ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
LÊ VĂN TUẤN
NÂNG CAO DUNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN CÓ NHẬN THỨC DỰA TRÊN OFDM
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62.52.70.05
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG
Hà Nội – 2017
-
Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THÀNH HIẾU PGS. TS. NGUYỄN VIẾT KÍNH
Phản biện 1: ...
Phản biện 2: ...
Phản biện 3: ...
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại ...
vào hồi giờ ngày tháng năm
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội
1
MỞ ĐẦU Tổng quan
Vô tuyến có nhận thức (CR) được xem là một hướng đi nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên tần số thông qua việc tận dụng các phần băng tần đã cấp cho hệ thống chính (PU) nhưng ít được sử dụng.Kỹ thuật OFDM được thừa nhận rộng rãi để dùng cho hệ thống vô tuyến có nhận thức (CRS).
Bài toán đặt ra
Do sử dụng băng tần của PU nên CRS không được phép gây ra mức nhiễucho PU cao hơn ngưỡng Ith. Vậy làm thế nào để nâng cao dung lượng truyền của CRS trong điều kiện này, trong khi giữ độ phức tạp tính toán thấp để phù hợp với CRS?
Hướng nghiên cứu của nghiên cứu sinh
Giải pháp sử dụng kỹ thuật cửa sổ (windowing) được xem xét để hạn chế mức phát xạ ngoài băng (mức nhiễu sang PU) của các sóng mang con OFDM, từ đó tăng công suất phát để tăng dung lượng truyền cho CRS. Bên cạnh đó, giải pháp phân bổ công suất cho sóng mang con cũng được nghiên cứu để làm giảm độ phức tạp tính toán.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp kết hợp giải tích với mô phỏng Monte-Carlo sử dụng máy tính được sử dụng phục vụ nghiên cứu trong luận án.
Các đóng góp
Các kết quả nghiên cứu trong luận án (nằm trong các chương 2,3 và 4) đã đạt mục đích đề ra, bao gồm: (i) Đề xuất áp dụng cửa sổ Turkey cho CRS đơn người dùng dựa trên OFDM; (ii) Đề xuất giải thuật Full-filling cho phân bổ công suất sóng mang con nhằm làm giảm độ phức tạp tính toán; (iii) Đề xuất áp dụng cửa sổ Turkey cho
2
CRS đa người dùng dựa trên OFDM; (iv) Đề xuất giải thuật phân bổ sóng mang con Q-IIA cho CRS đa người dùng.
Bố cục luận án
Bố cục luận án gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận.
Chương 1 là tổng quan về vô tuyến có nhận thức và giới thiệu bài toán nâng cao dung lượng trong điều kiện có giới hạn về nhiễu cho PU. Chương 2 đề xuất áp dụng kỹ thuật cửa sổ Turkey, vốn đang được sử dụng phổ biến cho WLAN 802.11, cho CRS. Chương 3 đề xuất giải thuật Full-filling trong phân bổ công suất sóng mang con của CRS nhằm làm giảm độ phức tạp tính toán. Chương 4 cải tiến giải pháp phân chia nghịch đảo theo nhiễu (IIA) và đề xuất giải pháp phân bổ sóng mang con Q-IIA cho mỗi người dùng CRS.
3
Chương 1: Tổng quan về vô tuyến có nhận thức và bài toán nâng cao dung lượng
Tổng quan về hệ thống thông tin có nhận thức
Hệ thống thông tin có nhận thức (CRS) được hình thành dựa trên nhu cầu khai thác, tận dụng các khoảng trống tần số - phần phổ tần được ấn định cho một người sử dụng chính (PU) nhưng không được sử dụng tại một địađiểm và trong khoảng thời gian xác định.
Các đặc tính cơ bản của CRS bao gồm khả năng có nhận thức (nhận biết được môi trường vô tuyến xung quanh để phát hiện ra các khoảng trống tần số và để xác lập được các tham số hoạt động tốt nhất), khả năng cấu hình lại (tự lập trình lại một cách linh hoạt, phù hợp với điều kiện môi trường xung quanh). Ngoài ra, CRS khi hoạt động phải đảm bảo không được gây ra mức nhiễu cao quá ngưỡng cho phép đối với người sử dụng chính.
Về ứng dụng, vô tuyến có nhận thức (CR) dự báo sẽ được ứng dụng trong nhiều hệ thống vô tuyến trong tương lai. Hiện IEEE đã xây dựng hai bộ tiêu chuẩn 802.22,802.11afcó sử dụng CR. Chuẩn 802.22 cho mạng WRAN, được thông qua vào tháng 7 năm 2011.
Chuẩn 802.11af(“White-Fi”, “Super-Fi”) là một tiêu chuẩn trong họ 802.11 về WLAN, được thông qua vào tháng 2 năm 2014. Khác với chuẩn 802.22 sử dụng OFDMA, chuẩn 802.11af sử dụng OFDM.
1.2. Một số hướng nghiên cứu chính về vô tuyến có nhận thức Vô tuyến có nhận thức là công nghệ mới đang trong quá trình hình thành và hoàn thiện nêncòn có hàng loạt thách thức, bài toán đặt ra để nghiên cứu. Trong đó, kỹ thuật nhận dạng phổ tần, giải pháp nhằm giảm nhiễu giữa các sóng mang con và nhiễu từ CRS sang PU
4
là chủ đề thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều tác giả.
