nâng cao dung lƣợng của hệ thống thông tin vô tuyến có

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Văn Tuấn

NÂNG CAO DUNG LƢỢNG 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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Văn Tuấn

NÂNG CAO DUNG LƢỢNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN CÓ NHẬN THỨC DỰA TRÊN OFDM

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 62.52.02.08

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. TS. Nguyễn Thành Hiếu

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

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu.

Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy hướng dẫn TS.

Nguyễn Thành Hiếu, PGS.TS. Nguyễn Viết Kính đã giúp đỡ tác giả trong toàn bộ quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này.

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

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

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

BS Base Station Trạm gốc

CDMA Code Division Multiple Access Đa tuy nhập phân chia theo mã CPE Customer Premise Equipment Thiết bị đầu cuối

CR Cognitive Radio Vô tuyến có nhận thức

CRS Cognitive Radio System Hệ thống vô tuyến có nhận thức CSI Channel State Information Thông tin về trạng thái kênh truyền

DTV Digital Television Truyền hình số

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

LO Local Oscillator Bộ dao động nội

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

v OFDMA Orthogonal Frequency Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

PFR Preset Filling Range Giải thuật dải điền đầy xác lập trước PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất

PU Primary User Người dùng chính (được cấp phép)

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

SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu

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

STA Station Trạm (vô tuyến có nhận thức)

SU Seccondary User Người dùng thứ cấp

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, I_th =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, I_th = 1mW (a) và 7mW (b) ...98

Hình 4.9: Phân bố sóng mang và công suất với trường hợp uniform, Ith= 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] ...51 Bảng 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

Ký hiệu Ý nghĩa Ví dụ

Chữ thường, in nghiêng Biến số ω

² Giá trị tuyệt đối h_i^ss²

C Dung lượng CRS

I Nhiễu từ CRS sang PU

J Nhiễu từ PU sang CRS

P Công suất phát Pi

exp() Hàm mũ e^{n exp(j pnt2 )}

Δf Độ rộng sóng mang con CRS

T_s Độ dài ký hiệu

Bl Độ rộng băng mà PU sử dụng

1 8. MỞ ĐẦU

Tổng quan

Trong hơn hai thập kỷ gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống thông tin vô tuyến, đi kèm theo yêu cầu về băng thông lớn hơn, nhu cầu sử dụng phổ tần số vô tuyến ngày càng cao, dẫn đến nguồn tài nguyên này ngày càng trở nên khan hiếm và có giá trị. Điều này đặt ra yêu cầu cần có công nghệ mới có khả năng sử dụng phổ tần số hiệu quả hơn.

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 lƣợng 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].

Hƣớng 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 Phƣơng 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

6

hệ thống và độ phức tạp tính toán khi áp dụng kỹ thuật Full-Filling, có so sánh với các giải pháp do tác giả khác đề ra.

- Chương 4: Nâng cao dung lượng hệ thống CR đa người dùng. Chương này giới thiệu tóm tắt về vấn đề nhiễu trong bối cảnh đa người dùng, bài toán nâng cao dung lượng cho hệ thống; đề xuất cải tiến giải pháp phân chia nghịch đảo theo nhiễu (IIA) dựa trên mức độ nhiễu do PU gây ra với CRS thành giải pháp phân chia nghịch đảo theo nhiễu CRS gây ra cho PU (IIA-I). Từ đó, đề xuất giải pháp mới trong phân bổ sóng mang con cho mỗi người dùng CRS là phân chia nghịch đảo với nhiễu có quy chuyển về băng thông chuẩn Q-IIA. Kết quả mô phỏng khi 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.

7

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

1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin có nhận thức 1.1.1. Cơ sở hình thành

Như chúng ta đã biết, các hệ thống thông tin vô tuyến điện khi hoạt động thì phải sử dụng sóng vô tuyến điện, hay tần số vô tuyến điện. Để không gây can nhiễu lẫn nhau, các hệ thống vô tuyến điện chỉ được phép hoạt động khi được cho phép sử dụng tần số/ khoảng tần số cụ thể với một số điều kiện kèm theo.

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 hƣớng 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. Hƣớng nghiên cứu về cảm nhận phổ tần (spectrum sensing) 1.2.1.1. Nhận dạng qua phát hiện năng lƣợng 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.

Nhận dạng ngoài

Trong nhận dạng ngoài, một chủ thể bên ngoài sẽ thực hiện việc nhận dạng và phát quảng bá thông tin về tình trạng chiếm dụng kênh tới các thiết bị CRS.

