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

Như được trình bày trong các nghiên cứu [6], [7], [8], [9] dung lượng của CRS phụ thuộc vào mức công suất phân chia cho từng sóng mang con của nó và mức nhiễu mà PU gây ra cho từng băng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Văn Tuấn

NÂNG CAO DUNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN

VÔ TUYẾN CÓ NHẬN THỨC DỰA TRÊN OFDM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Văn Tuấn

NÂNG CAO DUNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN

VÔ TUYẾN CÓ NHẬN THỨC DỰA TRÊN OFDM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

2 PGS TS Nguyễn Viết Kính

Hà Nội - 2017

LỜI CAM ĐOAN

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

Hà Nội, ngày 15.7.2017

Tác giả

Lê Văn Tuấn

Tác giả xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô Bộ môn Vô tuyến, Khoa

Vô tuyến điện tử, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, đóng góp về chuyên môn để tác giả hoàn thành nhiệm vụ Tác giả xin cảm ơn Cục Tần số Vô tuyến điện, Bộ Thông tin và Truyền thông

là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho phép tác giả có thể tham gia nghiên cứu trong những năm làm nghiên cứu sinh

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, đồng nghiệp, bạn bè, đặc biệt là

TS Đinh Chí Hiếu và TS Nguyễn Thu Hà đã động viên, chia sẻ những khó khăn, giúp đỡ tác giả vượt qua những khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay

Hà Nội, ngày 15.7.2017

Tác giả

Lê Văn Tuấn

i

1 MỤC LỤC

2

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ix

MỞ ĐẦU 1

1 Chương 1: Tổng quan về vô tuyến có nhận thức và bài toán nâng cao dung lượng 7

1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin có nhận thức 7

1.1.1 Cơ sở hình thành 7

1.1.2 Khái niệm về hệ thông tin có nhận thức 7

1.1.3 Các đặc điểm cơ bản của CRS 8

1.1.4 Khả năng ứng dụng của thông tin vô tuyến có nhận thức 9

1.2 Một số hướng nghiên cứu chính về vô tuyến có nhận thức 10

1.2.1 Hướng nghiên cứu về nhận dạng phổ tần (spectrum sensing) 11

1.2.2 Các nghiên cứu về quản trị phổ tần 15

1.2.3 Nghiên cứu về phân chia và chia sẻ phổ tần 16

1.3 Bài toán nâng cao dung lượng hệ thống CRS 17

1.3.1 Tổng quan 17

1.3.2 Các nghiên cứu về nâng cao dung lượng hệ thống CR 22

1.4 Kết luận chương 30

ii

2 Chương 2: Giải pháp nâng cao dung lượng CRS bằng kỹ thuật cửa sổ 33

2.1 Đặt vấn đề 33

2.2 Hiện tượng dò phổ tín hiệu trong quá trình biến đổi Fourier rời rạc 34

2.3 Sử dụng kỹ thuật cửa sổ cho hệ thống OFDM 36

2.2 Một số kỹ thuật cửa sổ sử dụng cho OFDM 40

2.2.1 Cửa sổ Nyquist 40

2.2.2 Kỹ thuật cửa sổ chữ nhật và cửa sổ Hanning 44

2.3 Đề xuất sử dụng kỹ thuật cửa sổ cho bài toán nâng cao dung lượng CRS 46

2.3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của kỹ thuật cửa sổ tới bài toán phân bổ công suất 50

2.3.2 Nhận xét 54

2.4 Kết luận chương 59

3 Chương 3 Nâng cao dung lượng bằng giải thuật Full-Filling 61

3.1 Kỹ thuật Full-Filling 61

3.1.1 Giải thuật Max Filling Range 62

3.1.2 Giải thuật Pre-set Filling Range-PFR 64

3.2 Kết quả mô phỏng 67

3.2.1 Phân bố mức công suất của các sóng mang con 68

3.2.2 Dung lượng truyền của CRS 71

3.2.3 Độ phức tạp tính toán khi áp dụng Full-Filling 74

3.3 Kết luận chương 80

iii

4 Chương 4: Nâng cao dung lượng CRS đa người dùng bằng kỹ thuật cửa sổ 82

4.1 Tổng quan về CRS đa người dùng 82

4.2 Nhiễu giữa PU và CR trong CRS đa người dùng 83

4.2.1 Nhiễu từ CRS tới PU 84

4.2.2 Nhiễu giữa người dùng CRS với nhau 84

4.2.3 Nhiễu PU tới CRS 85

4.3 Bài toán nâng cao dung lượng 85

4.4 Giải pháp phân bổ sóng mang con cho người dùng CRS 87

4.4.1 Phân bổ đều sóng mang con 89

4.4.2 Phân chia tỷ lệ nghịch với nhiễu tới PU (IIA-I) 89

4.4.3 Phân chia nghịch đảo với nhiễu có qui chuyển về băng thông chuẩn 90

4.5 Kết quả mô phỏng dung lượng hệ thống CRS đa người dùng 91

4.5.1 Trường hợp không sử dụng kỹ thuật cửa sổ 92

4.5.2 Trường hợp sử dụng kỹ thuật cửa sổ 96

4.5.3 Phân tích, đánh giá kết quả .99

4.6 Kết luận chương 101

KẾT LUẬN 103

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

iv

3 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3G Third Mobile Generation Công nghệ di động thế hệ 3

CDMA Code Division Multiple Access Đa tuy nhập phân chia theo mã

CPE Customer Premise Equipment Thiết bị đầu cuối

CRS Cognitive Radio System Hệ thống vô tuyến có nhận thức

CSI Channel State Information Thông tin về trạng thái kênh truyền

FDMA Frequency Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

FM Frequency Modulation Điều chế tần số

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GSM Global System for Mobile

Communication

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

ICI Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh

IEEE Institute of Electronic and

Electrical Engineers

Viện các kỹ sư điện và điện tử

IIA Interference Inversion Allocation Phân chia nghịch đảo với nhiễu

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký hiệu

ITU International Telecommunication

Union

Liên minh viễn thông quốc tế

LAD Localization Algorithm based on

Double-thresholding

Giải thuật định vị tín hiệu dựa trên ngưỡng kép

MFR Max Filling Range Giải thuật dải điền đầy tối đa

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Q-IIA Quantized Interference Inversion

Allocation

Phân chia nghịch đảo với nhiễu có quy chuẩn về băng thông chuẩn

SDR Software Defined Radio Vô tuyến xác định bằng phần mềm

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời gian TV-WS TV white space Khoảng trắng băng tần truyền hình UWB Ultra Wide Band (Công nghệ vô tuyến) băng siêu rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây

WRAN Wireless Regional Access Network Mạng không dây diện rộng

WSS Wide-sense Stationary Dừng theo nghĩa rộng

RKRL Radio Knowledge Representation

Language

Ngôn ngữ đặc tả vô tuyến nhận thức

4

vi

5 DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các băng tần do các CRS và PU sử dụng 18

Hình 1.2: Nhiễu hai chiều qua lại giữa CRS và PU 19

Hình 1.3: Phân bổ công suất theo hình bậc thang [8] 25

Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống OFDM với kỹ thuật trọng số sóng mang con [13] 30 Hình 2.1: Đáp ứng tần số của một số cửa sổ 33

