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

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 – 2016

0


Công tr nh
ho n th nh t i: Kho Điện tử-Viễn thông
Tr ng Đ i họ Công nghệ Đ i họ Quố gi H Nội
Ng

i h ớng dẫn kho họ : TS. NGUYỄN THÀNH HIẾU
PGS. TS. NGUYỄN VIẾT KÍNH

Phản biện 1: ...................................................................................

Phản biện 2: ...................................................................................

Phản biện 3: ...................................................................................

Luận án sẽ
bảo vệ tr ớ Hội ồng ấp Đ i họ Quố gi
hấm luận án tiến sĩ họp t i ..........................................................
v o hồi

gi

ng y

tháng

năm

Có thể t m hiểu luận án t i:
-

Th viện Quố gi Việt N m

-

Trung tâm Thông tin - Th viện Đ i họ Quố gi H Nội

1

MỞ ĐẦU
Tổng quan
Vô tuyến ó nhận thứ (CR)
nâng

xem l một h ớng i nhằm

o hiệu quả sử dụng t i nguyên tần số thông qu việ tận dụng

á phần băng tần ã ấp ho hệ thống chính (PU) nh ng ít
dụng.Kỹ thuật OFDM

sử

thừ nhận rộng rãi ể dùng ho hệ thống

vô tuyến ó nhận thứ (CRS).
Bài toán đặt ra
Do sử dụng băng tần ủ PU nên CRS không
mứ nhiễucho PU
dung l

phép gây r

o hơn ng ỡng Ith. Vậy l m thế n o ể nâng

o

ng truyền ủ CRS trong iều kiện n y trong khi giữ ộ

phứ t p tính toán thấp ể phù h p với CRS?
Hướng nghiên cứu của nghiên cứu sinh
Giải pháp sử dụng kỹ thuật ử sổ (windowing)

xem xét

ể h n hế mứ phát x ngo i băng (mứ nhiễu s ng PU) ủ

á

sóng m ng on OFDM từ ó tăng ông suất phát ể tăng dung l

ng

truyền ho CRS. Bên

nh ó giải pháp phân bổ ông suất ho sóng

m ng on ũng
nghiên ứu ể l m giảm ộ phứ t p tính toán.
Phương pháp nghiên cứu
Ph ơng pháp kết h p giải tí h với mô phỏng Monte-C rlo sử
dụng máy tính

sử dụng phụ vụ nghiên ứu trong luận án.

Các đóng góp
Cá kết quả nghiên ứu trong luận án (nằm trong á

2,3 và 4) ã

t mụ

h ơng

í h ề r b o gồm: (i) Đề xuất áp dụng cửa sổ

Turkey cho CRS đơn người dùng, đa 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 giải thuật
phân bổ sóng mang con Q-IIA cho CRS đa người dùng.

2


Bố cục luận án
Bố cục luận án gồm phần mở ầu 4 h ơng v phần kết luận.
Ch ơng 1 l tổng quan về vô tuyến có nhận thức và giới thiệu bài
toán nâng

o dung l

ng trong iều kiện có giới h n về nhiễu cho

PU. Ch ơng 2 ề xuất áp dụng kỹ thuật cửa sổ Turkey, vốn
c sử dụng phổ biến cho WLAN 802.11

ng

ho CRS. Ch ơng 3 ề

xuất giải thuật Full-filling trong phân bổ công suất sóng mang con
của CRS nhằm làm giảm ộ phức t p tính toán. Ch ơng 4 ải tiến
giải pháp phân hi nghị h ảo theo nhiễu (IIA) và ề xuất giải pháp
phân bổ sóng m ng on Q-IIA ho mỗi ng

3

i dùng CRS.


Chương 1: 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 ó nhận thứ (CRS)

h nh th nh dự

trên nhu ầu kh i thá tận dụng á khoảng trống tần số - phần phổ
tần

ấn ịnh ho một ng

i sử dụng hính (PU) nh ng không

sử dụng t i một ị iểm v trong khoảng th i gi n xá

ịnh.

Các ặ tính ơ bản ủ CRS b o gồm khả năng có nhận thức
(nhận biết

môi tr

ng vô tuyến xung qu nh ể phát hiện r

khoảng trống tần số v

ể xá lập

á

á th m số ho t ộng tốt

nhất), khả năng cấu hình lại (tự lập tr nh l i một á h linh ho t phù
h p với iều kiện môi tr

ng xung qu nh). Ngoài ra, CRS khi ho t

ộng phải ảm bảo không
ho phép ối với ng

gây r mứ nhiễu

o quá ng ỡng

i sử dụng hính.

Về ứng dụng vô tuyến ó nhận thứ (CR) dự báo sẽ

ứng

dụng trong nhiều hệ thống vô tuyến trong t ơng l i. Hiện IEEE ã
xây dựng h i bộ tiêu huẩn 802.22,802.11af ó sử dụng CR. Chuẩn
802.22 ho m ng WRAN

thông qu v o tháng 7 năm 2011.

