứng (Margin Adaptive) và tốc độthích ứng (Rate Adaptive) Trong cách tiếp cận công suất biên thích nghi,công suất phát của hệ thống CR cần được tối giảm trong khi giữ mức QoScần thiết Trong cách tiếp cận tốc độ thích ứng, hệ thống CR cần tối đa hóatổng dung lượng dưới cả hai điều kiện biên đó là mức can nhiễu lên các băngtần của PU và ngưỡng công suất phát tối đa

Thông tin tần số

(Spectrum Sensing)

Thông tin kênh (CSI)

Ma trận phân bổ công suất

Ma trận phân bổ sóng mang con

Hàm mục tiêu và điều kiện biên

Hình 3: Tổng quan các vấn đề phân bổ tài nguyên trong mạng CR

Đối tượng nghiên cứu của luận án dựa trên cách tiếp cận tốc độ thích ứng(RA) là mục tiêu cho chính sách của hệ thống Ở đây cần tối ưu tổng dunglượng tổng cộng của cả hệ thống CR với các điều kiện biên bao gồm các mứccan nhiễu giới hạn và công suất phát

4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Cảm biến hố phổ là bước đầu tiên trong quá trình sử dụng truyền thôngnhận thức [1], [2], [33], [69], [70], [96] Các vấn đề cảm biến các hố phổ đãđược nghiên cứu rộng rãi và đạt được những kết quả sâu rộng đối với truyềnthông nhận thức cũng như khái niệm tái sử dụng phổ tần cơ hội Tại ViệtNam nhóm tác giả trong [50] đề xuất phương pháp nâng cao khả năng cảmbiến phổ hợp tác dựa trên sự tương quan log-normal shadowing Tác giả trong[66] phát triển một kỹ thuật cảm biến phổ mà không yêu cầu CSI cũng nhưthông tin chính xác của tín hiệu và nhiễu Trong [11] đã đưa ra tần suất sửdụng phổ tần của tín hiệu truyền hình tại một số tỉnh phía Nam với kết quảchỉ ra rằng hiệu suất sử dụng phổ truyền hình tại Thành phố Hồ Chí Minh

và Long An tương ứng là 13.74% và 11.19%

Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến của hệ thống truyền thông truyền

thống đã được nghiên cứu sâu rộng trong thời gian qua như trong [8], [35],[38], [40], [42], [71], [76] Phương pháp phân bổ công suất tối ưu truyền thốngtheo thuật toán rót nước (Water-Filling) đã được tác giả trong [83] chứngminh rằng không hiệu quả đối với hệ thống CR bởi những điều kiện cannhiễu giới hạn sang hệ thống PU Cách tiếp cận vào số lượng bít điều chế

và công suất phát trên từng kênh con cho hệ thống đa sóng mang một ngườidùng được trình bày trong [65], trong đó những kênh có hệ số kênh lớn khôngnhững được phát với công suất cao hơn mà còn có mức điều chế tốt hơnnhằm tăng tốc độ truyền của hệ thống Để chắc chắn rằng mỗi người dùngđều có thể truyền phát với tốc độ dữ liệu tương đương nhau, Rhee và cộng

sự trong [71] đưa ra vấn đề Max-Min để tối ưu dung lượng kênh của nhữngngười dùng có dung lượng kênh thấp

Trong [8], [9] Bansal và cộng sự đã đưa ra nghiệm phân bổ công suất tối

ưu dạng đóng và đề xuất hai thuật toán cận tối ưu để nâng cao dung lượngkênh đường xuống của hệ thống CR với chỉ một mức giới hạn can nhiễu lênmột băng tần PU Điều này không sát với thực tế bởi trong mạng hỗ tạp cóthể tồn tại nhiều hệ thống PU với nhiều mức can nhiễu giới hạn được quyđịnh khác nhau [85] Trong các nghiên cứu [8], [9], [42], [100] đều giả sử hệ sốkênh trong hệ thống CR và hệ số kênh giữa SU và PU đều được biết tại phíaphát SU Sự giả định này là hoàn toàn có cơ sở bởi hệ số kênh giữa nhữngngười dùng SU có thể được ước lượng theo các phương pháp ước lượng kênhtruyền thống Ngoài ra hệ số kênh giữa SU và PU có thể tính được bằng cáchước lượng công suất tín hiệu nhận được hoặc dựa trên lý thuyết thuận nghịch[52], [98] Các thách thức trong việc quản lý tài nguyên trong hệ thống khôngnhận thức truyền thống có thể được xem ở [72]