Bên cạnh đó, bài toán nâng cao dung lượng của CRS là chủ đề thu hút được sự quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây.
Luận án đã tổng hợp, tóm tắt một số nghiên cứu về nhận dạng phổ tần (nhận dạng dựa trên phát hiện năng lượng tín hiệu, nhận dạng qua đặc tính dừng vòng của tín hiệu, dựa trên dạng sóng, nhận dạng qua lọc hòa hợp, nhận dạng phân tán, nhận dạng ngoài); Quản trị phổ tần; Phân chia và chia sẻ phổ tần.
1.3. Bài toán nâng cao dung lượng CRS 1.3.1. Tổng quan
Với bài toán dung lượng CRS, luận án nghiên cứu trường hợp tổng quát, trong đó có một hệ thống PU sử dụng L đoạn phổ tần số có độ rộng B1, B2, …BL (Hz) và có L đoạn băng tần nằm xen kẽ chưa được sử dụng nên CRS tìm thấychiếm dụng và chia thành N sóng mang con OFDM, mỗi sóng mang con có độ rộng ∆Hz.
Hình 1.1: Nhiễu hai chiều qua lại giữa CR và PU
Về khía cạnh nhiễu, tín hiệu phát OFDM của CRS là một nguồn nhiễu đối với máy thu PU và ngược lại như biểu diễn ở hình 1.2, trong đó hệ số suy hao giữa máy phát CRS và máy thu PU viết
5
tắt là hsp, giữa máy phát PU và máy thu CR viết tắt là hps, giữa máy phát CR và máy thu CR là hss.
Trong CRS hoạt động với sự hiện diện của các PU, tốc độ truyền dẫn tối đa của CRS như sau:
2
2 2
1 1
max log 1
i
N ss
i i
L l
P i l i
h P
C f
J
(1.1) với điều kiện:
th
1 1
,
L N
l
i il i
l i
I d P I
(1.2)và Pi 0 i 1, 2,...,N (1.3)
Trong đó, C là dung lượng của CRS, N là tổng số các sóng mang con OFDM của CRS, Ith là mức nhiễu tối đa mà PU có thể chấp nhận được từ CRS, là nhiễu Gauss, ∆f là độ rộng phổ tần của một sóng mang con, là hệ số suy hao của kênh giữa các người dùng CR, là nhiễu từ băng thứ l của PU vào sóng mang con OFDM thứ i của CRS, là nhiễu từ sóng mang con thứ i vào băng l của PU, Pi là công suất phát của sóng mang con thứ i.
Công thức (1.1) cho thấy, tốc độ truyền phụ thuộc không chỉ vào công suất phát Pi mà còn vào cả mức nhiễu do máy phát PU gây ra tại phía thu của CRS.
1.3.2. Các nghiên cứu về nâng cao dung lượng CRS
Trong bài toán nâng cao dung lượng CRS, một số nghiên cứu trước đây đã đưa ra phương án phân bổ công suất tối ưu, một số phương án phân bổ công suất cận tối ưu.
Với phân bổ công suất tối ưu, CRS dùng OFDM đạt được tốc độ truyền dẫn cao nhất, trong khi vẫn đảm bảo tổng mức công suất
6
nhiễu gây ra cho PU ≤ Ith, khi công suất phân bổ cho từng sóng mang con được xác định theo công thức sau:
2
* 1
2 1
max 0, 1
|
L l
l i
i L l ss
i i l
P J
K h
(1.4)
Nhược điểm của phân bổ công suất tối ưu là độ phức tạp tính toán cao, khó khả thi cho hệ thống bị giới hạn về công suất hay về độ phức tạp như CRS. Một số giải pháp cận tối ưu đã được đề xuất:
- Phân bổ đều công suất, các sóng mang con đều được phân bổ một mức công suất P như nhau:
1 1
U th
i N L l
i i
i l
P I
K P
(1.5)
- Phân bổ công suất theo hình bậc thang với hai giải pháp Scheme A và Scheme B, dựa trên ý tưởng phân bổ công suất tỷ lệ nghịch với mức nhiễu do sóng mang con CRS gây ra cho PU. Đối với Scheme A, sóng mang con của CRS nằm kề PU được phân bổ mức công suất P, thì các sóng mang con nằm cách xa dần PU sẽ được phân bổ mức công suất tăng đồng biến 2P, 3P,...
Trong Scheme B bước nhảy công suất giữa 2 bậc thang liền kề được xác lập theo hướng càng nằm cách xa PU, bước nhảy càng lớn.
Mức công suất phân bổ cho sóng mang con thứ i của CRS trong phương án này được xác định như sau:
th
1 B
i L l
l i
P I
N K
(1.6)
Giải pháp phân bố công suất theo hàm mũ (Scheme C và D), phát triển từ Scheme A và Scheme B. Trong Scheme C, công suất
7
nhiễu Ith được phân chia đều cho từng sóng mang con CRS, công suất tối đa mà sóng mang con thứ ith được phân bổ là PCi = p x i1.5 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, PCi = p x i3.
Hình 1.2: Phân bổ công suất theo hình bậc thang
Một số nghiên cứu ảnh hưởng của tắt (nulling) sóng mang con để giảm nhiễu cho thấy khi CRS tắt các sóng mang con nằm kề ngay các băng của PU,hiệu quả giảm nhiễu tốt.