Hình 2.2: Sự khác biệt của tín hiệu qua FFT 35

Hình 2.3: DFT của sóng hình sin trong trường hợp không bị rò và bị rò [37] 35

Hình 2.4: Sơ đồ tạo ký hiệu OFDM trong một hệ thống WLAN 802.11[73] 37

Hình 2.5: Sử dụng cửa sổ cosin nâng để ghép nối ký hiệu 38

Hình 2.6: Khung OFDM với tiền tố vòng và cửa sổ trong 802.11 39

Hình 2.7: Ký hiệu OFDM sử dụng cửa sổ nyquist thích nghi [63] 42

Hình 2.8: DFT có Nyquist widowing với hệ số uốn khác nhau [37] 43

Hình 2.9: Cửa sổ Tukey với hệ số uốn khác nhau 43

Hình 2.10: So sánh đặc tính của cửa sổ Tukey với một số cửa sổ khác 48

Hình 2.11: Mặt nạ phổ tín hiệu DVB-T (8MHz) [26] 51

Hình 2.12: Phân bổ công suất sóng mang CRS khi chưa áp dụng kỹ thuật cửa sổ 52 Hình 2.13: Phân bổ công suất sóng mang con khi dùng kỹ thuật cửa sổ, Ith = 5σ2 52 Hình 2.14: Phân bổ công suất của sóng mang con CRS khi có cửa sổ với Ith = σ2 53 Hình 2.15: Tốc độ dữ liệu CRS trong trường hợp có và không có cửa sổ, hệ số uốn a= 0,3 (hình a) và a= 0,6 (hình b) 54

Hình 3.1: Giải thuật Max Filling Range – Cách 1 63

Hình 3.2: Giải thuật Max Filling Range – Cách 2 64

Hình 3.3: Giải thuật Pre-set Filling Range 66

Hình 3.4: Phân bổ công suất trong trường hợp tối ưu (Ith= 52 ) 69

Hình 3.5: Phân bổ công suất theo giải thuật MFR, Ith= 22 (1 snapshot) 69

vii

Hình 3.6: Phân bổ công suất theo giải thuật MFR, I th = 52

(1 snapshot) 69

Hình 3.7: Phân bổ công suất trung bình theo giải thuật MFR, Ith= 2 .70

Hình 3.8: Phân bổ công suất đối với trường hợp PFR (Ith=52 ) 70

Hình 3.9: Tốc độ truyền của CRS khi ngưỡng chịu nhiễu của PU cao 71

Hình 3.10: Tốc độ truyền CRS khi ngưỡng chịu nhiễu Ith của PU thấp 73

Hình 3.11: Tốc độ truyền tối đa của CRS (hệ số uốn a= 0,2; 0,35; 0,5; 0,7) 74

Hình 3.12: Số lượng biến trong các kỹ thuật phân bổ công suất 77

Hình 3.13: Độ phức tạp tính toán của CRS với các giải thuật FF 78

Hình 4.1: Phân kênh theo chuẩn 802.11 b/g 83

Hình 4.2: Phân bố công suất và sóng mang con cho mỗi người dùng CRS 88

Hình 4.3: Phân bố công suất và sóng mang con trong trường hợp IIA-I, không sử dụng kỹ thuật cửa sổ, Ith =1mW (a) và 7 mW (b) .93

Hình 4.4: Phân bố sóng mang con và công suất trong trường hợp Q-IIA, Ith= 1mW (a) và 7 mW (b), không sử dụng kỹ thuật cửa sổ .94

Hình 4.5: Phân bố công suất và sóng mang con trong trường hợp phân chia đều sóng mang, Ith =1mW(a) và 7 mW (b) .95

Hình 4.6: Tốc độ dữ liệu CRS với IIA-I, Q-IIA, phân chia đều, không cửa sổ 95

Hình 4.7: Phân chia sóng mang con và công suất với IIA-I,cửa sổ, Ith = 0.1 mW (a); 0,7 mW (b) 97

Hình 4.8: Phân chia sóng mang con và công suất cho trường hợp Q-IIA, có sử dụng cửa sổ, Ith = 1mW (a) và 7mW (b) 98

Hình 4.9: Phân bố sóng mang và công suất với trường hợp uniform, I th= 1mW, có sử dụng cửa sổ .98

Hình 4.10: Tốc độ dữ liệu của CRS trong các trường hợp IIA, Q-IIA và phân chia đều khi áp dụng cửa sổ 99

viii

6 DANH MỤC BẢNG

Bảng 2-1: Các điểm gẫy của mặt nạ phổ tín hiệu DVB-T [26] 51Bảng 3-1: Số sóng mang cần phân bổ tối ưu và độ phức tạp tính toán 76

ix

7 DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

Trước đòi hỏi thực tế trên, vô tuyến có nhận thức (cognitive radio-CR) là một hướng đi mới về công nghệ vô tuyến dựa trên việc tận dụng các khoảng trống tần

số (là tần số đã được cấp phép nhưng người được cấp phép lại không sử dụng), qua

đó nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số vô tuyến điện

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là kỹ thuật được thừa nhận rộng rãi để dùng cho hệ thống vô tuyến có nhận thức (CRS) nhờ hiệu quả trong việc truyền tin qua các kênh pha-đinh (fading channel)

Do CRS sử dụng các khoảng tần trống, trong nhiều trường hợp là nằm cạnh các đoạn tần đang được sử dụng bởi người dùng chính (PU), nên xuất hiện nhiễu qua lại giữa người dùng của CRS (SU) và PU, làm ảnh hưởng tới chất lượng của hai hệ thống Là hệ thống không được cấp phép nên CRS sẽ phải bảo vệ PU, không

được phép gây cho PU mức nhiễu vượt ngưỡng quy định trước Ith (mức nhiễu chấp nhận được) Như được trình bày trong các nghiên cứu [6], [7], [8], [9] dung lượng của CRS phụ thuộc vào mức công suất phân chia cho từng sóng mang con của nó

và mức nhiễu mà PU gây ra cho từng băng của CRS Về phần mình, mức công suất phân chia cho các sóng mang con của CRS phải đảm bảo tổng mức nhiễu chúng

gây ra cho PU không vượt quá giá trị Ith

2

Bài toán đặt ra

Với đặc điểm bắt buộc không được phép gây ra mức nhiễu cao hơn mức nhiễu

chấp nhận được Ith của PU, một câu hỏi cơ bản đặt ra trong các nghiên cứu về CR

là làm thế nào để nâng cao dung lượng của hệ thống trong khi phải đảm bảo điều kiện bảo vệ PU về nhiễu?