Các thực nghiệm và nghiên cứu đã chỉ ra rằng OFDM và CR là công nghệthích hợp của truyền thông không dây tương lai [37], [48], [53] [88] Tuy nhiêntrong [89] và [90], tác giả đã chỉ ra việc sử dụng OFDM trong hệ thống truyềnthông nhận thức sẽ gây ra nhiễu tương hỗ giữa người dùng sơ và thứ cấp bởi

sự không trực giao giữa các tín hiệu phát Bansal trong [8] đề xuất hai thuậttoán phân bổ công suất cận tối ưu và đưa ra nghiệm giải tích công suất tối

ưu với một điều kiện nhiễu giới hạn Ở một hướng khác, do các yếu tố nhiễutương hỗ làm nên sự khác biệt giữa hệ thống truyền thông nhận thức vàcác hệ thống thông thường Các tác giả trong [34], [93] đề xuất sử dụng cửa

sổ (Windowing) cho phía phát của hệ thống CR nhằm giảm búp sóng phụđồng thời giảm can nhiễu lên PU Phương pháp này giúp nâng cao công suấtphát cho hệ thống CR và qua đó nâng cao chất lượng dịch vụ QoS Như đãtrình bày trong [100], [101], phần lớn nhiễu ảnh hưởng lên PU được gây ra

do những sóng mang con của hệ thống CR ngay bên cạnh băng tần của PU.Việc tắt đi những sóng mang con này có thể giảm đi nhiễu và được gọi làchèn không Tác giả trong [16] đề xuất một phương pháp để làm giảm cácbúp sóng phụ bằng cách gán giá trị được điều chế đặc biệt CCs (CancellationCarriers) thay cho khoảng bảo vệ CP thông thường để triệt tiêu nhiễu phát

xạ, cũng như giảm nhiễu từ hệ thống SU sang PU Tác giả [45] đề xuất giảipháp phát công suất tối đa cho phép (Full-Filling) những sóng mang con ở

xa các giải tần của PU nhất nhằm giảm số biến và qua đó giảm độ phức tạptính toán

Trong mô hình truyền thông CR-OFDM đa người dùng, các phương phápquản lý tài nguyên truyền thống không thể tối ưu dung lượng của hệ thốngnhận thức [6], [60], [83] Vấn đề tối ưu dung lượng kênh trong mô hình nàyphải chia thành hai bước, đầu tiên là phân chia kênh cho từng người dùng vàsau đó chiều chỉnh công suất phát thích ứng trên mỗi kênh nhằm tối ưu dunglượng tổng cộng [7], [19], [20], [92] Các nghiên cứu về quản lý tài nguyên vôtuyến nhằm tối ưu dung lượng kênh truyền cho đến nay đặt ra ba câu hỏi

mở đó là: (1) làm sao phân chia các khoảng tần số cho nhiều người dùngkhác nhau; (2) làm sao phân bổ công suất phát cho từng sóng mang con khácnhau; và (3) làm sao điều chế các mức khác nhau cho từng kênh con Câu hỏithứ (3) nằm sâu trong lĩnh vực điều chế thích ứng hơn quản lý tài nguyênnên lĩnh vực này không nằm trong đối tượng nghiên cứu của luận án Đối vớicâu hỏi số (1) và (2) tương ứng đều có hai cách giải quyết Một là giải bàitoán tối ưu với các điều kiện biên như trình bày ở trên tuy nhiên độ phứctạp tính toán là rất cao và khả năng sử dụng trong truyền thông thời gianthực là không có Hai là tìm các phương pháp cận tối ưu khác cho độ phứctạp tính toán thấp hơn nhưng đổi lại hiệu năng dung lượng hệ thống bị giảm.Luận án này trình bày chi tiết và phân tích các kết quả mô phỏng cũng như

mô hình hệ thống để trả lời câu hỏi (1) và (2) Những đóng góp chính củaluận án được tóm tắt như dưới đây

5 Đóng góp của luận án

Luận án đã đạt được các kết quả nghiên cứu và đóng góp chính 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

vụ cho ba hệ thống PU khác nhau, bao gồm:

• Hệ thống PU cần bảo vệ với một mức can nhiễu giới hạn Xây dựng được

mô hình bảo vệ cho phép PU có thể hoạt động với chất lượng dịch vụ(QoS) ở mức chấp nhận được khi can nhiễu từ SU nằm trong mức giớihạn cho phép IPC

• Hệ thống PU cần bảo vệ với nhiều mức can nhiễu giới hạn Mở rộng kịchbản thứ nhất trong trường hợp có nhiều hệ thống PU đang hoạt động vàmỗi hệ thống PU lại cần hoạt động với nhiều mức QoS khác nhau, qua

đó mức giới hạn IPC của từng hệ thống PU là khác nhau

• Nhiều hệ thống PU cần bảo vệ với nhiều mức giới hạn đưa ra bởi tham

số SINR Cho phép tính toán tốc độ truyền dẫn tối thiểu (MDR) của hệthống PU dựa trên tỉ lệ lỗi bít truyền dẫn (BER) bằng cách đặt giới hạncho thông số tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm (SINR)

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 Việc phân bổ côngsuất cho những sóng mang con ở xa các dải tần PU nhất được thực hiện đầutiên Sau đó, giảm công suất này dựa trên phương trình bậc hai mô tả xấp

xỉ nhiễu từ SU sang PU đến khi hết quỹ công suất phát Điều này dẫn đến

số lượng sóng mang con bị tắt là động (dynamic nulling), qua đó làm giảm

độ phức tạp thuật toán xuống mức O(N log N ) so với giải pháp tối ưu làO(N3) Phương pháp này mang lại dung lượng hệ thống tốt hơn so với giảipháp phân bổ công suất đều truyền thống cũng như các Scheme A và Scheme

B đã được đưa ra trong các công trình của Bansal [8], [9] Kết quả được công

bố trên công trình [C1], [J1]

3) Đề xuất hai giải pháp phân chia tần số dựa trên nhiễu cho hệthống CR-OFDM đa người dùng, cụ thể:

• Giải pháp phân chia nhiễu nghịch đảo IIA dựa trên sự công bằng mứcnhiễu Ở đây mỗi cặp thu phát CR sẽ được phân chia một dải tần số saocho chúng gây một can nhiễu như nhau lên hệ thống PU IIA được tínhtoán dựa trên nhiễu từ hệ thống PU sang SU, hoàn toàn có thể xác địnhtại phía phát của hệ thống SU Giải pháp có độ phức tạp tính toán thấp

K × O(NlogN ) nên có thể ứng dụng trong các hệ thống thực Bên cạnh

ưu điểm mang lại dung lượng cao nhất, giải pháp này cũng có nhượcđiểm là không mang lại sự công bằng QoS giữa các kênh

• Giải pháp phân chia tập hợp sóng mang con thông minh (CCA) dựa trên

sự đảm bảo về QoS CCA giúp đảm bảo công bằng QoS trên từng kênhcủa SU và giải pháp này dựa trên mức can nhiễu giới hạn được đưa rabởi PU và nhiễu từ SU sang PU Giải pháp này có nhược điểm đó là khi

số lượng PU lớn với nhiều mức can nhiễu giới hạn, CCA có độ phức tạpthuật toán cao L × K × O(NlogN )

Các giải pháp này được công bố trên công trình [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,

cụ thể:

• Bài toán tối ưu: đã đưa ra nghiệm giải tích dạng đóng cho công suấtphân bổ tối ưu trong đó không chỉ xem xét nhiễu tương hỗ truyền thốngMUI giữa PU và SU mà còn cả nhiễu nội bộ (IUI) giữa những người dùngSU

• Bài toán cận tối ưu: đã mở rộng giải pháp SOIT cũng như đề xuất mởrộng Scheme A và Scheme B của Bansal trong [8], [9] cho hệ thống CR-OFDM đa người dùng

Kết quả được công bố trên công trình [C2]

6 Bố cục luận án

Bố cục của luận án được tổ chức như sau: Trong chương 1, luận án trìnhbày các loại can nhiễu trong mô hình mà hệ thống PU và SU cùng tồn tạicũng như dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM Luận án cũng giới thiệu

cơ bản về hệ thống CR ứng dụng công nghệ điều chế trực giao OFDM và

trình bày các đặc tính của OFDM trên khía cạnh là một phương pháp điềuchế phù hợp đối với hệ thống CR Tuy nhiên OFDM có khả năng can nhiễuvào các tín hiệu của hệ thống PU lân cận gây các loại nhiễu tương hỗ vànhiễu nội bộ trong hệ thống CR Một số các công trình khoa học được luận

