Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

LÊ VĂN TÙNG

PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN
HỢP TÁC KHẢ TRI
Chuyên ngành:
Mã số:

Kỹ thuật viễn thông
60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI – 2017


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. LÊ NHẬT THĂNG

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

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

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ............... giờ.............. ngày ......... tháng ........... năm ...................

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông


1

LỜI MỞ ĐẦU
Truyền thông vô tuyến có một số đặc điểm : (1) Tài nguyên vô tuyến là hữu hạn và
ngày càng khan hiếm trong khi nhu cầu sử dụng lại ngày một tăng cao. Để đáp ứng được
lượng nhu cầu này phải sử dụng một cách hiệu quả và khai thác triệt để lượng tài nguyên
khan hiếm này. (2) Chất lượng truyền dẫn và môi trường truyền dẫn vô tuyến bị ảnh hưởng
nghiêm trọng bởi phading (chất lượng kém) trong khi đó các yêu cầu về chất lượng sử dụng
ngày càng tăng dẫn đến phải tối ưu các tham số đối lập. (3) Môi trường vô tuyến là hở dẫn
đến sự mất an ninh trong truyền dẫn. Điều này đồng nghĩa với việc đảm bảo an ninh trong
truyền dẫn là vô cùng cần thiết.
Từ các đặc điểm trên, xu hướng phát triển và tiến hóa tất yếu của các mạng thông tin vô
tuyến thế hệ sau là phải giải quyết được triệt để các ấn đề đối lập trên. Điều này dẫn đến xu
hướng họi tụ các công nghệ, kỹ thuật then chốt và tinh túy trong đó.
Xét trên phương diện tài nguyên, sử dụng hiệu quả tài nguyên thì vô tuyến khả tri và vô
tuyến hợp tác là hai nhóm giải pháp tiềm năng, then chốt, chủ đạo cho các mạng vô tuyến
thế hệ sau nhằm giải quyết các vấn đề khan hiếm phổ tần. Trong dó thì bài toán phân bổ tài
nguyên tối ưu lại là một trong những chủ đề then chốt.
Việc phân bổ tài nguyên của hệ thống vô tuyến hợp tác khả tri có thể thực hiện trên
nhiều khía cạnh riêng lẻ bao gồm : phân bổ tài nguyên công suất, lựa chọn chuyển tiếp, lập
lịch cho user, định tuyến cho mạng, phân bổ theo chất lượng dịch vụ QoS, phân bổ tài
nguyên theo trễ, phân bổ tài nguyên sóng mang con. Ngoài ra ta có thể kết hợp giữa nhiều
kỹ thuật khác nhau dựa trên bài toán tối ưu theo nhiều tham số.
Trong khuôn khổ của luận văn, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu và phân tích bài toán
phân bổ tài nguyên dựa trên hai kỹ thuật đó là phân bổ tài nguyên công suất và phân bổ tài
nguyên sóng mang con. Đây cũng là hai kỹ thuật nhận được khá nhiều sự quan tâm nghiên

cứu nhằm tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Chính vì vậy luận văn lựa chọn chủ đề “Phân
bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri” làm đề tài nghiên cứu với mục đích tối
đa hiệu năng hệ thống. Để tiện theo dõi, nội dung của các chương được khái quát lại như
sau:
-

Chƣơng 1: Trình bày tổng quát về hệ thông vô tuyến khả tri, các chức năng cũng
như cấu trúc hệ thống vô tuyến khả tri.
Chƣơng 2: Trình bày về vấn đề phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến khả tri
nói chung. Đồng thời sẽ đưa các các vấn đề cũng như phương pháp phân bổ công
suất và sóng mang con trong hệ thống vô tuyến khả tri.


2
-

Chƣơng 3: Trình bày về phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến khả tri dựa trên
OFDM. Đưa ra mô hình hệ thống cũng như bài toán phân bổ công suất và sóng
mang con cho mạng vô tuyến khả tri dựa trên OFDM. Mô phỏng, phân tích đánh
giá hiệu năng hệ thống.


3

CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN HỢP TÁC KHẢ TRI
1.1.Ý tƣởng và khái niệm về vô tuyến khả tri
Thuật ngữ “vô tuyến khả tri” xuất hiện lần đầu vào năm 1999 khi người ta nhận thấy hệ
thống vô tuyến khả tri là sự cải tiến của vô tuyến phần mềm :
“Vô tuyến khả tri là sự phát triển của vô tuyến phần mềm và nó có thể thiết lập các thông
số như băng tần, giao tiếp, giao thức trong môi trường biến đổi theo không gian và thời

gian nhằm điều tiết việc sử dụng phổ tần vô tuyến.”