Các nghiên cứu về nâng cao dung lượng cho CRS

Hiện nay có nhiều nghiên cứu đã và đang thực hiện liên quan tới chủ đề này Các nghiên cứu đó được tóm tắt dưới đây

Giải pháp nén phát xạ phụ (side lobe suppression) đã được đề xuất trong [32] nhằm giảm mức nhiễu sang băng lân cận

Bên cạnh đó, chúng ta có thể thấy nhiễu do một sóng mang con của CRS gây

ra cho PU phụ thuộc vào mức công suất phát của nó và khoảng cách tần số giữa nó với PU Trong nghiên cứu [7], hai giải pháp phân chia công suất sóng mang con với các bước phân chia khác nhau đã được đề xuất Trong nghiên cứu [8], các tác giả đã đề xuất giải thuật phân chia công suất tối ưu cho sóng mang con nhằm đạt được dung lượng đường xuống cao nhất cho người dùng CRS Theo đó, phương thức tối ưu cho kết quả là dung lượng hệ thống đạt kết quả cao nhất nhưng đổi lại

là độ phức tạp tính toán cao, khó khả thi đối với hệ thống công suất hạn chế Do

đó, các tác giả đã đề xuất một số phương án cận tối ưu với tên gọi Scheme A, Scheme B dựa trên cách thức tính tỷ lệ nghịch với với độ nhiễu do CRS gây ra cho

PU Ảnh hưởng của việc tắt sóng mang con (sub-carrier nulling) và chất lượng của giải pháp truyền thống về phân chia công suất cho sóng mang con theo kỹ thuật rót đầy nước (water-filling) và phân chia đều công suất cũng đã được đánh giá trong nghiên cứu [8]

Hướng nghiên cứu của nghiên cứu sinh

Như đã nói ở trên, dung lượng CRS phụ thuộc vào mức công suất phát của mỗi sóng mang con của nó và mức nhiễu mà PU gây cho CRS Vì vậy, để tăng

3

dung lượng CRS thì phải tăng được mức công suất phát cho các sóng mang con Nhưng khi tăng mức công suất phát cho sóng mang con của CRS thì mức nhiễu gây cho PU lại tăng lên Đối với hệ thống CRS hiện (overlay CR), do CRS dùng khoảng trống tần số nên nhiễu nó gây cho PU chủ yếu là nhiễu do phát xạ ngoài băng Vì vậy, cần có giải pháp làm suy giảm phát xạ ngoài băng từ các sóng mang con OFDM của CRS, qua đó tăng công suất phát cho sóng mang con mà vẫn đảm bảo được điều kiện bảo vệ về nhiễu cho PU

Giải pháp được nghiên cứu sinh đưa vào nghiên cứu là đánh giá khả năng sử dụng kỹ thuật cửa sổ (windowing) cho CRS để giảm phát xạ ngoài băng Trong kỹ thuật cửa sổ, người ta sử dụng hàm cửa sổ là hàm trong đó có giá trị bằng 0 khi nằm ngoài một khoảng (interval) xác định trước Tín hiệu sau khi nhân với hàm cửa sổ sẽ có dạng như dạng của hàm cửa sổ, trong đó giá trị tín hiệu là bằng 0 ở các miền nằm ngoài khoảng

Cùng với kỹ thuật cửa sổ, nghiên cứu sinh cũng nghiên cứu giải pháp phân bổ công suất cho các sóng mang con của CRS sao cho độ phức tạp tính toán thấp để phù hợp với tính giản đơn của CRS

Bên cạnh đó, để tính phổ quát cao hơn, bên cạnh ứng dụng cho CRS đơn người dùng, nghiên cứu sinh cũng mở rộng nghiên cứu cho CRS đa người dùng, vốn phức tạp hơn do bên cạnh việc phân bổ công suất cho mỗi sóng mang con, trường hợp này còn vấn đề phân bổ sóng mang con cho mỗi người dùng CRS Trong nghiên cứu của nghiên cứu sinh, CRS được giới hạn là hệ thống vô tuyến có nhận thức hiện (overlay CR), luận án tập trung vào bài toán sử dụng kỹ thuật tạo cửa sổ và phân bổ công suất Các đánh giá được thực hiện trong miền tần

số Ảnh hưởng của việc sử dụng kỹ thuật tạo cửa sổ dẫn đến làm giảm độ dự trữ chống can nhiễu đa đường của CRS (do cửa sổ chiếm dùng một phần của khoảng bảo vệ) không được xem xét đến trong luận án này

4

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án là kết hợp giải tích với

mô phỏng Monte-Carlo sử dụng máy tính Phương pháp giải tích được sử dụng để thiết lập phương trình tính toán tốc độ truyền tối đa của hệ thống Mô phỏng Monte-Carlo được sử dụng để tính toán phân bổ công suất cho các sóng mang con

để đạt được dung lượng tối đa qua tốc độ truyền tối đa của CRS

Các đóng góp

Luận án đã được các kết quả và đóng góp chính sau đây:

- Đề xuất áp dụng kỹ thuật cửa sổ cho CRS dựa trên OFDM Lý do nghiên cứu sinh lựa chọn kỹ thuật này là vì nó có đặc tính làm giảm phát xạ ngoài băng của tín hiệu (qua đó có thể tăng công suất phát các sóng mang con, tức tăng dung lượng của CRS) và hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống Wi-Fi (cũng dựa trên OFDM), nhưng chưa được xem xét trong các nghiên cứu về nâng cao dung lượng cho CRS Kết quả mô phỏng cho thấy, khi áp dụng kỹ thuật cửa

sổ, dung lượng hệ thống tăng lên đáng kể so với trường hợp không sử dụng kỹ thuật này (chi tiết được trình bày tại chương 2)

- Đề xuất giải pháp mới có tên là Lấp đầy (Full-Filling) để phân bổ công suất cho các sóng mang con của CRS Kỹ thuật này dựa trên ý tưởng phân bổ công suất tối đa cho các sóng mang con CRS nằm cách xa băng tần của PU, làm giảm mạnh, thậm chí có thể bỏ qua, số lượng sóng mang cần phải sử dụng phép tính tối ưu để phân bổ công suất, qua đó làm giảm độ phức tạp tính toán của giải thuật Kết quả

mô phỏng cho thấy khi kết hợp Full-Filling với kỹ thuật cửa sổ, hệ thống CR có thể đạt được tốc độ truyền dẫn tiệm cận với tốc độ trong trường hợp tối ưu, trong khi giữ được độ phức tạp tính toán rất thấp Chi tiết về giải pháp này được trình bày tại chương 3

5

- Đề xuất sử dụng kỹ thuật cửa sổ cho CRS đa người dùng Kết quả mô phỏng cũng cho thấy khi sử dụng kỹ thuật cửa sổ, dung lượng hệ thống đa người dùng cũng tăng lên đáng kể so với không sử dụng kỹ thuật này

- Đề xuất giải pháp mới để phân chia sóng mang con cho mỗi người dùng của CRS đa người dùng, đó là giải pháp phân chia nghịch đảo với nhiễu có qui chuyển

về băng thông chuẩn (Q-IIA, quantized IIA)

Bố cục luận án

Luận án được trình bày thành 4 chương với bố cục như sau:

- Chương 1: Vô tuyến có nhận thức và bài toán nâng cao dung lượng Nội dung chương này là nêu lên những nét tổng quan về hệ thống thông tin có nhận thức (cơ sở cho sự hình thành CRS, các định nghĩa về CR, các đặc trưng của CRS, kiến trúc và các chức năng chính của CRS, các ứng dụng công nghệ CRS); tổng hợp các hướng nghiên cứu chính về CRS (nghiên cứu về nhận dạng phổ tần, về quản trị phổ tần, về phân chia và chia sẻ phổ tần) Chương 1 cũng giới thiệu về bài toán nâng cao dung lượng, hướng nghiên cứu của nghiên cứu sinh, trong đó nêu lên vấn đề nhiễu hai chiều giữa SU với PU và tổng hợp các kết quả nghiên cứu của các tác giả khác về nâng cao dung lượng cho CRS

- Chương 2: Giải pháp nâng cao dung lượng của CRS bằng kỹ thuật cửa sổ Chương này giới thiệu việc ứng dụng kỹ thuật cửa sổ cho hệ thống OFDM, một số

kỹ thuật cửa sổ đang được sử dụng Kết quả mô phỏng việc áp dụng kỹ thuật cửa

sổ được trình bày trong chương này, đi cùng với các đánh giá tác động của kỹ thuật cửa sổ đối với việc nâng cao dung lượng của CRS dựa trên OFDM, cũng như các phân tích, đánh giá về phân bố mức công suất phát của các sóng mang con của CRS khi áp dụng cửa sổ

- Chương 3: Nâng cao dung lượng bằng giải thuật Full-Filling Chương này giới thiệu các giải pháp Full-Filling mà nghiên cứu sinh đề xuất, bao gồm các giải thuật MFR và PFR; trình bày kết quả mô phỏng về phân bố công suất, dung lượng

áp dụng Q-IIA, IIA-I kết hợp với hoặc không kết hợp với kỹ thuật cửa sổ được trình bày, phân tích và đánh giá trong chương này

Hình thức quản lý phổ tần số này đảm bảo việc sử dụng tần số một cách có trật tự, hạn chế gây can nhiễu lẫn nhau giữa các hệ thống vô tuyến điện Tuy nhiên, kết quả kiểm soát việc sử dụng tần số, bao gồm cả ở các vùng nông thôn, cho thấy một số băng tần rất ít khi được sử dụng hay chỉ được sử dụng trong một phần thời gian, trong khi một số băng tần lại được sử dụng dày đặc [77]

Việc một phần phổ tần ít được sử dụng đã đưa đến khái niệm về khoảng trống tần số (spectrum hole) - là một băng hay các tần số được ấn định cho một người sử dụng chính (Primary User - PU) nhưng tại một địa điểm nhất định và trong khoảng thời gian xác định, băng tần/tần số đó không được sử dụng bởi người dùng chính Việc tận dụng các khoảng trống tần số này để sử dụng cho các hệ thống vô tuyến khác sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số

Trong bối cảnh đó, hệ thống CR được đề xuất như là giải pháp để tận dụng các khoảng trống tần số

1.1.2 Khái niệm về hệ thông tin có nhận thức

Khái niệm về vô tuyến có nhận thức được J Mitola đưa ra vào các năm 1991

và 1998, với tên gọi đầu tiên là RKRL [35] Hiện có nhiều định nghĩa về CRS

CRS được định nghĩa trong [21] như sau: “là một hệ thống thông tin vô tuyến

thông minh, nhận biết được môi trường điện từ xung quanh và tự điều chỉnh một số

8

tham số hoạt động (như công suất phát, tần số sóng mang, phương thức điều chế, ) để thích ứng với sự thay đổi của môi trường điện từ xung quanh”

Một định nghĩa khác về CRS là “hệ thống vô tuyến có thể thay đổi các tham

số phát của nó dựa trên việc tương tác với môi trường mà nó hoạt động”[3]

Theo Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) [24], [25], thì CRS là: ”một hệ

thống vô tuyến sử dụng công nghệ cho phép hệ thống thu nạp được sự hiểu biết về môi trường hoạt động và địa lý của nó, các quy định đã có và trạng thái bên trong

để điều chỉnh một cách linh hoạt, chủ động các tham số và các giao thức hoạt động phù hợp với sự hiểu biết thu nhận được nhằm đạt được các mục tiêu đề ra;

và để học (learn) từ các kết quả thu được”

1.1.3 Các đặc điểm cơ bản của CRS

Theo [21], có 6 đặc điểm cơ bản khi nói về CRS: tự nhận biết (awareness), thông minh (intelligence), học (learning), thích ứng (adaptivity), tin cậy (reliability), hiệu quả (efficiency) Ngoài ra, CRS còn khả năng tái cấu hình (reconfigurability)[40] thông qua chức năng vô tuyến xác định bằng phần mềm – SDR [46], [58]

Theo [3] thì một CRS có hai đặc tính cơ bản, đó là:

- Khả năng nhận thức (cognitive): là khả năng thu nhận được hay nhận biết

(sense) được thông tin từ 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: là khả năng cho phép hệ thống tự lập trình lại một

cách linh hoạt, phù hợp với điều kiện môi trường xung quanh

Ngoài ra, một đặc điểm quan trọng nữa của CRS là khi hoạt động hệ thống này phải đảm bảo không được gây ra mức nhiễu cao quá ngưỡng cho phép đối với người sử dụng chính Vì vậy, khác với hệ thống vô tuyến truyền thống, khi giải

9

quyết bài toán phân bổ công suất sóng mang con hay bài toán dung lượng của CRS, thì chúng ta cần phải tính tới điều kiện về ngưỡng nhiễu cho phép này

1.1.4 Khả năng ứng dụng của thông tin vô tuyến có nhận thức

Hiện nay, công nghệ vô tuyến có nhận thức vẫn đang trong quá trình hoàn thiện và dự báo sẽ được ứng dụng trong nhiều hệ thống vô tuyến trong tương lai Phần tiếp theo giới thiệu về hai ứng dụng theo họ tiêu chuẩn do IEEE xây dựng

1.1.4.1 Hệ thống chuẩn 802.22

802.22 là tiêu chuẩn cho mạng không dây diện rộng WRAN, được thông qua vào tháng 7 năm 2011, sử dụng khoảng trắng tần số trong băng tần truyền hình Hệ thống theo chuẩn 802.22 có cấu trúc mạng là điểm-đa điểm để cung cấp đường truyền vô tuyến băng rộng với cự ly truyền dẫn xa cho vùng sâu, vùng xa, vùng nông thôn Chuẩn 802.22 có các độ rộng kênh tần là 6, 7 hoặc 8MHz, kiểu đa truy nhập OFDMA, song công TDD

Do làm việc trong băng tần của truyền hình, chuẩn 802.22 sử dụng công nghệ CR để tìm kiếm, xác định các kênh truyền hình còn trống để sử dụng Hệ thống chuẩn 802.22 có chức năng xác định vị trí của thiết bị, có cơ sở dữ liệu về hiện trạng sử dụng tần số và chức năng nhận dạng phổ tần Trạm gốc (BS) và trạm đầu cuối (CPE) đều có chức năng xác định tọa độ của mình, các CPE phải thông báo vị trí của mình để BS cập nhật lại từ cơ sở dữ liệu các kênh tần có thể

sử dụng

Về nhận dạng phổ tần, 802.22 không quy định cụ thể, chỉ phân theo hai nhóm

kỹ thuật nhận dạng là nhận dạng mù và nhận dạng dựa trên các đặc tính của tín hiệu Kỹ thuật nhận dạng mù ở đây bao gồm các kỹ thuật như phát hiện năng lượng tín hiệu, nhận dạng đặc điểm riêng và nhận dạng đa phổ (một kỹ thuật dò tìm dựa trên phổ công suất để xác định mức độ chiếm dụng phổ tần)