Chuẩn 802.11af(“White-Fi”, “Super-Fi”) l một tiêu huẩn trong họ
802.11 về WLAN

thông qu v o tháng 2 năm 2014. Khá với

huẩn 802.22 sử dụng OFDMA huẩn 802.11 f sử dụng OFDM.
1.2. Một số hướng nghiên cứu chính về vô tuyến có nhận thức
Vô tuyến ó nhận thứ l

ông nghệ mới

ng trong quá tr nh

h nh th nh v ho n thiện nên òn có h ng lo t thá h thứ b i toán ặt
r

ể nghiên ứu. Trong ó kỹ thuật nhận d ng phổ tần giải pháp

nhằm giảm nhiễu giữ

á sóng m ng on v nhiễu từ CRS s ng PU

4


l

hủ ề thu hút

Bên

sự qu n tâm nghiên ứu ủ nhiều tá giả.

nh ó b i toán nâng

hút

o dung l

ng ủ CRS l

hủ ề thu

sự qu n tâm nghiên ứu trong th i gi n gần ây.
Luận án ã tổng h p tóm tắt một số nghiên ứu về nhận d ng

phổ tần (nhận d ng dự trên phát hiện năng l
d ng qu

ng tín hiệu nhận

ặ tính dừng vòng ủ tín hiệu dự trên d ng sóng nhận

d ng qu lọ hò h p nhận d ng phân tán nhận d ng ngo i); Quản
trị phổ tần; Phân hi v

hi sẻ phổ tần.

1.3. Bài toán nâng cao dung lượng CRS
1.3.1. Tổng quan
Với b i toán dung l

ng CRS luận án nghiên ứu tr

ng h p

tổng quát trong ó ó một hệ thống PU sử dụng L o n phổ tần số
ó ộ rộng B1, B2, …BL (Hz) và có L o n băng tần nằm xen kẽ h
sử dụng nên CRS tìm thấy hiếm dụng và chia thành N sóng
m ng on OFDM mỗi sóng m ng on ó ộ rộng ∆Hz.

Hình 1.1: Nhiễu hai chiều qua l i giữa CR và PU
Về khí

nh nhiễu tín hiệu phát OFDM ủ CRS l một

nguồn nhiễu ối với máy thu PU v ng

l i nh biểu diễn ở hình

1.2 trong ó hệ số suy h o giữ máy phát CRS v máy thu PU viết

5


tắt l hsp giữ máy phát PU v máy thu CR viết tắt l hps giữ máy
phát CR và máy thu CR là hss.
Trong CRS ho t ộng với sự hiện diện ủ
truyền dẫn tối

với iều kiện:

á PU tố

ủ CRS nh s u:
2


N
hiss Pi

C  max f log 2 1 
  2  L J l  
Pi
i 1
l 1 i 

L

N

I  d
l
i

il

ộ

(1.1)

, Pi   I th

(1.2)

l 1 i 1

Pi  0

và

Trong ó, C là dung l

i  1, 2,..., N

(1.3)

ng ủ CRS N l tổng số á sóng

m ng on OFDM ủ CRS, Ith l mứ nhiễu tối
nhận

từ CRS,

sóng mang con,

l nhiễu G uss ∆f l

m PU ó thể hấp

ộ rộng phổ tần ủ một

l hệ số suy h o ủ kênh giữ

á ng

i dùng

là nhiễu từ băng thứ l của PU vào sóng mang con OFDM

CR,

thứ i của CRS,
PU, Pi l

l nhiễu từ sóng m ng on thứ i v o băng l ủ

ông suất phát ủ sóng m ng on thứ i.

Công thứ (1.1) ho thấy tố
v o ông suất phát Pi m

ộ truyền phụ thuộ không hỉ

òn v o ả mứ nhiễu

do máy phát PU

gây ra t i phía thu của CRS.
1.3.2. Các nghiên cứu về nâng cao dung lượng CRS
Trong b i toán nâng
tr ớ

ây ã

o dung l

ng CRS một số nghiên ứu

r ph ơng án phân bổ ông suất tối u một số

ph ơng án phân bổ ông suất ận tối u.
Với phân bổ ông suất tối u, CRS dùng OFDM
ộ truyền dẫn

o nhất trong khi vẫn ảm bảo tổng mứ

6

t

tố
ông suất


nhiễu gây r
on

ho PU ≤ Ith khi ông suất phân bổ ho từng sóng m ng

xá

ịnh theo ông thứ s u:
L

 2   l 1J il  
1
Pi  max 0,


L
l 
hiss |2
   l 1Ki

*

iểm của phân bổ công suất tối u l

Nh

(1.4)

ộ phức t p tính

toán cao, khó khả thi cho hệ thống bị giới h n về công suất hay về ộ
phức t p nh CRS. Một số giải pháp cận tối u ã

ề xuất:

- Phân bổ ều công suất, các sóng m ng on ều

c phân bổ

một mức công suất P nh nh u:
PiU 

I th

 
N

i 1

(1.5)