Cũng có thể dùnggiải thuật Max-Min để phân bổ bit cho từng cặp sóng mang con/trạm gốc CRS để đạt hiệu quả về dung lượng.
Kết quả mô phỏng, CRS đạt được tốc độ dữ liệu gần mức giới hạn trên của trường hợp tối ưu (sự khác biệt nhỏ hơn 5%).
Giải thuật phân bổ phổ tần số cho người dùng CRS dựa trên kết quả giám sát nền nhiễu tạp âm và mức nhiễu do PU tạo ra, từ đó tính mức công suất tối đa có thể phân bổ trên kênh truyền được đề xuất gần đây. Bằng cách đó hệ thống sẽ xác định tất cả các đường truyền tiềm năng giữa các người dùng CRS để tối ưu hóa dung lượng của hệ thống trong khi vẫn đảm bảo ngưỡng bảo vệ Ith cho PU.
8
Chương 2: Giải pháp nâng cao dung lượng CR bằng kỹ thuật windowing
2.1. Đặt vấn đề
Theo (1.1), dung lượng C của CRS tăng tỷ lệ thuận với công suất sóng mang con Pi nhưng Pităng thì nhiễu từ CRS sang PU sẽ tăng do công suất búp phụ (sidelobe) của sóng mang con sẽ tăng. Vì vậy, cần giải pháp giảm búp phụ từ CRS sang PU, để có thể tăng Pi
qua đó tăng C. Một trong các kỹ thuật để làm giảm công suất búp phụ là kỹ thuật cửa sổ lọc(windowing). Kỹ thuật này hiện được dùng phổ biến trong WLAN chuẩn 802.11 cũng dựa trên OFDM.
Vì lý do nêu trên, nghiên cứu sinh đã lựa chọn kỹ thuật windowing trong nghiên cứu, đề xuất cho bài toán nâng cao dung lượng của CRS dựa trên OFDM.
2.2. Hiện tượng dò phổ tín hiệu trong quá trình FFT, DFT
Tín hiệu OFDM có mức phát xạ ngoài băng cao là do búp phụ cao được tạo ra trong quá trình xử lý lấy mẫu tín hiệu trong miền thời gian làm cho tín hiệu không liên tục và khác so với ban đầu, qua biến đổi DFT sang miền tần số sẽ tạo một dải tần số rộng, làm cho phổ của tín hiệu sau FFT bị kéo rộng, tạo ra hiệu tượng dò phổ tần làm giảm SNR, đồng thời tăng gây nhiễu cho các băng tần liền kề.
Hình 2.1 mô tả sự khác biệt giữa tín hiệu gốc (tín hiệu sin) và tín hiệu mà DFT sử dụng cho phép biến đổi của mình. Phổ của tín hiệu sin chuẩn này là 1 vạch tần số trong miền tần số. Tuy nhiên, khi qua biến đổi DFT, do tính không liên tục của tín hiệu trong miền thời gian nên biến đổi qua miền tần số sẽ tạo ra một phổ gồm 1 chuỗi các tần số (hiện tượng dò phổ tần).
9
2.3. Sử dụng kỹ thuật windowing cho hệ thống dựa trên OFDM Để giảm hiện tượng dò phổ của tín hiệu, cần làm giảm độ không liên tục của tín hiệu tại mỗi cuối chu kỳ đo lấy mẫu. Việc này có thể thực hiện bằng cách nhân tín hiệu trong khoảng thời gian đo lấy mẫu với một hàm làm cho tín hiệu từ từ tiến về giá trị 0 tại cuối thời gian đo lấy mẫu. Quá trình nhân với hàm này được gọi là lấy cửa sổ (windowing), còn hàm nhân được gọi là hàm “cửa sổ”. Phổ tín hiệu sau khi windowing là tích chập của phổ tần số của hàm window với phổ của tín hiệu đầu vào.
Hình 2.1: sự khác biệt của tín
hiệu qua FF Hình 2.2: Sử dụng window cosin nâng để ghép nối ký tự Kỹ thuật windowing từ rất lâu đã được các tác giả đề xuất áp dụngcho các hệ thống OFDM. Hình 2.2 mô tả tác dụng của windowing trong việc “làm trơn” tín hiệu trong hệ thống WLAN 802.11 để giảm hiện tượng dò tần số.
2.2. Một số kỹ thuật windowing sử dụng cho OFDM
10
Luận án trình bày một số cửa sổ phổ biến như cửa sổ chữ nhật, Hanning.Trong WLAN 802.11, cửa sổ được sử dụng là Tukey. Vì lẽ đó, Tukey cũng là cửa sổ được lựa chọn để nghiên cứu trong luận án.
2.3. Đề xuất sử dụng kỹ thuật windowing cho bài toán nâng cao dung lượng CRS
2.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của windowing tới bài toán phân bổ công suất
Để đánh giá ảnh hưởng, mô phỏng được thực hiện với PU là truyền hình số DVB-T, CRS có 20 sóng mang con ∆f = 0,3125;Ts = 4 μs, σ2 = 10-3 mW, công suất tín hiệu PU: PPu = 10 mW.
Kết quả mô phỏng cho phân bố công suất sóng mang con của CRS như hình 2.3 (trường hợp phân bổ công suất tối ưu), hình 2.4 (có windowing), hình 2.5 (windowing với Ith khác nhau) và tốc độ của CRS như hình 2.6 (window có độ số uốn = 0,3 và = 0,6).