10

1.1.4.2 Hệ thống chuẩn 802.11af

802.11af hay còn được gọi là “White-Fi” hay “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 Hệ thống WLAN 802.11af hoạt động trong phần phổ tần trắng truyền hình trong dải 54-790 MHz Cũng như 802.22, một điểm nổi bật của 802.11af là sử dụng công nghệ CR để tìm và sử dụng các tần số truyền hình bỏ trống.Trong hệ thống 802.11af có ba loại trạm (STA): trạm cố định, trạm được ủy quyền và trạm phụ thuộc Trạm cố định và trạm được ủy quyền là các trạm được đăng ký vào cơ sở dữ liệu và các trạm này sẽ phát quảng bá vị trí của chúng Trạm được ủy quyền có quyền cho phép các trạm phụ thuộc được hoạt động Trạm được ủy quyền sẽ lấy thông tin về các kênh tần số

có thể sử dụng được từ cơ sở dữ liệu khoảng trắng băng tần số truyền hình và phát trên kênh CVS, là kênh để thiết lập kết nối nó với trạm phụ thuộc, giúp trạm phụ thuộc có được danh mục các kênh tần còn trống

Trạm được ủy quyền cũng có thể tải về danh mục các kênh tần còn trống ở vị trí xung quanh vị trí hiện thời của nó, từ đó có thể xác định được kênh tần có thể sử dụng được khi nó di chuyển trong vùng STA kiểm tra lại vị trí của nó mỗi 60 giây

và nếu phát hiện ra vị trí của nó nằm ngoài vùng đã định trước, nó cần phải truy cập lại cơ sở dữ liệu TV-WS để xác định lại danh mục kênh tần có thể sử dụng Ngoài ra, chức năng quản lý công suất kênh của 802.11af được sử dụng để thay đổi công suất phát, hay thay đổi tần số, băng thông

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 nên còn có vấn để đặt ra để nghiên cứu Trong đó, kỹ thuật nhận dạng

11

phổ tần, giải pháp nhằm giảm nhiễu giữa các sóng mang con và nhiễu từ CRS sang

PU 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 cũng là chủ đề thu hút được sự quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây

Phần tiếp theo tóm tắt một số hướng nghiên cứu chính liên quan đến CRS

1.2.1 Hướng nghiên cứu về cảm nhận phổ tần (spectrum sensing)

1.2.1.1 Nhận dạng qua phát hiện năng lượng tín hiệu

Nguyên tắc của phương pháp này là đo năng lượng thu nhận được và so sánh nó với một ngưỡng xác định trước Đây là phương pháp nhận dạng có độ phức tạp, thời gian dò tìm ngắn [5], [30], [60], [61] nhưng có những nhược điểm được liệt kê trong [60] Đầu tiên là việc phát hiện phụ thuộc vào công suất nhiễu nền Khi nền nhiễu lớn, SNR thấp thì việc dò được tín hiệu PU thậm chí không thực hiện được Nhược điểm thứ hai là nó chỉ so sánh giữa năng lượng thu được với ngưỡng để quyết định về sự hiện diện của PU mà không đảm bảo tín hiệu thu là từ PU hay từ nguồn khác Một số giải pháp được đề xuất để nâng cao chất lượng phát hiện

Do chất lượng phát hiện năng lượng tín hiệu rất nhạy với lỗi ước lượng công suất nhiễu nền [52], nên các tác giả trong [39] đã đề xuất giải pháp ước đoán mức nhiễu thích nghi, theo đó giải thuật phân loại tín hiệu được dùng để tách nền nhiễu với tín hiệu và ước đoán nền nhiễu J Lehtomaki trong [28] đề xuất giải pháp FCME (the forward consecutive mean excision) và CA (forward cell averaging) Việc chọn được ngưỡng phát hiện tối ưu cũng giúp giảm xác suất nhận định sai sự xuất hiện tín hiệu Weidling [62] đề xuất tối ưu hóa ngưỡng phát hiện tín hiệu D.C Oh [38] đề xuất mức ngưỡng thích nghi tối ưu để tối ưu hóa ngưỡng phát hiện tín hiệu

12

Một giải pháp khác là định lượng được tín hiệu băng hẹp lẫn trong nền nhiễu J.Vartiainen [59] đề xuất giải thuật định lượng dựa trên ngưỡng kép (LAD), trong

đó 2 ngưỡng được sử dụng để tách tín hiệu và xác định vị trí

Về thời gian phát hiện tín hiệu, Pei [41] đề xuất giải pháp tối ưu hóa thời gian phát hiện tín hiệu trong 1 khe thời gian để tối đa dung lượng CRS

Trong khi đó, Z Quan [43], [44] đề xuất giải pháp phát hiện tín hiệu băng rộng, trong đó thực hiện dò tín hiệu trong nhiều băng

Mai D.T.T và cộng sự [78] đề xuất giải pháp tăng cường độ tin cậy nhận dạng phổ tần thông qua sử dụng phân tập không gian và giảm số lượng CR tham gia nhóm dò tìm phổ tần

1.2.1.2 Phát hiện tín hiệu qua đặc tính dừng vòng

Tín hiệu thường có những đặc tính tuần hoàn nhất định, trong khi nhiễu nền không có tính tương quan nên có thể dựa vào sự khác biệt này để phân biệt giữa tín hiệu và nền nhiễu Phương pháp nhận dạng dựa trên đặc tính dừng vòng của tín hiệu là nhận dạng thông qua khai thác đặc tính tuần hoàn của tín hiệu thu được và được thực hiện trong miền tần số[18]

K Muraoka [36] đề xuất giải pháp lựa chọn tự tương quan vòng tối đa, trong

đó so sánh các giá trị đỉnh và không đỉnh của hàm tự tương quan vòng để xác định

có tín hiệu PU hay không

1.2.1.3 Nhận dạng tín hiệu dựa trên dạng sóng

Về cấu trúc, tín hiệu thường sử dụng một số hình mẫu (pattern) nhất định phục vụ cho việc đồng bộ và mục đích khác (phần dữ liệu mào đầu, phần dữ liệu trung gian, các kênh dẫn đường, ) Khi có một mẫu tín hiệu, hệ thống có thể thực hiện việc nhận dạng nhờ việc so sánh tương quan giữa tín hiệu thu được với hình mẫu đã biết trước [16],[34], [47], [53], [66]

13

H Tang [53] chỉ ra rằng, so với nhận dạng bằng năng lượng, nhận dạng dựa trên dạng sóng có độ tin cậy cao hơn và thời gian nhận dạng nhanh hơn, đặc biệt là khi hệ thống biết chi tiết về định dạng sóng phía phát thì độ tin cậy càng cao