K   Pi
l 1 i
L

l

- Phân bổ công suất theo hình bậc thang với hai giải pháp
Scheme A và Scheme B, dự trên ý t ởng 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

c phân bổ

mức công suất P, thì các sóng mang con nằm cách xa dần PU sẽ
c phân bổ mức công suất tăng ồng biến 2P, 3P,...
Trong Scheme B b ớc nhảy công suất giữa 2 bậc thang liền kề
c xác lập theo h ớng càng nằm cá h x PU b ớc nhảy càng lớn.
Mức công suất phân bổ cho sóng mang con thứ i của CRS trong
ph ơng án n y

Pi B 

xá

ịnh nh s u:

I th

(1.6)

N  l 1Ki 
L

l

Giải pháp phân bố ông suất theo h m mũ (S heme C v D)
phát triển từ S heme A v S heme B. Trong S heme C

7

ông suất


nhiễu Ith
suất tối

phân hi

ều ho từng sóng m ng on CRS

m sóng m ng on thứ i

ông

phân bổ l P i = p x i1.5

th

C

với i= 1 2 .. N (N l số sóng m ng on). Trong S heme D việ phân
bổ ũng t ơng tự nh ng hỉ số h m mũ ó th y ổi PCi = p x i3.

Hình 1.2: Phân bổ công suất theo hình bậc thang
Một số nghiên ứu ảnh h ởng ủ tắt (nulling) sóng m ng on

ể giảm nhiễu ho thấy khi CRS tắt á sóng m ng on nằm kề ng y
á băng ủ PU hiệu quả giảm nhiễu tốt.
Cũng ó thể dùnggiải thuật Max-Min ể phân bổ bit cho từng
cặp sóng mang con/tr m gốc CRS ể
Kết quả mô phỏng, CRS
trên ủ tr

t

tố

t hiệu quả về dung l

ng.

ộ dữ liệu gần mứ giới h n

ng h p tối u (sự khá biệt nhỏ hơn 5%).

Giải thuật phân bổ phổ tần số ho ng

i dùng CRS dự trên

kết quả giám sát nền nhiễu t p âm v mứ nhiễu do PU t o r , từ ó
tính mứ

ông suất tối

ó thể phân bổ trên kênh truyền

xuất gần ây. Bằng á h ó hệ thống sẽ xá
truyền tiềm năng giữ các ng

ịnh tất ả á

i dùng CRS ể tối u hó dung l

ủ hệ thống trong khi vẫn ảm bảo ng ỡng bảo vệ Ith cho PU.

8

ề
ng
ng


Chương 2: Giải pháp nâng cao dung lượng CR bằng kỹ thuật
windowing
2.1. Đặt vấn đề
Theo (1.1) dung l

ng C ủ CRS tăng tỷ lệ thuận với công

suất sóng m ng on Pi nh ng Pităng th nhiễu từ CRS s ng PU sẽ
tăng do ông suất búp phụ (sidelobe) ủ sóng m ng on sẽ tăng. V
vậy

ần giải pháp giảm búp phụ từ CRS s ng PU

ể ó thể tăng Pi

qu

ó tăng C. Một trong á kỹ thuật ể l m giảm ông suất búp

phụ l kỹ thuật ử sổ lọ (windowing). Kỹ thuật này hiện

dùng

phổ biến trong WLAN huẩn 802.11 ũng dự 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 ó mứ phát x ngo i băng
cao

o l do búp phụ

t o r trong quá tr nh xử lý lấy mẫu tín hiệu trong miền th i

gi n l m ho tín hiệu không liên tụ v khá so với b n ầu, qu biến
ổi DFT s ng miền tần số sẽ t o một dải tần số rộng l m ho phổ
ủ tín hiệu s u FFT bị kéo rộng t o r hiệu t

ng dò phổ tần làm

giảm SNR ồng th i tăng gây nhiễu ho á băng tần liền kề.
Hình 2.1 mô tả sự khá biệt giữ tín hiệu gố (tín hiệu sin) và
tín hiệu m DFT sử dụng ho phép biến ổi ủ m nh. Phổ ủ tín

hiệu sin huẩn n y l 1 v h tần số trong miền tần số. Tuy nhiên khi
qu biến ổi DFT do tính không liên tụ

ủ tín hiệu trong miền th i

gi n nên biến ổi qu miền tần số sẽ t o r một phổ gồm 1 huỗi á
tần số (hiện t

ng dò phổ tần).

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

9


Để giảm hiện t
không liên tụ

ng dò phổ ủ tín hiệu

ần l m giảm ộ

ủ tín hiệu t i mỗi uối hu kỳ o lấy mẫu. Việ n y

ó thể thự hiện bằng á h nhân tín hiệu trong khoảng th i gi n o
lấy mẫu với một h m l m ho tín hiệu từ từ tiến về giá trị 0 t i uối
th i gi n o 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 s u khi windowing l tí h hập ủ phổ tần số ủ h m
window với phổ ủ tín hiệu ầu v o.