án công bố liên quan đến chương này là:

C2 Hoa, N T Hieu, N T Van Duc, N & Giang, T V B (2013) Poweroptimization for multiuser MISO-OFDMA based cognitive radio systems

In IEEE International Conference on Advanced Technologies for munications (ATC), pp 7–11

Com-Trong chương 2, luận án xem xét mô hình hệ thống CR-OFDM đơn ngườidùng Khi can nhiễu tổng cộng từ hệ thống SU sang PU bị giới hạn, công suấtphát của mỗi người dùng SU có thể được điều chỉnh để tối ưu dung lượngcủa hệ thống CR Các nhóm điều kiện biên được xét riêng biệt tùy thuộc vàochính sách bảo vệ đối với hệ thống PU sẽ được nghiên cứu trong luận án.Bên cạnh đó vấn đề tối ưu công suất phát của hệ thống CR có độ phức tạptính toán cao dẫn đến ứng dụng trong truyền thông thời gian thực là khôngkhả thi Luận án đề xuất giải pháp phân bổ công suất SOIT với độ phức tạpthuật toán thấp hơn so với giải pháp phân bổ công suất tối ưu và mang lạihiệu năng dung lượng hệ thống cao Đóng góp của chương này được công bốtrong các hội nghị quốc tế sau:

C1 Hoa, N T Hieu, N T Van Duc, N Gelle, G & Choo, H (2013) Secondorder suboptimal power allocation for OFDM-based cognitive radio sys-tems In Proceedings of the 7th International Conference on UbiquitousInformation Management and Communication, pp 50

J1 Nguyen, T H Nguyen, T H Ha, D T Nguyen, V D Gelle, G &Choo, H (2014) Second Order Suboptimal Power Allocation for MIMO-OFDM Based Cognitive Radio System KSII Transactions on Internetand Information Systems (TIIS) 8(8), 2647–2662

Chương 3 luận án xem xét mô hình truyền thông CR-OFDM đa người dùng

Ở đây luận án giải quyết vấn đề phân chia kênh động và cấp phát công suấtphát cho hệ thống CR Mục tiêu là tối ưu hóa dung lượng tổng cộng của hệthống trong khi vẫn giữ mức can nhiễu giới hạn sang hệ thống truyền thông

được cấp phép PU Trong mô hình này, luận án không chỉ xem xét nhiễutương hỗ truyền thống MUI giữa PU và SU mà còn cả nhiễu nội bộ IUI giữanhững người dùng thứ cấp Luận án nghiên cứu quá trình tối ưu bằng cáchxem xét hai quá trình bao gồm phân chia kênh động và phân bổ công suấtphát Trong quá trình phân chia kênh động luận án đề xuất hai giải phápphân chia nhiễu nghịch đảo IIA và tập hợp sóng mang con thông minh CCA.Trong quá trình phân bổ công suất luận án mở rộng giải pháp phân bổ côngsuất SOIT đã được đề xuất trong chương 2 và mở rộng hai mô hình phân

bổ công suất được đề xuất trong [8] cho hệ thống CR-OFDM đa người dùng.Đóng góp của Chương này được công bố trong các hội nghị:

C3 Nguyen, T H Nguyen, V D Tran, H M Nguyen, T H Van Le, T &Nguyen, V K (2014) Optimal resource allocation for multiusers FDMA-based cognitive radio with mutual interference threshold In IEEE In-ternational Conference on Advanced Technologies for Communications(ATC), pp 477–481

C4 Nguyen, T H Pham, V T & Nguyen, V D (2015) Power controland multi-bands assignment for Cognitive Radio in LTE scenario Na-tional Foundation for Science and Technology Development Conference

on Information and Computer Science (NICS), pp 289–293

J2 Nguyễn Tiến Hòa và Nguyễn Văn Đức (2016) Effect of SpectrumAssignment on the Performance of Cognitive Radio Coexistence in theDVB-T Television Broadcast Bands Tạp chí Khoa học và Công nghệ,ĐHBK, Hà Nội, 10(2016),048–054

Và cuối cùng là phần kết luận sẽ tóm tắt lại những kết quả và đóng góp củanghiên cứu sinh trong luận án này