1.2.1.4 Phát hiện tín hiệu qua phép lọc hòa hợp (Matched Filtering)

Lọc hòa hợp so sánh tương quan giữa tín hiệu đã biết với tín hiệu thu được để phát hiện ra có tín hiệu PU hay không Theo B Wang [60], trong trường hợp biết trước đặc điểm phổ của tín hiệu cần phát hiện (kiểu điều chế, dạng xung, định dạng gói, .), thì phương pháp phát hiện qua phép lọc hòa hợp là đáng được xem xét nhất

Ưu điểm của lọc hòa hợp là thời gian để thực hiện việc dò tín hiệu ngắn do nó cần ít hơn các mẫu tín hiệu

Tuy nhiên, số lượng mẫu tín hiệu sẽ tăng nếu SNR giảm, dẫn đến tồn tại tường chắn SNR cho mỗi dàn lọc [50],[51] Mức tiêu hao công suất và độ phức tạp thực hiện cao do lọc hòa hợp cần các bộ thu cho tất cả các dạng tín hiệu và các giải thuật thu tương ứng Ngoài ra, nó còn cần thông tin chuẩn xác về tín hiệu PU như tần số hoạt động, băng thông, kiểu điều chế, dạng xung, định dạng gói tin,…thông tin không chính xác thì sẽ làm giảm chất lượng dò tín hiệu đi rất nhiều

1.2.1.5 Kỹ thuật nhận dạng phân tán, nhận dạng ngoài

Nhận dạng phân tán (distributed sensing)

Nhận dạng phân tán hợp tác là nhận dạng trong đó người dùng thứ cấp trực tiếp trao đổi với nhau kết quả phát hiện của mình, không cần gửi thông tin từ thiết

bị đến bộ điều khiển trung tâm

N Ahmed [1] đề xuất giải pháp nhận dạng phân tán, với kết quả là độ phức tạp tính toán thấp Giải thuật hợp tác phân tán được G.Ganesan đề xuất trong [17],

14

theo đó sự hợp tác được thực hiện giữa 2 người dùng CRS, người nằm gần PU hơn (có khả năng phát hiện tín hiệu PU tốt hơn) sẽ hợp tác với người dùng nằm ở xa

A Ghasemi đề xuất [19] giải pháp người dùng CRS chia sẻ thông tin với nhau

và chỉ có quyết định cuối mới được chia sẻ để giảm tải cho hệ thống Kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng nhận dạng được nâng cao đáng kể

Tương tự, S Shankar [48] đề xuất một mạng riêng chỉ gồm các thành phần nhận dạng phổ tần được sử dụng để nhận dạng liên tục hoặc theo chu kỳ Kết quả được gửi tới nút trung tâm để xử lý và chia sẻ kết quả cho các thiết bị CRS

1.2.1.6 Một số kỹ thuật nhận dạng tín hiệu khác

Giải thuật dự báo phổ đa đoạn giảm dần được đề xuất trong [21] Giải thuật này gần giống như bộ dự đoán mật độ phổ công suất và đối với các tín hiệu băng rộng, nó gần như là tối ưu

Phương pháp biến đổi Hough ngẫu nhiên của K Challapali [11] nhận dạng sự

có mặt của các xung radar Phương pháp này có thể áp dụng được để phát hiện bất

kỳ kiểu tín hiệu nào có dạng tuần hoàn

Khambeka [27] đề xuất phương pháp nhận dạng trong đó sử dụng một phần khoảng bảo vệ ký hiệu OFDM ở phía phát

15

Phương pháp được Y Zeng đề xuất trong [69] lại dựa trên sự khác biệt về hiệp phương sai thống kê (statistical covariance) giữa tín hiệu và nhiễu, hiệu quả

để phát hiện tín hiệu truyền hình số mặt đất DTV

Kỹ thuật Wavelets được Z Tian đề xuất trong [55] để phát hiện các biên mật

độ phổ công suất kênh băng rộng Khi phát hiện ra các biên của phổ, các mức công suất giữa các biên sẽ được ước tính Dựa trên thông tin về công suất và các biên thu nhận được, hệ thống có thể dựng được bức tranh về phần băng tần nào đang được sử dụng, phần nào đang còn trống Tuy nhiên, để khả thi về mặt thực tế, các giả thiết trong phương pháp này cần được nới lỏng [66], [67]

Z Tian trong [54] đã mở rộng phương pháp Wavelets được đề xuất trong [55] bằng sử dụng lấy mẫu cận Nyquist Khi phổ tần mà tín hiệu chiếm dụng là không liên tục, sử dụng lấy mẫu cận Nyquist có thể thu được thông tin cơ bản về phổ tín hiệu Việc thực hiện bằng kỹ thuật tương tự dựa trên nhận dạng tín hiệu dựa trên biến đổi wavelets được các tác giả Y Youn, H Jeon, J Choi, H Lee đề xuất trong [22], [23], [68] để nhận dạng thô Thực hiện bằng kỹ thuật tương tự giúp giảm công suất tiêu thụ và cho phép hoạt động thời gian thực

P D Phong và các cộng sự [80] đã đề xuất kỹ thuật dò tìm phổ tần không cần CSI cũng như thông tin chính xác về các tham số tín hiệu và nhiễu Đề xuất này được đưa ra từ thực tế là các kỹ thuật dò tìm phổ tần truyền thống sử dụng nhiều anten có nhược điểm là phải biết được thông tin trạng thái kênh để kết hợp với tín hiệu từ mỗi anten, ngoài ra còn cần biết giá trị chính xác của các tham số tín hiệu

và nhiễu

1.2.2 Các nghiên cứu về quản trị phổ tần

Về bản chất, băng tần còn trống để CRS sử dụng có thể nằm trong các băng được cấp phép hay miễn cấp phép, với đặc tính khác nhau, không chỉ thay đổi theo thời gian mà còn có nhiều đặc tính khác như tần số, độ rộng băng

1.2.2.2 Quyết định lựa chọn phổ tần (spectrum decision)

H Zheng [72] đề ra 5 nguyên tắc để quyết định lựa chọn băng tần, trong đó tập trung vào sự công bằng và chi phí Tuy nhiên, phương pháp này lại giả thiết là mọi kênh truyền đều có thông lượng (throughput) như nhau

V Kanodia [56] đề xuất giao thức nhảy kênh tần số cơ hội để tìm kênh có chất lượng tốt, trong đó việc quyết định lựa chọn kênh được dựa trên SNR

1.2.3 Nghiên cứu về phân chia và chia sẻ phổ tần

Các nghiên cứu về chia sẻ tần số có thể phân loại thành 4 nhóm vấn đề [2]: cấu trúc, thói quen phân chia phổ tần, kỹ thuật truy nhập phổ tần và phạm vi

1.2.3.1 Cấu trúc quản lý chia sẻ phổ tần

Về cấu trúc, có thể phân tiếp thành hai loại chia sẻ phổ tần trung tâm và chia

sẻ phổ tần phân tán.Trong cấu trúc chia sẻ phổ tần trung tâm, việc phân bổ phổ tần

và các thủ tục phân bổ được thực hiện bởi bộ điều khiển trung tâm

Với cấu trúc chia sẻ phổ tần theo kiểu phân tán, việc phân bổ phổ tần được thực hiện theo từng vùng và do các nút mạng thực hiện [71] C Peng, H Zheng và