Hình 2.3: phân bổ công suất sóng mang con CRS khi chưa áp dụng
windowing
Hình 2.4: phân bổ công suất sóng mang con CRS khi áp
dụng windowing
11
(a) (b)
Hình 2.5: Phân bổ công suất sóng mang con CRS với trường hợp Ith = σ2 (hình a) và = 5σ2 ( hình b)
(a) (b)
Hình 2.6: tốc độ CRS khi có và không có window, hệ số uốn = 0,3 (hình a) và = 0,6 (hình b)
2.3.2. Nhận xét
Về tốc độ truyền của CRS:
Tốc độ truyền của CRS tăng lên đáng kể, từ 28 Mbps lên 40 Mbps(với α=0.3, Ith =σ2), khi áp dụng windowing. Điều này là do cửa sổ giúp làm giảm phát xạ không mong muốn của các sóng mang con CRS, tức làm giảm nhiễu từ CRS sang PU, qua đó giúp CR tăng được công suất phát và tăng được tốc độ truyền dẫn của mình.
Từ hình 2.5, 2.6, khi điều kiện về nhiễu được nới lỏng (Ith cao hơn), CRS sẽ đạt tốc độ truyền cao hơn và ngược lại. Điều này có thể giải thích khi Ith tăng, tức là PU chấp nhận được mức nhiễu cao hơn,
12
nên công suất phân bổ cho các sóng mang con của CRS có thể tăng lên, qua đó làm tăng tốc độ truyền của CRS.
Từ hình 2.6, khi hệ số uốn lớn hơn thì tốc độ truyền CRS cao hơn và ngược lại. Khi hệ số uốn càng cao thì mức phát xạ không mong muốn càng giảm, tức là mức gây nhiễu cho PU càng thấp, CRS có thể phát công suất lớn hơn,làm cho tốc độ truyền cao hơn. Ngược lại khi hệ số uốn bằng 0, tương đương với trường hợp không áp dụng kỹ thuật windowing, thì mức nhiễu là lớn nhất. Tuy nhiên, khi hệ số uốn tăng, thì sẽ kéo theo kéo dài ký tự trong miền thời gian. Trong thực tế, giá trị của hệ số uốn nằm trong khoảng 0-0,3.
Về phân bố mức công suất cho các sóng mang con của CRS:
Các sóng mang con có tần số nằm càng nằm gần tần số của PU thì có mức công suất càng thấp, có khoảng cách tần số càng xa PU thì càng được phân bổ công suất cao, nhiều sóng mang con còn được phân bổ mức công suất tối đa.
Kỹ thuật windowing có tác động rõ rệt lên mức công suất phân bổ cho từng sóng mang con, công suất phát của các sóng mang con tăng lên đáng kể so với khi không sử dụng windowing (hình 2.3), các sóng mang con nằm xa PU (≥ 7 ∆f) đều được phân bổ mức công suất tối đa mà CRS có thể phân bổ.
Khi Ith tăng lên (hình 2.5), mức công suất của các sóng mang con của CRS cũng tăng lên.Khi sử dụng windowing, với Ith= 5σ2và Ith= σ2 thì 8 sóng mang con có vị trí số 7-14 đều có mức công suất phân bổ tối đa. Điều này có nghĩa là mức nhiễu mà 8 sóng mang con này gây ra là không đáng kể với PU. Như vậy, với Ith và băng thông B xác định, chúng ta có thể xác định trước được các sóng mang có có
13
thể được phân bổ mức công suất tối đa mà không cần phải dùng phép toán tối ưu hóa công suất để tính toán, giảm độ phức tạp tính toán.
Trường hợp sử dụng windowing, một số lượng đáng kể sóng mang con được phân bổ mức công suất tối đa (mức công suất đã biết trước),chỉ một số ít các sóng mang con nằm gần PU có mức công suất nhỏ hơn công suất tối đa.Điều này dẫn đến logic là khi áp dụng kỹ thuật windowing, chúng ta có thể không cần phải tính toán mức công suất cần phân bổ cho các sóng mang con của CRS nằm xa PU mà có thể phân bổ ngay mức công suất tối đa cho chúng.
Như vậy, kỹ thuật windowing không chỉ giúp làm tăng tốc độ truyền của CRS mà còn mở ra cơ hội làm cho bài toán phân bổ công suất sóng mang con trở nên đơn giản hơn, độ phức tạp tính toán giảm xuống. Cụ thể là 8/20 ( tương đương 40%) số sóng mang con như trong mô phỏng có thể phân bổ công suất tối đa ngay mà không cần phải thực hiện phép tính tối ưu.
14
Chương 3. Nâng cao dung lượng bằng giải thuật Full-Filling 3.1. Giải thuật Full-filling
Trên cơ sở nhận xét từ chương 2, nghiên cứu sinh đề xuất hai giải thuật cận tối ưu với tên gọi chung là Full-Filling. Nội dung của giải thuật là tìm số lượng lớn nhất các sóng mang con đểphân bổ ngay mức công suất tối đa trong khi vẫn đảm bảo tổng mức nhiễu do các sóng mang con CRS gây ra ≤ Ith. Mục đích của giải thuật này là làm giảm số lượng các sóng mang con cần tính toán phân bổ tối ưu công suất(vốn là phép tính phức tạp), qua đó làm giảm độ phức tạp tính toán, trong khi CRS vẫn đạt dung lượng truyền tốt.