NHIỄU VÀ DUNG LƯỢNG TRONG MẠNG TRUYỀN

THÔNG NHẬN THỨC

Trong truyền thông không dây, các giải pháp quản lý tài nguyên khác nhau

đã được đề xuất để sử dụng các nguồn tài nguyên khan hiếm một cách hiệuquả Những giải pháp này liên quan đến chiến lược và các thuật toán để kiểmsoát công suất phát, phân bổ tần số, điều chế và mã hóa Trong chương này,chức năng và tính chất của hệ thống truyền thông không dây sẽ được giớithiệu chi tiết Tiếp theo đó các kỹ thuật phân bổ tài nguyên đối trong hệthống CR-OFDM sẽ được trình bày, qua đó làm rõ các thành phần nhiễutrong mô hình nghiên cứu Cuối cùng luận án đề cập đến dung lượng kênhcủa hệ thống CR-OFDM

1.1 Truyền thông nhận thức

Với nhu cầu ngày càng tăng của các ứng dụng truyền thông không dây, việcthiếu phổ tần ngày càng nhiều và nghiêm trọng hơn Trong khi đó việc sửdụng tần số được cấp phép lại không đạt hiệu quả cao [21] Khái niệm thốngtruyền thông nhận thức (CR) được đề xuất lần đầu tiên bởi Mitola [55] Hệthống CR được sinh ra với mong muốn nhằm tái sử dụng tạm thời những dảitần được cấp phép còn trống tạm thời, nhưng không làm ảnh hưởng đáng kểđến chất lượng phục vụ (QoS: Quality of Service) của người dùng được cấpphép Từ mong muốn này, khả năng đầu tiên của CR đó là nắm bắt hay cảmnhận được thông tin từ môi trường vô tuyến xung quanh nó Khả năng đó cóthể không chỉ đơn giản được thực hiện bằng cách đo đạc hay quan sát côngsuất phát trong một số dải tần mong muốn, mà cần những kỹ thuật tinh

vi hơn để nắm bắt nhiều thông tin hơn từ sự thay đổi trong miền thời gian

và không gian trong môi trường truyền dẫn và tránh nhiễu cho người khác[1], [2] Thông qua khả năng này, các dải tần số hay còn gọi là khoảng trắngkhông được sử dụng tại một thời điểm hoặc địa điểm cụ thể được xác định

15

Thời gian Tần số

Hố phổ

Phổ được sử dụng bởi người dùng sơ cấp Công suất

1.2 Ứng dụng OFDM trong truyền thông nhận thức

1.2.1 Lợi ích sử dụng OFDM

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang là một phương pháp đã được sử dụng rộngrãi để cung cấp thông lượng dữ liệu cao Ý tưởng cơ bản của điều chế đa sóngmang đó là phân chia các kênh băng rộng thành nhiều các kênh con có biên

độ hẹp Do đó, các kênh băng rộng lựa chọn tần số sẽ được chuyển thànhnhiều kênh con không lựa chọn tần số Các kênh con còn được gọi là sóngmang trong điều chế OFDM Ở đây mỗi sóng mang con có khả năng chồngphổ tín hiệu lên nhau Ở máy thu, tín hiệu vẫn có thể khôi phục lại được,qua đó tiết kiệm được phổ tần

Một trong những vấn đề nghiêm trọng của truyền dữ liệu tốc độ cao là độtrải rộng xung dẫn đến nhiễu liên ký tự (ISI: Inter Symbol Interference) Độtrải rộng xung là nguyên nhân làm biến dạng tín hiệu, thể hiện bởi sự chồnglấn của các tín hiệu điều chế trong miền thời gian hay con được biết đến bởi

khái niệm trải trễ (Delay Spread) Điều này cũng được phản ánh trong miềntần số khi bề rộng ổn định tần số (Coherence Bandwidth) tỉ lệ nghịch với

sự trải trễ Trong hệ thống có sự trải trễ lớn và bề rộng độ ổn định tần sốhẹp sẽ dẫn đến kênh truyền được xem như là chọn lọc tần số Hiện tượngtrải trễ gây ảnh hưởng đến miền tần số theo mối quan hệ sau: Bề rộng độ ổnđịnh về tần số ∆fc của kênh phụ thuộc vào độ trải trễ τmax theo công thức