B Y Zhao [42] chỉ ra là cấu trúc chia sẻ phổ tần phân tán gần như phương án chia

sẻ tần số trung tâm, nhưng bị chịu thêm chi phí truyền tin giữa các nút mạng

17

1.2.3.2 Công nghệ truy cập phổ tần

Có 2 phương thức để truy cập phổ tần bởi CRS Phương thức chia sẻ phổ tần che phủ (overlay spectrum sharing) là phương thức các nút của CRS sử dụng một phần phổ tần trống Phương thức chia sẻ phổ tần nền (underlay spectrum sharing)

là phương thức trong đó CRS sử dụng công nghệ trải phổ và tín hiệu của CRS được xem như là tạp âm đối với hế thống có phép

R Etkin [15] chỉ ra là kỹ thuật FDMA là tối ưu khi mức nhiễu giữa người dùng là cao và nên áp dụng phương thức overlay

R Menon [33], Ma [31] đã xem xét 3 kỹ thuật: kỹ thuật trải phổ (trong phương thức chia sẻ phổ tần nền) cần trải công suất phát trên toàn bộ dải phổ như CDMA hay UWB; kỹ thuật tránh nhiễu trong phương thức phổ tần che phủ, trong

đó các nút mạng được yêu cầu lựa chọn các đoạn băng tần sao cho nhiễu tới PU là nhỏ nhất; kỹ thuật hỗn hợp trong đó một nút trải phổ công suất phát trên toàn bộ dải tần và bằng 0 tại các đoạn băng mà PU đang phát

1.3 Bài toán nâng cao dung lƣợng hệ thống CRS

1.3.1 Tổng quan

Nâng cao dung lượng cho hệ thống luôn là một yêu cầu cơ bản đối với mỗi công nghệ vô tuyến, cũng như đối với CRS Do đặc thù của CRS là phải đảm bảo không gây nhiễu cho PU nên bài toán nâng cao dung lượng cho CRS cũng phải được xử lý trong bối cảnh này và đây là chủ đề thu hút được sự quan tâm của nhiều tác giả Tổng hợp các nghiên cứu này được trình bày tại phần tiếp theo

18

CR băng 1

CR băng2

Tần số

CR băngL

Người dùng chính băng 1

Người dùng chính băng2

Người dùng chính băngL

được tích hợp nhiều các hệ thống vô tuyến khác nhau (Wifi, Bluetooth, GSM, 3G, máy thu FM, GPS,…) Trong tương lai có thể nhiều trường hợp các CRS và đầu thu PU cùng tồn tại trong cùng một thiết bị của người sử dụng

Hình 9.1: Các băng tần do các CRS và PU sử dụng

Đối với bài toán dung lượng CRS, giả sử trong trường hợp tổng quát, một hệ

thống PU sử dụng L đoạn phổ tần số có độ rộng B 1 , B 2 , …, B L (Hz) và trong đó có

L đoạn băng tần nằm xen kẽ, được cấp phép cho PU nhưng chưa được sử dụng

Các đoạn băng tần chưa được sử dụng này được CRS tìm và chiếm lấy để sử dụng (Hình 9.1) Như vậy, bài toán mà chúng ta xét ở đây là PU và CRS sử dụng các đoạn băng tần xen kẽ, không chồng lấn nhau

Các đoạn băng tần mà CRS chiếm dùng được CRS chia thành N sóng mang con sử dụng trong hệ thống OFDM, mỗi sóng mang con có độ rộng ∆f Hz

Về khía cạnh nhiễu, các phát xạ ngoài băng của tín hiệu phát OFDM của CRS

là một nguồn nhiễu đối với máy thu PU và ngược lại, phát xạ ngoài băng của tín hiệu phát của PU lại là nguồn nhiễu đối với máy thu CRS Hình 1.2 mô tả nhiễu hai chiều qua lại giữa CRS và PU

19

Hình 9.2: Nhiễu hai chiều qua lại giữa CRS và PU

Để xác định công suất nhiễu, chúng ta cần tính đến các hệ số suy hao (fading

gains): suy hao giữa máy phát CRS và máy thu PU viết tắt là h sp, giữa máy phát PU

và máy thu CRS được ký hiệu là h ps , giữa máy phát CRS và máy thu CRS là h ss

Theo [8], với một phương thức mã hoá lý tưởng, tốc độ truyền dữ liệu R i của

sóng mang thứ i của CRS, với mức công suất phát P i, hệ số suy hao kênh truyền

của tín hiệu OFDM

Công thức (1.1) cho thấy, tốc độ kênh 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

20

CRS Nói cách khác, nhiễu do PU gây ra làm suy giảm chất lượng thu của CRS

1.3.1.2 Nhiễu giữa CRS và PU

Nhiễu từ CRS vào PU:

Đối với CRS dùng OFDM, giả sử tín hiệu truyền trên các sóng mang con là tín hiệu xung Nyquist chuẩn Khi đó, mật độ phổ công suất của sóng mang con này được biểu diễn như sau [8]:

trong đó, P i là công suất phát của sóng mang con OFDM thứ i, T s là độ dài ký hiệu

Công suất nhiễu từ sóng mang con i này vào băng thứ l của PU là tích phân của mật độ phổ công suất của sóng mang con này trong toàn bộ băng l của PU

Mức nhiễu này có thể được biểu diễn như sau [8]:

l il

B d

trong đó, d il là khoảng cách tần số giữa sóng mang con thứ i của CRS với băng thứ

l của PU, B 1 là độ rộng băng thứ l của PU

Nhiễu từ PU vào CRS

Mật độ phổ công suất của tín hiệu PU, sau khi qua bộ chuyển đổi FFT bậc M,

có thể được biểu diễn như sau[8]:

trong đó, d il là khoảng cách phổ giữa sóng mang con thứ l của CRS và băng thứ l

của PU; Δf là độ rộng sóng mang con thứ i của CRS

1.3.1.3.Dung lƣợng của CRS trong điều kiện nhiễu hai chiều

Khi CRS dựa trên OFDM hoạt động với sự hiện diện của các PU, xảy ra nhiễu 2 chiều giữa CRS và PU (từ CRS sang PU và ngược lại) thì tốc độ truyền dẫn tối đa của CRS có thể được thể hiện về mặt toán học, theo [7], như sau:

 

2

2

2 1

1

i

ss N

22

độ rộng phổ tần của một sóng mang con, là hệ số suy hao của kênh giữa các người dùng CRS, là công suất nhiễu từ băng thứ l của PU vào sóng mang con OFDM thứ i của CRS, là công suất nhiễu từ sóng mang con OFDM thứ i vào băng l của PU, P i là công suất phát của sóng mang con OFDM thứ i

Ngoài các điều kiện (1.7) và (1.8), còn có điều kiện tổng công suất P của hệ

thống CRS phải nhỏ hơn hoặc bằng một mức ngưỡng Đó là điều kiện ban đầu khi thiết kế hệ truyền thông vô tuyến Trong bài toán tối ưu, điều kiện tổng công suất này đến sau điều kiện tránh nhiễu sang người dùng cấp phép PU nên không thể hiện rõ trong kết quả trong các chương sau