Hai giải thuật riêng rẽ được đề xuất trong Full-Filling (FF) là Max Filling Range (MFR) và Pre-set Filling Range (PFR).
3.1.1. Giải thuật Max Filling Range
Trong MFR, có hai cách để xác định số sóng mang con có thể phân bổ mức công suất tối đa:
- Cách 1: tắt hết các sóng mang con (đặt Pi= 0), sau đó bật sóng mang con có khoảng cách tần số lớn nhất tới PU bằng cách phân bổ mức công suất tối đa Pi = Pmax. Nếu mức nhiễu do các sóng mang con này gây ra cho PU vẫn ≤Ith thì tiếp tục bật sóng mang con nằm kế tiếp bằng cách phân bổ mức công suất Pmax cho chúng, lại kiểm tra mức nhiễu gây cho PU. Quá trình này được tiếp tục lặp đi lặp lại cho đến khi mức nhiễu do các sóng mang con gây ra vượt qua mức ngưỡng Ith của PU thì ngừng lại.
- Cách 2: thay vì tắt hết các sóng mang con như cách 1 thì chúng ta lại phân bổ mức công suất tối đa ngay cho toàn bộ sóng mang con của CRS. Bước 2 thực hiện kiểm tra điều kiện về tổng mức nhiễu các sóng mang con gây cho PU, tổng nhiễu lớn hơn Ith thì
15
ta lại tắt bớt đi một sóng mang con có khoảng cách tần số so với PU là nhỏ nhất và lại quay lại kiểm tra tổng mức nhiễu. Chu trình được lặp lại đến khi điều kiện về nhiễu thoả mãn thì ta thu được tổng số sóng mang con được phân bổ mức công suất tối đa.
Nếu tổng nhiễu <Ith, nhưng không thể phân bổ thêm 1 sóng mang con có công suất cực đại thì chúng ta có thể tiếp tục tính toán tối ưu mức công suất có thể phân bổ cho các sóng mang con còn lại.
3.1.2. Giải thuật Pre-set Filling Range -PFR
Từ nhận xét ở Chương 2, nếu biết trước về PU, Ith và độ rộng phổ tần mà CRS chiếm dùng thì ta có thể xác định trước một số các sóng mang sẽ được phân bổ mức công suất tối đa, các sóng mang còn lại sẽ được tính toán tối ưu để tìm ra mức công suất cần phân bổ.Vì đã xác định và biết trước các sóng mang được phân bổ công suất tối đa nên giải thuật này được gọi là Pre-set Filling Range.
Giải thuật này bao gồm hai bước: Bước 1, xác định các sóng mang con được phân bổ công suất tối đa; Bước 2: tính toán mức công suất tối tưu sẽ phân bổ cho các sóng mang còn lại trên cơ sở đảm bảo tổng nhiễu tới PU từ CRS thỏa mãn ≤ Ith. Dung lượng truyền của hệ thống được tính trên cơ sở mức công suất đã được phân bổ cho các sóng mang con.
3.2. Kết quả mô phỏng
Việc mô phỏng được thực hiện với trường hợp CRS nằm giữa 2 hệ thống PU có băng thông như nhau. CRS có 20 sóng mang con
∆f = 0.3125 MHz, độ dài ký hiệu Ts = 4μs, Nhiễu nền σ2= 10-3W.
Các kênh hi ss, hl
sp, hl
ps giả thiết là suy hao Rayleigh có độ lợi kênh trung bình là 10 dB. Thông tin về kênh truyền (CSI) giả thiết là biết tại phía thu của CRS.
16
3.1.1. Phân bổ mức công suất cho các sóng mang con
Hình 3.2, hình 3.3 là công suất trung bình của các sóng mang con CRS cho 10.000 lần truyền đối với thuật toán MFR, PFR. Phân bố này có dáng tương tự như trường hợp phân bổ tối ưu (hình 3.1).
Từ hình 3.2, hình 3.3 có thể thấy, như đã phân tích ở Chương 2, số lượng sóng mang con được phân bổ công suất cực đại trong cả 2 trường hợp áp dụng PFR và MFR đều là 8 trên tổng số 20 và vị trí của chúng là nằm giữa của CRS. Vì vậy, đối với một số trường hợp đặc biệt khi băng thông CRS chiếm dụng là cố định (ví dụ 8 MHz), Ith đã biết thì chúng ta có thể sử dụng PFR. Tuy nhiên, so với PFR, MFR có ưu điểm là có thể áp dụng tổng quát cho mọi trường hợp.
3.2.2. Dung lượng truyền của CRS
Dung lượng CRS khi áp dụng Full-Filling được so sánh với các trường hợp phân bổ tối ưu, phân bổ đều công suất, phân bổ tỷ lệ nghịch với nhiễu, có hoặc không có windowing (hình 3.4).
Từ kết quả mô phỏng này chúng ta có thể thấy:
Khi không áp dụng windowing, tốc độ truyền của CRS là thấp nhất. Windowing đã giúp nâng cao đáng kể tốc độ truyền của CRS.