Hình 2.1: sự khá biệt ủ tín
hiệu qu FF

Hình 2.2: Sử dụng window cosin
nâng ể ghép nối ký tự

Kỹ thuật windowing từ rất lâu ã
dụng ho

á

á tá giả ề xuất áp

hệ thống OFDM. Hình 2.2 mô tả tá

dụng

ủ

windowing trong việ “l m trơn” tín hiệu trong hệ thống WLAN
802.11 ể giảm hiện t

ng dò tần số.

2.2. Một số kỹ thuật windowing sử dụng cho OFDM
Luận án tr nh b y một số ử sổ phổ biến nh
Hanning.Trong WLAN 802.11, ử sổ
ó Tukey ũng l

ử sổ

lự

ử sổ hữ nhật

sử dụng l Tukey. V lẽ

họn ể nghiên ứu trong luận án.

10


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 ánh giá ảnh h ởng mô phỏng

thự hiện với PU là

truyền h nh 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 ho phân bố ông suất sóng m ng on ủ
CRS nh h nh 2.3 (tr

ng h p phân bổ ông suất tối u), hình 2.4

(có windowing), hình 2.5 (windowing với Ith khác nhau) v tố

ộ

ủ CRS nh hình 2.6 (window ó ộ số uốn  = 0,3 và = 0,6).

Hình 2.3: phân bổ ông suất sóng
mang con CRS khi h áp dụng
windowing

11

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


(b)
(a)
Hình 2.5: Phân bổ công suất sóng mang con CRS với tr
Ith = σ2 (h nh ) v = 5σ2 ( hình b)

(a)
Hình 2.6: tố

ng h p

(b)
ộ 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:
Tố

ộ truyền ủ CRS tăng lên áng kể từ 28 Mbps lên 40

Mbps(với α=0.3, Ith =σ2), khi áp dụng windowing. Điều n y l do
ử sổ giúp l m giảm phát x không mong muốn ủ
con CRS tứ l m giảm nhiễu từ CRS s ng PU qu
ông suất phát v tăng

tố

t tố

ộ truyền

o hơn v ng

giải thí h khi Ith tăng tứ l PU hấp nhận

12

ó giúp CR tăng

ộ truyền dẫn ủ m nh.

Từ hình 2.5, 2.6, khi iều kiện về nhiễu
hơn), CRS sẽ

á sóng m ng

nới lỏng (Ith cao
l i. Điều n y ó thể
mứ nhiễu

o hơn


nên ông suất phân bổ ho á sóng m ng on ủ CRS ó thể tăng
lên qu

ó l m tăng tố

ộ truyền ủ CRS.

Từ hình 2.6, khi hệ số uốn lớn hơn th tố
ng

ộ truyền CRS cao

hơn v ng

l i. Khi hệ số uốn

o th mứ phát x không

mong muốn

ng giảm tứ l mứ gây nhiễu ho PU

ó thể phát ông suất lớn hơn,làm cho tố
l i khi hệ số uốn bằng 0 t ơng

ộ truyền

ơng với tr

ng thấp, CRS
o hơn. Ng

ng h p không áp dụng

kỹ thuật windowing th mứ nhiễu l lớn nhất. Tuy nhiên khi hệ số
uốn tăng th sẽ kéo theo kéo d i ký tự trong miền th i gi n. Trong
thự tế giá trị ủ hệ số uốn nằm trong khoảng 0-0,3.
Về phân bố mức công suất cho các sóng mang con của CRS:
Cá sóng m ng on ó tần số nằm
th

ó mứ

th

ng

phân bổ mứ

ông suất

ng nằm gần tần số ủ PU

ng thấp, có khoảng á h tần số

phân bổ ông suất
ông suất tối

ng x PU

o nhiều sóng m ng on òn

.

Kỹ thuật windowing ó tá

ộng rõ rệt lên mứ

bổ ho từng sóng m ng on, ông suất phát ủ

ông suất phân

á sóng m ng on

tăng lên áng kể so với khi không sử dụng windowing (hình 2.3), các
sóng m ng on nằm x PU (≥ 7 ∆f) ều
tối

phân bổ mứ

ông suất

m CRS ó thể phân bổ.
Khi Ith tăng lên (hình 2.5) mứ

ông suất ủ

á sóng m ng

on ủ CRS ũng tăng lên.Khi sử dụng windowing với Ith= 5σ2và
Ith= σ2 thì 8 sóng m ng on ó vị trí số 7-14 ều ó mứ
phân bổ tối

ông suất

. Điều n y ó nghĩ l mứ nhiễu m 8 sóng m ng on

này gây ra l không áng kể với PU. Nh vậy với Ith và băng thông
B xá

ịnh húng t

ó thể xá

ịnh tr ớ

13

á sóng m ng ó ó


thể

phân bổ mứ

toán tối u hó
Tr
m ng on

ông suất tối

m không ần phải dùng phép

ông suất ể tính toán giảm ộ phứ t p tính toán.

ng h p sử dụng windowing một số l
phân bổ mứ

ông suất tối

(mứ

ng áng kể sóng
ông suất ã biết

tr ớ ),chỉ một số ít á sóng m ng on nằm gần PU có mứ
suất nhỏ hơn ông suất tối
kỹ thuật windowing

ông

.Điều n y dẫn ến logi l khi áp dụng

húng t

ó thể không ần phải tính toán mứ

ông suất ần phân bổ ho á sóng m ng on ủ CRS nằm x PU
m

ó thể phân bổ ng y mứ

ông suất tối

ho húng.