1.3.2 Các nghiên cứu về nâng cao dung lƣợng hệ thống CR

Như được trình bày trong [6], [7], [8], [9] và phân tích ở trên, dung lượng của một hệ thống CR không chỉ phụ thuộc vào mức công suất phân bổ cho từng sóng mang con mà còn phụ thuộc vào mức nhiễu do các PU gây ra đối với nó Về lý thuyết, khi tăng công suất cho các sóng mang con của CRS có thể nâng cao được tốc độ truyền dẫn của nó, nhưng đồng thời sẽ làm tăng mức nhiễu gây ra cho PU

Vì vậy, mức công suất phân bổ cho các sóng mang con phải được tính sao cho tổng

mức nhiễu do CRS gây ra cho PU không được vượt quá ngưỡng Ith cho trước Nhiễu hai chiều giữa CRS và PU là một nhân tố làm giảm chất lượng của cả CRS

và PU

Nâng cao tốc độ truyền nhưng đồng thời phải giữ mức nhiễu gây ra cho hệ thống PU ở mức chấp nhận được là một bài toán cần được xem xét khi xây dựng CRS

Cho đến thời điểm hiện nay, một số nghiên cứu cũng đã được thực hiện để tìm giải pháp phân bổ công suất cho các sóng mang con OFDM nhằm nâng cao tốc

23

độ truyền của hệ thống Một số nghiên cứu khác theo hướng giảm nhiễu ngoài băng đối với sóng mang con cũng đã được tiến hành Phần tiếp theo sẽ trình bày tóm tắt một số giải pháp đã được đề xuất trong các nghiên cứu trước đây

1.3.2.1 Phương án tối ưu (optimal)

Trong nghiên cứu [7], [8] các tác giả đã chứng minh được rằng, CRS dùng OFDM có thể đạt được tốc độ truyền dẫn cao nhất, trong khi vẫn đảm bảo tổng mức công suất nhiễu gây ra cho PU nằm dưới mức ngưỡng, khi các mức công suất phân bổ cho từng sóng mang con được xác định theo công thức sau:

 

  2

2 1

1max 0,

|

i l

i i

l

J P

h K

l il

B sp

i l s B

s

f d

df

T h

1

L l i

lK

 Phương pháp phân bổ công suất này chỉ ra rằng nên phân bổ công suất cao hơn cho các sóng mang có chất lượng kênh truyền tốt và có khoản cách tần số tới băng tần của PU xa hơn

Áp dụng phương pháp tối ưu, chúng ta có thể tính toán được tốc độ truyền tối

đa trong khi vẫn đảm bảo mức nhiễu mà CRS gây ra cho PU là không cao hơn ngưỡng chấp nhận được Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là độ phức tạp tính toán cao, có thể không khả thi đối với các hệ thống bị giới hạn về công

24

suất hay giới hạn về độ phức tạp như CRS Do đó, chúng ta cần tìm kiếm những giải pháp khác có độ phức tạp tính toán thấp hơn nhưng vẫn cho tốc độ truyền dẫn xấp xỉ so với trường hợp tối ưu

1.3.2.2 Các giải pháp cận tối ƣu (sub-optimal)

a) Giải pháp phân bổ công suất đều (uniform power loading scheme)

Trong phương pháp phân bổ công suất đều, mỗi sóng mang con của CRS đều

được phân bổ một mức công suất P như nhau như sau [8]:

K P

 



b) Phân bố công suất theo hình bậc thang

Tác giả trong [8] đã đề xuất hai giải pháp cận tối ưu, 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 nhằm làm giảm bớt các bước tính toán mức công suất

Chúng ta biết rằng trong thực tế, nhiễu từ nguồn nhiễu tới hệ thống bị nhiễu

sẽ giảm khi khoảng cách về tần số giữa chúng tăng lên Vì vậy, nhằm làm giảm

nhiễu do CRS gây ra cho PU, tác giả đề xuất giải pháp Scheme A, theo đó nên phân

bổ công suất thấp hơn cho các sóng mang con nằm gần băng của PU và phân bổ công suất cao hơn cho các sóng mang con nằm cách xa Nếu CRS nằm gần với chỉ một băng của PU thì các mức công suất được phân bổ cho sóng mang con giống như thang đơn Còn CRS nằm kế bên 2 băng của PU thì khi đó các mức phân bổ cho sóng mang con của nó có hình dạng như thang tự đứng (step ladder)

25

Đối với Scheme A, các tác giả chỉ xem xét tác động của nhiễu lên băng tần

của PU nơi mà CRS gây ra mức nhiễu lớn nhất, hay nói cách khác là băng tần của

PU nằm gần CRS nhất Nếu giả thiết rằng sóng mang con của CRS nằm kề PU

được phân bổ mức công suất P, thì trong Scheme A, đối với các sóng mang con

nằm cách xa dần PU sẽ được phân bổ mức công suất tăng đồng biến Cụ thể, sóng mang con nằm gần PU nhất được phân bổ mức công suất P, thì sóng mang con nằm kế tiếp sẽ được phân bổ mức công suất 2P và cứ lần lượt như vậy

Hình 9.3: Phân bổ công suất theo hình bậc thang [8]

Nếu trong mỗi băng chiếm dùng, CRS có N sóng mang con thì phân bổ công suất của Scheme A được xác lập như sau [8]:

Tần số

CR băng 1

Người dùng chính băng 1

CR băng 2

Người dùng chính băng 2

Người dùng chính băng L

CR băng L

Phân bố công suất

Bước nhảy

A i

2

L N L

27

c) Phân bổ công suất nghịch đảo theo mức nhiễu (scheme B)

Trong Scheme A, với “bậc thang công suất” thì mức chênh lệch công suất phân bổ cho 2 sóng mang con nằm kề nhau luôn không đổi là P Khác với Scheme

A, trong Scheme B bước nhảy công suất giữa 2 bậc thang liền kề không còn là một

hằng số P mà được tính toán phụ thuộc vào khoảng cách phổ tần từ sóng mang con

tới PU Bước nhảy này tỷ lệ nghịch với [8] Điều này có nghĩa là các sóng mang con càng nằm cách xa PU, bước nhảy công suất giữa 2 mức liền kề càng lớn

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

này được xác định như sau [8]:

I P

N K



d) Phân bố công suất theo hàm mũ

Giải pháp phân bố công suất cho các sóng mang con theo hàm mũ (exponential power distribution), Scheme C và Scheme D, được tác giả N.V Vinh

đề xuất [57] Về cơ bản, giải pháp này phát triển từ các giải pháp phân bổ công suất theo bậc thang (Scheme A) và nghịch đảo theo nhiễu (Scheme B)

Trong Scheme C, công suất 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 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 i 3

Kết quả mô phỏng cho thấy dung lượng hệ thống của CRS khi sử dụng Scheme C và D cho kết quả tốt hơn so với Scheme A và B, trong đó Scheme D cho kết quả tốt hơn Scheme B và tiệm cận với kết quả trường hợp tối ưu