Ví dụ, với Scheme B thì tốc độ truyền của CRS chỉ đạt 1,2 x 107 bps tại Ith= 2 nhưng khi áp dụng windowing, tốc độ truyền của CRS được nâng lên tới 4,7 x107 bps. Khi áp dụng kỹ thuật Full-filling thì sự chênh lệch đối với phân bổ tối ưu gần như không còn với Ith ≥ 0,6 2. Khi ngưỡng chịu nhiễu Ith của PU nhỏ đi, dung lượng của CRS giảm nhẹ, khoảng 0,1 x 107 bit/s (2%) so với trường hợp tối ưu (hình 3.5).
Đối với các trường hợp có áp dụng windowing (hình 3.4), thì kỹ thuật phân bổ công suất đều (uniform) là cho kết quả thấp nhất.
17
Scheme B của Basal cho kết quả tốt hơn nhưng vẫn kém so với giải pháp full-filling.
Hình 3.1: Phân bổ công suất trong trường hợp tối ưu
(Ith= 5 2)
Hình 3.2:Phân bổ công suất trung bình theo thuật toán MFR, Ith= 2
Hình 3.3: phân bổ công suất đối với
trường hợp PFR (Ith=5 2)
Hình 3.4: Tốc độ truyền của CRS khi
ngưỡng chịu nhiễu của PU cao
Hình 3.5: Tốc độ truyền CR khi ngưỡng chịu nhiễu Ith
của PU thấp
Hình 3.6: Tốc độ truyền của CRS (α= 0.2, 0.35, 0.5,
0.7)
Như đã trình bày ở chương 2, hệ số uốn α có tác động quan trọng đến mức nhiễu ngoài băng mà sóng mang gây ra cho PU. Hình 3.5, cũng đã chứng minh điều này.Tuy nhiên, khi α tăng thì sẽ kéo dài chu kỳ ký tự trong miền thời gian. Do vậy, hệ số uốn thực tế được lựa chọn với giá trị trong khoảng 0-0,3.
18
3.2.3. Độ phức tạp tính toán khi áp dụng Full-filling
Hình 3.7 là số lượng các sóng mang con cần phải phân bổ công suất khi dùng Full-filling khikhông và có áp dụng windowing.Ta thấy, nếu không áp dụng windowing thì thuật toán Full-filling không được hiệu quả. Số lượng biến giảm từ 20 xuống 19 và 18 sóng mang con khi Ith= 5,3 2 và 8,4 2.Khi áp dụng windowing thì số lượng biến và độ phức tạp tính toán giảm một cách nhanh chóng. Ví dụ, với Ith= 0,1 2 thì khi kết hợp full-filling với windowing có hệ số uốn a = 0,2 thì số lượng biến giảm từ 20 xuống chỉ còn 11, độ phức tạp tính toán giảm từ 26 xuống còn 11,5. Khi ngưỡng chịu nhiễu Ith của PU tăng lên, Ith ≥ 1,1 2, nếu kết hợp giữa full-filling và windowing, thì số lượng biến chỉ còn là 4, độ phức tạp tính toán tương ứng là 2,4 với các hệ số uốn được khảo sát, giảm tới 80% so với số biến ban đầu.
Hình 3.7: Số lượng biến trong các kỹ thuật phân bổ công suất Nếu nhiễu do các sóng mang con được phân bổ công suất tối đa tạo ra chiếm tỷ lệ lớn, xấp xỉ Ith, thì có thể bỏ qua việc tính toán công suất tối ưu cho các sóng mang còn lại. Khi đó, bài toán trở về như phân bổ công suất đều, chỉ có khác là chúng ta chỉ phân bổ đều
19
công suất tối đa cho một số, chứ không phải cho tất cả các sóng mang con và số sóng mang còn lại không được phân bổ công suất.
Hình 3.8: Số sóng mang con cần phân bổ tối ưu công suất khi băng thông CRS thay đổi
Để tổng quát hơn, nghiên cứu sinh đã xem xét mức độ phức tạp tính toán khi áp dụng giải thuật Full-filling kết hợp với windowing trong trường hợp số lượng sóng mang con CRS thay đổi.
Hình 3.8 cho thấy, trường hợp phân bổ tối ưu (water-filling) số lượng sóng mang con cần tính toán phân bổ tối ưu bằng chính số sóng mang con N của nó nên độ phức tạp tính toán NlogN cao nhất.
Khi kết hợp Full-filling với windowing thì số lượng sóng mang con cần phải tính toán phân bổ công suất giảm mạnh và gần như hội tụ, không thay đổi khi băng thông của CRS tăng nên độ phức tạp tính toán không tăng. Như vậy, có thể thấy khi băng thông mà CRS chiếm dùng càng rộng thì hiệu quả giảm độ phức tạp tính toán của giải thuật Full-filling càng cao, đặc biệt là khi sử dụng kết hợp
0 20 40 60 80 100 120
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Số biến cần tinh toán tối ưu công suất
Số sóng mang con của CRS
Số biến cần tối ưu của Water- filling
Số biến tối ưu của FF không windowing
Số biến cần tối ưu của FF với windowing, a=0.2
20
với kỹ thuật windowing. Đây là ưu điểm khác của Full-filling so với các giải pháp cận tối ưu khác.
Chương 4: Nâng cao dung lượng CRS đa người dùng bằng kỹ thuật windowing
4.1. Tổng quan về CRS đa người dùng
Chương 4 nghiên cứu CRS có nhiều người dùng cùng một thời điểm. Khi đó cần xử lý vấn đề phân chia tài nguyên băng thông giữa người dùng. Cơ chế FDMA dùng trong WLAN 802.11 được xem xét cho CRS.