Nh vậy kỹ thuật windowing không hỉ giúp l m tăng tố
truyền ủ CRS m

òn mở r

ơ hội l m ho b i toán phân bổ ông

suất sóng m ng on trở nên ơn giản hơn
xuống. Cụ thể l 8/20 ( t ơng

ộ

ộ phứ t p tính toán giảm

ơng 40%) số sóng m ng on nh

trong mô phỏng ó thể phân bổ ông suất tối
phải thự hiện phép tính tối u.

14

ng y m không ần


Chương 3. Nâng cao dung lượng bằng giải thuật Full-Filling
3.1. Giải thuật Full-filling
Trên ơ sở nhận xét từ h ơng 2 nghiên ứu sinh ề xuất h i
giải thuật ận tối u với tên gọi hung l Full-Filling. Nội dung ủ
giải thuật l tìm số lượng lớn nhất các sóng mang con đểphân bổ
ngay mức công suất tối đa trong khi vẫn ảm bảo tổng mứ nhiễu do
các sóng mang con CRS gây ra ≤ Ith. Mụ

í h ủ 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

t dung l

Hai giải thuật riêng rẽ

ng truyền tốt.

ề 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 h i á h ể xá
phân bổ mứ
-

ông suất tối

ịnh số sóng m ng on ó thể

:

Cách 1: tắt hết các sóng mang con ( ặt Pi= 0) s u ó bật

sóng mang con có khoảng cách tần số lớn nhất tới PU bằng cách
phân bổ mức công suất tối

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, l i
kiểm tra mức nhiễu gây ho PU. Quá tr nh n y

c tiếp tục lặp i

lặp l i ho ến khi mức nhiễu do á sóng m ng on gây r v

t qua

mứ ng ỡng Ith của PU thì ngừng l i.

- Cách 2: th y v tắt hết á sóng m ng on nh
húng t l i phân bổ mứ

ông suất tối

á h 1 th

ng y ho to n bộ sóng

m ng on ủ CRS. B ớ 2 thự hiện kiểm tr

iều kiện về tổng

mứ nhiễu á sóng m ng on gây ho PU, tổng nhiễu lớn hơn Ith thì

15


t l i tắt bớt i một sóng m ng on ó khoảng á h tần số so với PU
là nhỏ nhất v l i qu y l i kiểm tr tổng mứ nhiễu. Chu tr nh
lặp l i ến khi iều kiện về nhiễu thoả mãn th t thu
sóng m ng on

phân bổ mứ

ông suất tối

tổng số

.

Nếu tổng nhiễu m ng on ó ông suất ự
tối u mứ

i th

húng t

ó thể tiếp tụ tính toán

ông suất ó thể phân bổ ho á sóng m ng on òn l i.

3.1.2. Giải thuật Pre-set Filling Range -PFR
Từ nhận xét ở Ch ơng 2 nếu biết tr ớ về PU Ith v
phổ tần m CRS hiếm dùng th t

ó thể xá

sóng m ng sẽ

ông suất tối

òn l i sẽ
bổ.V

ịnh tr ớ một số á

tính toán tối u ể t m r mứ

ã xá

suất tối

phân bổ mứ
ịnh v biết tr ớ

nên giải thuật n y

á sóng m ng
ông suất ần phân

á sóng m ng

phân bổ ông

gọi l Pre-set Filling Range.

Giải thuật n y b o gồm h i b ớ :B ớ 1 xá
m ng on

ộ rộng

phân bổ ông suất tối

ịnh á sóng

; B ớ 2: tính toán mứ

ông suất tối t u sẽ phân bổ ho á sóng m ng òn l i trên ơ sở

ảm bảo tổng nhiễu tới PU từ CRS thỏ mãn ≤ Ith. Dung l
truyền ủ hệ thống

tính trên ơ sở mứ

ông suất ã

ng
phân

bổ ho á sóng m ng on.
3.2. Kết quả mô phỏng
Việ mô phỏng

thự hiện với tr

ng h p CRS nằm giữ

2 hệ thống PU ó băng thông nh nh u. CRS ó 20 sóng m ng on
∆f = 0.3125 MHz

ộ d i ký hiệu Ts = 4μs Nhiễu nền σ2= 10-3W.

Các kênh hiss, hlsp, hlps giả thiết l suy h o R yleigh ó ộ l i kênh
trung b nh l 10 dB. Thông tin về kênh truyền (CSI) giả thiết l biết
t i phí thu ủ CRS.