∆fc = 1/τmax [67] Bề rộng độ ổn định về tần số càng lớn so với độ rộngbăng tần B thì kênh càng ổn định về mặt tần số Nhiễu ISI gây ra trên hệthống đa sóng mang thấp hơn nhiều so với nhiễu gây ra trên hệ thống đơnsóng mang Đồng thời, do độ rộng dải tần của sóng mang con trong hệ thống

đa sóng mang cũng nhỏ hơn độ rộng dải tần của hệ thống đơn sóng mangnên độ ổn định về mặt tần số của kênh cũng tốt hơn [68]

1.2.2 Vì sao OFDM được ứng dụng trong truyền thông nhận thứcOFDM là một phương pháp điều chế đa sóng mang thông dụng nhất được

sử dụng trong một số các chuẩn truyền thông phổ biến như truyền thanh kỹthuật số DAB, truyền hình kỹ thuật số DVB, IEEE 802.16e WiMAX, IEEE802.20 Mobile Broadband Wireless Access (MBWA), LTE-A, IEEE 802.22Wireless Regional Area Network (WRAN) Chuẩn 802.22 là chuẩn mới nhấtcho mạng không dây khu vực, dùng các tần số là khoảng trắng (WS: WhiteSpace) trong phổ tần số truyền hình (TV) Chuẩn này do nhóm 22 của Ủyban chuẩn hóa LAN-MAN, thuộc IEEE phát triển và hoàn thiện và cho phéptriển khai một mạng không dây nhờ dùng các băng tần VHF và UHF đã dùngrộng rãi trong TV Các băng tần WS này cho phép triển khai mạng khôngdây trong băng truyền hình mà đảm bảo sự can nhiễu sang các dịch vụ đãđược cấp phép khác Đại diện tiêu biểu cho hệ thống truyền thông không dây

sử dụng OFDM và hoạt động trên những băng tần không được cấp phép làWiFi sử dụng chuẩn 802.11, hay mới đây nhất là Super WiFi sử dụng chuẩn802.11af

Như vậy đối tượng sử dụng OFDM bao gồm rất nhiều các chuẩn khôngdây hiện có Điều này phù hợp với yêu cầu khi xây dựng một hệ thống mớiđòi hỏi khả năng tương tác trên một số các mạng lưới truyền thông, thiết bị

và giao thức truyền dẫn với các hệ thống sẵn có Ngoài ra OFDM cũng làphương pháp tiết kiệm băng thông, phù hợp với chính sách sử dụng phổ của

hệ thống CR OFDM được coi là có khả năng đáp ứng được các yêu cầu nóitrên của hệ thống CR bởi những tính năng linh hoạt [48] Hơn nữa OFDMcũng phù hợp với kỹ thuật đa truy cập cũng phân chia tần số đa truy cậptrực giao OFDMA do các sóng mang con là trực giao với nhau Bên cạnh đó

có thể phân chia đa truy cập TDMA hoặc FDMA nơi mỗi nút có thể truy cậpcác ký hiệu OFDM khác nhau trong một khung thời gian hay tần số Thêmnữa các nút có thể phân chia nhau truy cập theo mã code trực giao CDMA.Đối với việc sử dụng thích ứng các hố phổ rời rạc hay hình dạng phổ tầnkhông liên tục, điều chế OFDM là một hướng giải quyết đầy hứa hẹn chomột hệ thống linh hoạt như vậy vì phổ của OFDM được định hình từ phổcủa các sóng mang Các sóng mang có thể được bật hoặc tắt để phù hợp vớihình dạng hố phổ Điều này có thể thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng các

bộ biến đổi Fourier

1.3 Nhiễu trong mạng truyền thông nhận thức

Phần này trình bày các loại nhiễu tồn tại trong mô hình hệ thống khi SUhoạt động trên các hố phổ trống tạm thời, bên cạnh các dải tần đang hoạtđộng khác của PU