4.2. Nhiễu giữa PU và CR trong CRS đa người dùng
Trong CRS đa người dùng, do các người dùng được phân nhóm sóng mang con khác nhau, không trực giao nên cần tính tới yếu tốnhiễu giữa các người dùng.
4.3. Bài toán nâng cao dung lượng
Đối với bài toán đa người dùng, dung lượng truyền tối đacũng được tính toán tương tự như trường hợp đơn người dùng nhưng có thêm yếu tố nhiễu giữa người dùng và dung lượng CRS là dung lượng tổng của từng người dùng. Để giải quyết bài toán này, chúng ta phải cần giải quyết hai bài toán: phân bổ sóng mang con cho mỗi người dùng và phân bổ công suất cho mỗi sóng mang con.
4.4. Giải pháp phân bổ sóng mang con cho người dùng CRS Giải thuật phân chia sóng mang tỷ lệ nghịch với nhiễu (IIA) đã được đề xuất trong nghiên cứu trước. Tuy nhiên, việc phân chia nghịch đảo với nhiễu Jn do PU gây ra cho CRS là chưa hoàn toàn hợp lý vì Jn là giá trị không biết trước. Việc phân bổ sóng mang con dựa trên phân chia đều về nhiễu cũng dẫn đến người dùng nằm cạnh băng
21
của PU được phân bổ ít sóng mang hơn vì gây nhiễu cao hơn. Ngoài ra, kỹ thuật windowing chưa được đề cập tới trong nghiên cứu này.
Vì vậy, trong chương 4 một số nội dung được đề xuất:
- Cải tiến giải thuật IIA thành IIA-I, trong đó thay vì sử dụng tham số nhiễu J từ PU sang CRS, sử dụng ngưỡng biết trước Ith.
- Đề xuất giải thuật phân chia nghịch đảo với nhiễu có qui chuyển về băng thông chuẩn (Q-IIA), theo đó sau khi tính toán sơ bộ số sóng mang cho từng người dùng, giải thuật sẽ gán về băng thông kênh chuẩncho người dùng đó.
0
ROUND
Q IIA k
k
N f
N B
(0.1) - Đề xuất sử dụng windowing cho CRS đa người dùng.
4.5. Kết quả mô phỏng dung lượng hệ thống CRS đa người dùng Mô phỏng được thực hiện cho các trường hợp:
- Phân chia sóng mang cho mỗi người dùng theo các phương pháp IIA-I, Q-IIA và chia đều (uniform);
- Thực hiện cho trường hợp có và không áp dụng windowing.
Hình 4.1: dung lượng CRS với IIA-I, Q-IIA, phân chia đều,
không windowing
Hình 4.2: dung lượng của CRSvới IIA, Q-IIA và phân chia
đều khi áp dụng windowing Dung lượng truyền của CRS khi sử dụng kỹ thuật IIA-I, Q- IIA, uniform với windowing được biểu diễn tại hình 4.1. Theo đó,
1 2 3 4 5 6 7 8 9
x 10-4 0
5 10 15x 107
Muc nhieu gioi han cho phep
Dung luong kenh bit/s
Q-IIA IIA Uniform
1 2 3 4 5 6 7 8 9
x 10-4 1.34
1.35 1.36 1.37 1.38 1.39x 108
Interference Threshold Level
Capacity bps
22
IIA-I có dung lượng truyền cao nhất, tiếp theo là Q-IIA và kém nhất là uniform. Cụ thể, tại Ith=1mW, IIA cho tốc độ đạt 125 Mbps và Q- IIA đạt 65 Mbps, cao hơn 25% so với 52 Mbps của phân bố đều.
Khi có windowing thì số lượng sóng mang con được phân bổ công suất tối đa tăng, trong khi không sử dụng windowing, các sóng mang nằm gần băng tần của PU và nằm giữa các người dùng CR được phân chia công suất rất nhỏ.
Đối với trường hợp CRS đa người dùng, các sóng mang nằm giữa 2 người dùng CR, dù nằm xa băng của PU, cũng không được phân chia công suất. Điều này được lý giải là do yếu tố nhiễu giữa các người dùng của CRS đa người dùng.
Khi sử dụng windowing, do windowing làm giảm phát xạ phụ của sóng mang con, tức giảm giữa các người dùng, nên CRS có thể phân chia công suất cho các sóng mang con nằm giữa 2 người dùng CR, dẫn đến dung lượng CRS trong trường hợp Q-IIA có áp dụng windowing (hình 4.2) tăng lên lên 134Mbps so với 51 Mbps trường hợp không sử dụng windowing.
Trong trường hợp IIA-I, không sử dụng windowing, băng thông của từng người dùng CR được phân chia trên bài toán tối ưu mà không theo các kênh tiêu chuẩn đã được định nghĩa trước. Q-IIA có ưu điểm sát thực tế vì băng thông của mỗi người dùng CR là các kênh tiêu chuẩn. Tuy nhiên, quá trình quy chuẩn băng thông này làm giảm tác dụng tối ưu hóa của kỹ thuật IIA-I nên dung lượng CRS trong Q-IIA thấp hơn IIA-I trong cả hai trường hợp áp dụng và không áp dụng windowing (hình 4.9).