16

3.1.1. Phân bổ mức công suất cho các sóng mang con
H nh 3.2 h nh 3.3 l

ông suất trung b nh ủ

á sóng m ng

con CRS ho 10.000 lần truyền ối với thuật toán MFR PFR. Phân
bố n y ó dáng t ơng tự nh tr

ng h p phân bổ tối u (h nh 3.1).

Từ h nh 3.2 h nh 3.3 ó thể thấy nh
2 số l
2 tr
ủ

ng sóng m ng on

ã phân tí h ở Ch ơng

phân bổ ông suất ự

i trong ả

ng h p áp dụng PFR v MFR ều l 8 trên tổng số 20 v vị trí
húng l nằm giữ

ủ CRS. V vậy

ối với một số tr

ặ biệt khi băng thông CRS hiếm dụng l
Ith ã biết th

húng t

MFR ó u iểm l

ng h p

ố ịnh (ví dụ 8 MHz)

ó thể sử dụng PFR. Tuy nhiên so với PFR,

ó thể áp dụng tổng quát ho mọi tr

ng h p.

3.2.2. Dung lượng truyền của CRS
Dung l
á tr

ng CRS khi áp dụng Full-Filling

so sánh với

ng h p phân bổ tối u phân bổ ều ông suất phân bổ tỷ lệ

nghị h với nhiễu ó hoặ không ó windowing (h nh 3.4).

Từ kết quả mô phỏng n y húng t
Khi không áp dụng windowing tố
nhất. Windowing ã giúp nâng
Ví dụ với S heme B th tố

ó thể thấy:
ộ truyền ủ CRS l thấp

o áng kể tố

ộ truyền ủ CRS.

ộ truyền ủ CRS hỉ

t i Ith=2 nh ng khi áp dụng windowing tố

t 1 2 x 107 bps

ộ truyền ủ CRS

nâng lên tới 4 7 x10 bps. Khi áp dụng kỹ thuật Full-filling thì
7

sự hênh lệ h ối với phân bổ tối u gần nh không òn với Ith ≥
0,62. Khi ng ỡng hịu nhiễu Ith ủ PU nhỏ i dung l
CRS giảm nhẹ khoảng 0 1 x 10 bit/s (2%) so với tr
7

ng ủ

ng h p tối u

(hình 3.5).
Đối với á tr

ng h p ó áp dụng windowing (hình 3.4), thì

kỹ thuật phân bổ ông suất ều (uniform) l

17

ho kết quả thấp nhất.


Scheme B ủ B s l ho kết quả tốt hơn nh ng vẫn kém so với giải
pháp full-filling.

Hình 3.1: Phân bổ
công suất trong
tr ng h p tối u
(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 ối với
tr ng h p PFR

(Ith=52)

H nh 3.4: Tố ộ
Hình 3.5: Tố ộ
Hình 3.6: Tố ộ
truyền ủ CRS khi
truyền CR khi
truyền của CRS
ng ỡng hịu nhiễu
ng ỡng chịu nhiễu Ith
(α= 0.2 0.35 0.5
ủ PU o
của PU thấp
0.7)
Nh ã tr nh b y ở h ơng 2 hệ số uốn α ó tá ộng qu n
trọng ến mứ nhiễu ngo i băng m sóng m ng gây r
3.5

ho PU. Hình

ũng ã hứng minh iều n y.Tuy nhiên khi α tăng th sẽ kéo

d i hu kỳ ký tự trong miền th i gi n. Do vậy hệ số uốn thự tế
lự

họn với giá trị trong khoảng 0-0,3.

3.2.3. Độ phức tạp tính toán khi áp dụng Full-filling

18

Hình 3.7 là số l

ng á sóng m ng on ần phải phân bổ

ông suất khi dùng Full-filling khikhông v

ó áp dụng

windowing.T thấy nếu không áp dụng windowing th thuật toán
Full-filling không

hiệu quả. Số l

ng biến giảm từ 20 xuống 19

và 18 sóng mang con khi Ith= 5,3 và 8,42.Khi áp dụng windowing
2

th số l

ng biến v

ộ phứ t p tính toán giảm một á h nh nh

chóng. Ví dụ, với Ith= 0,12 th khi kết h p full-filling với
windowing ó hệ số uốn a = 0 2 th số l
hỉ òn 11

ng biến giảm từ 20 xuống

ộ phứ t p tính toán giảm từ 26 xuống òn 11 5. Khi

ng ỡng hịu nhiễu Ith ủ PU tăng lên Ith ≥ 1 12 nếu kết h p giữ
full-filling v windowing th số l

ng biến hỉ òn l 4

tính toán t ơng ứng l 2 4 với á hệ số uốn

ộ phứ t p

khảo sát giảm tới

80% so với số biến b n ầu.