B. Wild đề xuất trong [65] cấu trúc bộ dò nút cảm biến. Sự có mặt của các máy thu thụ động, như máy thu hình, được phát hiện nhờ đo công suất dò từ bộ dao động nội (LO). Khi phát hiện ra máy thu và kênh bị chiếm dụng, đầu cảm biến sẽ thông báo, thông qua kênh điều khiển, cho CRS trong vùng. Leu [29] cũng đề xuất giải pháp nhận dạng tín hiệu truyền hình.

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.

16

Với đặc tính thay đổi như vậy, CRS cần phân tích phổ tần và quyết định sử dụng phổ tần [2] để quyết định lựa chọn phổ tần tốt nhất.

1.2.2.1. Phân tích phổ tần

Để lựa chọn được đoạn băng tần nên sử dụng, CRS cần phải so sánh được đặc tính của các đoạn băng tần trống.

Để thực hiện việc đánh giá, I.F. Akyildiz đã chỉ ra trong [2], các tham số như mức độ nhiễu, suy hao đường truyền, lỗi kết nối vô tuyến, trễ tầng kết nối, thời gian giữ, ... cần được xem xét so sánh.

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.

1.3.1.1. Mô hình hệ thống

Các CRS hoạt động dựa trên nguyên lý tìm và chiếm dùng những đoạn phổ tần còn trống, không được sử dụng tại thời điểm đó của PU.

Ngày nay, các thiết bị đầu cuối vô tuyến như thiết bị đầu cuối di động, thường

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 B₁, B₂, …, 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 Ri của sóng mang thứ i của CRS, với mức công suất phát Pi, hệ số suy hao kênh truyền hi

ss được tính dựa trên công thức Shannon như sau:

 

² ₂ ² _{ }

1

, log 1

ss

i i

ss

i i i L l

l i

P h h P

R f

 _J

 

 

  

  





 ^(1.1)

Trong đó là phương sai của nhiễu cộng trắng (additive white Gaussian noise), là công suất nhiễu từ đoạn băng thứ l của PU tới sóng mang con thứ i của tín hiệu OFDM.

Công thức (1.1) cho thấy, tốc độ kênh 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

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]:

 

^{sin s 2}

i i s

s

f PT fT

fT

 



 

  

  (1.2)

trong đó, P_i là công suất phát của sóng mang con OFDM thứ i, Ts 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]:

 

 

^{2 2 2}

2

, sin

l il

l il

d B

l sp s

i il i l i s

B s

d

I d P h PT fT df

fT









 

  

 



^(1.3)

trong đó, d_il là khoảng cách tần số giữa sóng mang con thứ i của CRS với băng thứ l của PU, B1 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]:

   

¹

 

^sin

   

^{/ 2 2}

2 sin / 2

j

N PU

E I e M d

M







    

 _  

  





   ^(1.4)

21

trong đó ω là tần số được quy đổi về tần số lấy mẫu, ф_PU là mật độ phổ công suất của tín hiệu PU.

Công suất nhiễu do tín hiệu trong băng thứ l của PU gây ra cho sóng mang con thứ i của CRS được biểu diễn, theo[8], như sau:

 

 

^{2 /2}

   

/2

,

il

il

d f

l ps

i il i l N

d f

J d P h E I



d











^(1.5)

trong đó, dil 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

max log 1

i

N ss

i i

L l

P i l i

h P

C f

 J

 

 

 

  

  

 

 

^(1.6)

với các điều kiện:

 

th

1 1

,

L N

l

i il i

l i

I d P I

 

 

^(1.7)

và P_i 0  i 1, 2,...,N _(1.8)

Trong công thức này, C là tốc độ truyền dẫn của CRS, N là tổng số các sóng mang con OFDM của CRS, I_th là mức công suất nhiễu tối đa mà PU có thể chấp nhận được từ CRS và đây là một số xác định, là công suất nhiễu Gauss, ∆f là

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, Pi 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. Phƣơng án tối ƣu (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

* 1

2 1

max 0, 1

|

L l

l i

i L l ss

i i l

P J

K h









  

 

   

 

 





^(1.9)

Trong đó:

2

2 /2

( )

/2

l sin

il il l

sp B

l s

i l s B

s

d f

d f df

h T

K T

T









 

  

 



Tác giả trong [8] cũng chỉ ra rằng phương thức phân bổ công suất cho các sóng mang con như trong phương trình (1.9) là phương pháp water-filling. Tuy nhiên, giá trị cắt (cutoff value) cho độ lợi kênh truyền hay mức ngưỡng cho phương pháp water-filling có giá trị tỷ lệ nghịch với thành tố nhiễu ^{ }

1

L l

l_Ki



^.

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]:

 

1 1

U th

i N L l

i