23
KẾT LUẬN
Luận án đã nghiên cứu tổng quan về vô tuyến có nhận thức, bài toán nâng cao dung lượng (Chương 1); nghiên cứu áp dụng kỹ thuật cửa sổ vào bài toán nâng cao dung lượng hệ thống (Chương 2);
từ đó, nghiên cứu sinh đề xuất giải thuật phân bổ công suất Full- filling cho các sóng mang con của CR (Chương 3). Chương 4, luận án đã mở rộng bài toán nâng cao dung lượng từ hệ thống đơn người dùng trong Chương 2,3 sang bài toán đa người dùng.
A. Các kết quả của luận án
Các kết quả chính đạt được của luận án bao gồm:
1. Đề xuất áp dụng kỹ thuật windowing cho hệ thống vô tuyến có nhận thức dựa trên OFDM. Đề xuất này dựa trên cơ sở: Kỹ thuật này chưa được xem xét trong các nghiên cứu trước; Áp dụng windowing giúp cho tốc độ truyền của vô tuyến có nhận thức tăng lên đáng kể so với khi không sử dụng windowing.
2. Đề xuất giải pháp phân bổ công suất Full-filling cho các sóng mang con của CR.
Luận án đề ra giải pháp phân bổ công suất tối đa cho số lượng lớn nhất có thể các sóng mang con của CR trong khi đảm bảo điều kiện tổng nhiễu của các sóng mang con này gây ra cho PU là gần bằng hoặc bằng mức ngưỡng nhiễu chấp nhận được Ith của PU. Giải pháp Full-filling có thể thực hiện theo cách MFR hoặc PFR tùy theo điều kiện thích hợp. Các lý do để đề xuất giải pháp Full-filling bao gồm: Đây là giải pháp mới, chưa được các tác giả khác đề xuất; Khi áp dụng Full-filling kết hợp với kỹ thuật windowing, CRS có tốc độ truyền cao hơn đáng kể so với việc chỉ áp dụng kỹ thuật windowing hoặc các giải pháp do tác giả khác đề xuất; Độ phức tạp tính toán
24
giảm, tới 80% số biến cần tính toán trong mô phỏng, và giữ ổn định ở mức thấp khi băng thông của CRS tăng nhiều. Điều này phù hợp với hệ thống có công suất nhỏ như CR.
3. Đề xuất áp dụng kỹ thuật windowing cho hệ thống CR đa người dùng. Cơ sở của đề xuất này cũng tương tự như với trường hợp đơn người dùng.
4. Đề xuất giải pháp mới Q-IIA để phân bổ sóng mang con cho CRS đa người dùng.
Giải pháp mới được đề xuất trong luận án là phân chia tỷ lệ nghịch với nhiễu có quy chuyển về băng thông chuẩn (Q-IIA). Ngoài ra, nghiên cứu sinh cũng đề xuất cải tiến giải thuật phân chia tỷ lệ nghịch theo nhiễu IIA thành IIA-I để phù hợp với thực tế hơn.
Kết quả mô phỏng cho thấy CRS đạt được tốc độ truyền cao hơn với IIA-I, Q-IIA so với trường hợp phân bổ đều sóng mang con.
Khi kết hợp windowing với IIA-I, Q-IIA, tốc độ truyền của CRS cao hơn tới 2,6 lần so với trường hợp không sử dụng windowing.
B. Hướng phát triển của luận án
Kỹ thuật full-filling đã được áp dụng cho trường hợp CRS đơn người dùng và đã giúp cho tốc độ truyền của hệ thống vô tuyến có nhận thức tăng lên, trong khi độ phức tạp tính toán giảm đi đáng kể.
Tuy nhiên, kỹ thuật này còn chưa được nghiên cứu áp dụng cho trường hợp CRS đa người dùng. Vì vậy, đây là điểm cần được tiếp tục nghiên cứu mở rộng.
Bài toán phân bổ sóng mang con dựa trên giải pháp Q-IIA đã giải quyết được phần nào hạn chế của IIA, nhưng chưa giải quyết triệt để được vấn đề công bằng dung lượng giữa người dùng. Vì vậy, cần tiếp tiếp tục nghiên cứu để có giải pháp cải tiến hiệu quả hơn.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1. Van Tuan, L.; Hieu, N. T.; Hieu, D. C. & Kinh, N. V.
(2012), Impact of windowing on power allocation in cognitive radio systems, in 'Communications and Electronics (ICCE), 2012 Fourth International Conference on', pp. 212--216.
2. Nguyen, H.; Liang, G. Y.; Le, V.T. (2013), Full-filling algorithm for power allocation in OFDM-based cognitive radio systems, in 'Information, Communications and Signal Processing (ICICS) 2013 9th International Conference on', pp. 1--5.
3. Le Van, T.; Chi, H. D.; Viet, K. N. & Thanh, H. N. (2014), 'Full-Filling Subcarrier Power Allocation in OFDMA-Based Cognitive Radio Systems', Wireless Engineering and Technology 5 (01), 11.
4. Van Tuan, L.; Tien Hoa, N.; Hieu, N.T.; Kinh, N.V.
(2015), Một số giải pháp nâng cao dung lượng hệ thống vô tuyến nhận thức đa người dùng, Chuyên san các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng Công nghệ thông tin và truyền thông, ISSN:1859-3526, Tập V-2 (2015), trang số 126-136.