H nh 3.7: Số l

ng biến trong á kỹ thuật phân bổ ông suất

Nếu nhiễu do á sóng m ng on
t or

phân bổ ông suất tối

hiếm tỷ lệ lớn xấp xỉ Ith, thì có thể bỏ qu việ tính toán

ông suất tối u ho á sóng m ng òn l i. Khi ó b i toán trở về
nh phân bổ ông suất ều hỉ ó khá l

19

húng t

hỉ phân bổ đều


công suất tối đa cho một số, chứ không phải cho tất cả các sóng

Số biến ần tinh toán tối u
ông suất

mang con và số sóng mang còn lại không được phân bổ công suất.
120

Số biến ần tối u ủ W terfilling

100
80

Số biến tối u ủ FF không
windowing

60
40

Số biến ần tối u ủ FF với
windowing, a=0.2

20
0
10

20

30

40

50

60

70

80

90 100

Số sóng m ng on ủ CRS

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 ứu sinh ã xem xét mứ

ộ phức

t p tính toán khi áp dụng giải thuật Full-filling kết h p với
windowing trong tr

ng h p số l

Hình 3.8 ho thấy tr
l

ng sóng m ng on CRS th y ổi.

ng h p phân bổ tối u (water-filling) số

ng sóng m ng on ần tính toán phân bổ tối u bằng hính số

sóng mang con N ủ nó nên ộ phứ t p tính toán NlogN
Khi kết h p Full-filling với windowing thì số l

o nhất.
ng sóng

m ng on ần phải tính toán phân bổ ông suất giảm m nh v gần
nh hội tụ, không th y ổi khi băng thông ủ CRS tăng nên ộ phứ
t p tính toán không tăng. Nh vậy
CRS hiếm dùng

ó thể thấy khi băng thông mà

ng rộng th hiệu quả giảm ộ phứ t p tính toán

ủ giải thuật Full-filling

ng

với kỹ thuật windowing.Đây l

o

ặ biệt l khi sử dụng kết h p

u iểm khá

á giải pháp ận tối u khá .

20

ủ Full-filling so với


Chương 4: Nâng cao dung lượng CRS đa người dùng bằng kỹ
thuật windowing
4.1. Tổng quan về CRS đa người dùng
Ch ơng 4 nghiên ứu CRS ó nhiều ng

i dùng ùng một th i

iểm. Khi ó ần xử lý vấn ề phân hi t i nguyên băng thông giữ
ng

i dùng. Cơ hế FDMA dùng trong WLAN 802.11

xem xét

cho CRS.
4.2. Nhiễu giữa PU và CR trong CRS đa người dùng
Trong CRS

ng

i dùng do á ng

i dùng

c phân

nhóm sóng mang con khác nhau, không trực giao nên cần tính tới
yếu tốnhiễu giữ

á ng

i dùng.

4.3. Bài toán nâng cao dung lượng
Đối với b i toán

ng

i dùng dung l

tính toán t ơng tự nh tr
thêm yếu tố nhiễu giữ ng
l

ng tổng ủ từng ng

ng truyền tối

ũng

ng h p ơn ng

i dùng nh ng ó

i dùng v dung l

ng CRS l dung

i dùng. Để giải quyết b i toán n y

húng

t phải ần giải quyết h i b i toán: phân bổ sóng m ng on ho mỗi
ng

i dùng v phân bổ ông suất ho mỗi sóng m ng on.

4.4. Giải pháp phân bổ sóng mang con cho người dùng CRS
Giải thuậtphân chia sóng mang tỷlệ nghịch với nhiễu (IIA) ã
ề xuất trong nghiên cứu tr ớc. Tuy nhiên, việc phân chia
nghị h ảo với nhiễu Jn do PU gây r

ho CRS l

h

hoàn toàn h p

lý vìJn là giá trị không biết tr ớc. Việc phân bổ sóng mang con dựa
trên phân hi
củ PU

ều về nhiễu ũng dẫn ến ng

i dùng nằm c nh băng

c phân bổ ít sóng m ng hơn v gây nhiễu

ra, kỹ thuật windowing h

o hơn.Ngoài

ề cập tới trong nghiên cứu này.

21


Vì vậy trong h ơng 4 một số nội dung

ề xuất:

- Cải tiến giải thuậtIIA thành IIA-I, trong ó thay vì sử dụng
tham số nhiễu J từ PU sang CRS, sử dụng ng ỡng biết tr ớc Ith.
- Đề xuất giải thuật phân chia nghị h ảo với nhiễu có qui

chuyển về băng thông huẩn (Q-IIA) theo ó s u khi tính toán sơ bộ
số sóng mang cho từng ng i dùng, giải thuật sẽ gán về băng thông
 N  f 
kênh chuẩn ho ng i dùng ó.
N Q  IIA  ROUND k



k

B0




- Đề xuất sử dụng windowing ho CRS ng i dùng.
4.5. Kết quả mô phỏng dung lượng hệ thống CRS đa người dùng
Mô phỏng

thự hiện ho á tr

- Phân chi sóng m ng ho mỗi ng
pháp IIA-I, Q-IIA v

hi

- Thự hiện ho tr
Dung l

ng h p:

i dùng theo á ph ơng

ều (uniform);
ng h p ó v không áp dụng windowing.

ng truyền ủ CRS khi sử dụng kỹ thuật IIA-I, Q-

IIA uniform với windowing
IIA-I ódung l

ng truyền

biểu diễn t i h nh 4.1. Theo ó,
o nhất, tiếp theo l Q-IIA v kém nhất

là uniform. Cụ thể t i Ith=1mW IIA ho tố
IIA

t 65 Mbps

1.39

Q-IIA
IIA
Uniform

x 10

1.38

10

Capacity bps

Dung luong kenh bit/s

8

x 10

5

0
1

t 125 Mbps v Q-

o hơn 25% so với 52 Mbps ủ phân bố ều.