Phân chia tần số trực giao OFDM đã được chứng minh là ứng cử viên tốtnhất cho các hệ thống truyền thông không dây nhận thức [48] Tuy nhiên hạnchế lớn của các hệ thống sử dụng OFDM đó là tín hiệu OFDM phát sinh racác búp sóng phụ lớn Hệ quả của sự bức xạ ngoài dải (OOB: Out of Band)cao [63], [89], [90] Trong một số tài liệu, các tác giả đã nghiên cứu và đề xuấtcác giải pháp làm giảm búp sóng phụ Tác giả trong [95] thay vì sử dụngxung chữ nhật đã sử dụng cửa sổ cosin nâng (Raised Cosine Windowing) đểđịnh hình tín hiệu OFDM Họ của cửa sổ cosin nâng bao gồm một số loạithông dụng như Elliptic hoặc Tukey Đây là một trong những loại cửa sổ mà

hệ thống WiFi hiện dùng [31] Hiện nay một số kỹ thuật nhằm giảm búpsóng phụ cho các hệ thống nhận thức dựa trên OFDM đã được đề cập trongnhiều tài liệu nghiên cứu Giải pháp dùng cửa sổ miền thời gian là đơn giảnnhất nhằm kéo dài ký tự OFDM trong miền thời gian với việc sử dụng cáccửa sổ khác nhau [80], [89]

OFDM sử dụng loại xung sinc đại diện cho các ký tự được điều chế M-ary

và được truyền trên tất cả các sóng mang con liên tục theo thời gian Các

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -100

=0.75 Hann =1

Hình 1.2: Phổ của một sóng mang con với các hệ số uốn β khác nhau

búp sóng phụ lớn do loại xung sinc này sinh ra là một nguồn can nhiễu sangcác hệ thống lân cận Hình 1.2 mô tả các búp sóng phụ của tín hiệu OFDMvới 16 sóng mang con được điều chế QAM-16 [63] Những phần không thuộc

về tín hiệu có ích OFDM (Data carriers) chính là những búp sóng phụ Ở đây

độ lớn búp sóng phụ đầu tiên giảm đi 13dB so với búp sóng chính khi cửa sổchữ nhật thuộc họ cửa sổ cosin nâng với hệ số cắt β = 0 được áp dụng Đốivới cửa sổ Tukey với hệ số cắt β = 0.5, búp sóng phụ đầu tiên bị suy hao

18dB so với búp sóng chính, v.v Hơn nữa, các búp sóng phụ giảm rất chậmvới sự gia tăng khoảng cách từ phổ chính OFDM trong miền tần số

1.3.1 Các giải pháp giảm búp sóng phụ

Như đã trình bày ở trên, búp sóng phụ là một trong những nguyên nhân lớngây can nhiễu giữa những hệ thống sử dụng OFDM [89] Phần này luận ántrình bày và so sánh vắn tắt một số các giải pháp giảm búp sóng phụ

A: Giải pháp sử dụng cửa sổ - Windowing

Một kỹ thuật giảm búp sóng phụ thông dụng sử dụng cửa sổ được đề xuấttrong [58] Để làm mịn những búp sóng phụ, tín hiệu ở miền thời gian đượcnhân với một cửa sổ Các cửa sổ thông thường được dùng như Elliptic, Kaiser,

Hamming, v.v, trong đó hệ thống WiFi sử dụng cửa sổ cosin nâng Tukey Cáctác giả trong [84] cũng sử dụng giải pháp cửa sổ nhằm giảm can nhiễu từ cácbúp sóng phụ từ SU sang PU nhằm nâng cao hiệu năng dung lượng của hệthống CR Biên độ các bức xạ ngoài dải OOB của tín hiệu OFDM sau khibiến đổi FFT với chiều dài NFFT có thể nhận được từ hàm mật độ phổ côngsuất của tín hiệu đó như sau [62]

PSD(f ) = 1

NFFT

g(t)e−j2π(f −fi )tdt

... số cắt 0.2 giảm đến 30dB tínhiệu OFDM với 64 sóng mang so với tín hiệu OFDM truyền thống[16], [94] Tuy nhiên, giải pháp làm giảm hiệu sử dụng phổ tần? ?áng kể số lượng sóng mang khơng dùng để truyền. ..

và để giảm xuống mức −60dBm cần phải bỏ nhiều phần tần số

Ở phần luận án phân tích loại can nhiễu hai hệ thống

SU PU sử dụng OFDM

1.3.2 Nhiễu từ SU sang PU

Giả sử. .. giả khẳng định rằng, hệ thống truyềnthông nhận thức, tín hiệu số truyền đi, búp sóng phụ cần phảigiảm xuống mức−60dBm búp sóng mức0dBm đảm bảou cầu can nhiễu Như giải pháp làm giảm búp sóng phụtại