7

15

ộ

1.37
1.36
1.35

2

3

4
5
6
7
8
9
-4
Muc nhieu gioi han cho phep
1.34 x 10

1

Hình 4.1: dung l ng CRS với
IIA-I, Q-IIA phân hi ều

2

3

4
5
6
7
8
Interference Threshold Level

Hình 4.2: dung l ng của

CRSvới IIA, Q-IIA và phân chia

22

9

x 10


ều khi áp dụng windowing

không windowing
Khi có windowing thì số l

ng sóng m ng on

c phân bổ

tăng trong khi không sử dụng windowing, các sóng

công suất tối

mang nằm gần băng tần của PU và nằm giữ

á ng

i dùng CR

c phân chia công suấtrất nhỏ.
Đối với tr

giữ 2 ng

ng h p CRS

á ng

i dùng, các sóng mang nằm

i dùng CR, dù nằm x băng ủ PU

phân chia công suất. Điều n y
giữ

ng

i dùng củ CRS

ũng không

c

c lý giải là do yếu tố nhiễu
ng

i dùng.

Khi sử dụng windowing, do windowing làm giảm phát x phụ
của sóng mang con, tức giảm

giữ

á ng

i dùng, nên CRS

có thể phân chia công suất cho các sóng mang con nằm giữ 2 ng
dùng CR, dẫn ến dung l

ng CRS trong tr

i

ng h p Q-IIA có áp

dụng windowing (hình 4.2) tăng lên lên 134Mbps so với51 Mbps
tr

ng h p không sử dụng windowing.
Trong tr

ng h p IIA-I, không sử dụng windowing băng

thông của từng ng

i dùng CR

c phân chia trên bài toán tối u

mà không theo các kênh tiêu chuẩn ã

ịnh nghĩ tr ớc.Q-IIA

ó u iểm sát thực tế v băng thông ủa mỗi ng

i dùng CR là các

kênh tiêu chuẩn.Tuy nhiên, quá trình quy chuẩn băng thông n y l m
giảm tác dụng tối u hó

ủa kỹ thuật IIA-I nên dung l

trong Q-IIA thấp hơn IIA-I trong cả h i tr
không áp dụng windowing (hình 4.9).

23

ng CRS

ng h p áp dụng và


KẾT LUẬN
Luận án ã nghiên ứu tổng qu n về vô tuyến ó nhận thứ
á h ớng nghiên ứu về ông nghệ n y (Ch ơng 1); tập trung
nghiên ứu việ áp dụng kỹ thuật windowing v o b i toán nâng
dung l

o

ng hệ thống (Ch ơng 2);từ kết quả Ch ơng 2 nghiên ứu

sinh ề xuất giải thuật phân bổ ông suất Full-filling cho các sóng
m ng on ủ CR (Ch ơng 3). Trong Ch ơng 4 luận án ã mở rộng
b i toán nâng

o dung l

ng từ hệ thống ơn ng

Ch ơng 2 3 s ng b i toán

ng

i dùng trong

i dùng.

A. Các kết quả của luận án
Cá kết quả hính

t

ủ luận án b o gồm:

1. Đề xuất áp dụng kỹ thuật windowing cho hệ thống vô
tuyến có nhận thức dựa trên OFDM. Đề xuất này dự trên ơ sở:Kỹ
c xem xét trong các nghiên cứu tr ớc;Áp dụng

thuật này ch a

windowing giúp cho tốc ộ truyền của vô tuyến có nhận thức tăng
lên

áng kể so với khi không sử dụng windowing; Kỹ thuật

windowing

c sử dụng phổ biến trong họ 802.11 nên rất phù h p

và kinh tế khi sử dụng cho hệ thống dựa trên OFDM nh CRS.
2. Đề xuất giải pháp phân bổ công suất Full-filling cho các
sóng mang con của CR.
Luận án ề r giải pháp phân bổ ông suất tối

ho số l

ng

lớn nhất ó thể á sóng m ng on ủ CR trong khi ảm bảo iều
kiện tổng nhiễu ủ

á sóng m ng on n y gây r

bằng hoặ bằng mứ ng ỡng nhiễu hấp nhận

ho PU l gần
Ith ủ PU.Giải

pháp Full-filling ó thể thự hiện theo á h MFR hoặ PFR tùy theo
iều kiện thí h h p.Cá lý do ể ề xuất giải pháp Full-filling bao

gồm:Đây l giải pháp mới

h

á tá giả khá

24

ề xuất;Khi