Hình 1.1 : Lịch sử hệ thống vô tuyến khả tri.

Vô tuyến khả tri có 4 chức năng chính :






Cảm biến phổ (Spectrum sensing)
Quản lí phổ (Spectrum management):
Sử dụng phổ linh hoạt (Spectrum mobility):
Chia sẻ phổ (Spectrum Sharing):

Hình 1.2: Sử dụng phổ linh hoạt.


4

1.2.Chu trình hoạt động của vô tuyến khả tri.
1.2.1. Khái quát mạng vô tuyến khả tri
Băng phổ

Băng không cấp phép
Người dùng
xG

0

Bộ phân chia phổ

Băng cấp phép I
0
Truy nhập
mạng
chính

Trạm gốc chính

Các mạng
xG khác

Người dùng chính

Truy nhập
mạng xG

Băng cấp phép II

Trạm gốc xG

0
Truy nhập
ad hoc xG

Người dùng xG

Trạm gốc chính

Người dùng chính
Các mạng chính

Mạng xG
(không cần cơ sở hạ tầng)

Mạng xG
(có cơ sở hạ tầng)

Hình 1.3. Minh họa kiến trúc mạng vô tuyến khả tri CRN.

1.2.2. Mô hình kiến trúc hệ thống vô tuyến khả tri
Hình 1.4 minh họa, so sánh vô tuyến thông thường và vô tuyến được định nghĩa bằng
phần mềm SDR và vô tuyến khả tri CR.
Vô tuyến
thông thường

RF

Điều chế

Mã hóa

Tạo khung

Phần cứng

Vô tuyến định nghĩa
bằng phần mềm

RF

Phần mềm

Điều chế

Mã hóa

Tạo khung

Phần cứng

Vô tuyến
Khả tri

RF

Xử lí

Xử lí
Phần mềm

Điều chế

Mã hóa

Tạo khung

Xử lí

Xử lí thông minh (cảm nhận, quyết định, chia sẻ)
Phần cứng

Phần mềm

Hình 1.4. Minh họa, so sánh, vô tuyến thông thƣờng, vô tuyến đƣợc định nghĩa bằng phần
mềm SDR và vô tuyến khả tri CR.


5
Nhiều anten

Anten
băng rộng

Bộ ghép
song công

Băng tần = å∆fi

Lựa chọn tần số động
(DFS)

SDR-1 (∆f1)
Tự cấu hình

SDR-1 (∆f2)

Truyền thông/

Đầu ra

Phối hợp
lựa chọn
SDR-1 (∆fN)

Phát hiện lịch sử chiếm dụng tài
nguồn tài nguyên vô tuyến (IPD)

Cổng
định
thời

Điều khiển
công suất phát
(TPC)

Bộ tổng hợp
thích ứng

Đầu vào

Hình 1.5. Sơ đồ khối thực hiện vô tuyến khả tri CR dựa trên SDR.

Các kênh điều khiển nhóm

Các lớp cao hơn

Giao thức
quản lí kết nối

Giao thức
MAC

Lớp liên kết dữ liệu

Truyền dữ liệu

Quét phổ

Lớp con hội tụ

Giao thức
quản lí nhóm

Đo đạc kênh

Ngăn xếp
WWAN

Ngăn xếp
WLAN

Điều khiển công
suất truyền

Ngăn xếp
WPAN

Phát hiện người

dùng chính

Lớp Vật lí

Hình 1.6. Kiến trúc phân lớp tổng quát cho vô tuyến khả tri

1.2.3. Các yêu cầu khi thực hiện hệ thống vô tuyến khả tri
Vô tuyến khả tri phải sử dụng hai giao thức sau:


Lựa chọn tần số động (DFS):



Điều khiển công suất phát (TPC):

Ngoài ra, CR còn phải có khả năng IPD. IPD là khả năng để phát hiện người dùng sơ cấp
dựa trên một thông tin phổ đặc biệt.

1.2.4. Chức năng và hoạt động của hệ thống vô tuyến khả tri
Chức năng của hệ thống vô tuyến khả tri


6
Điều khiển ứng dụng

Suy hao, trễ chuyển giao

Chức năng

Thông tin định tuyến
Trễ lớp
liên kết

Chia sẻ
phổ

Tự cấu hình

Truyền tải

Thông tin định tuyến/
tự cấu hình

Lớp mạng

dịch chuyển
phổ

Yêu cầu về QoS

Ứng dụng

quản lí
phổ

Thông tin lập lịch/
tự cấu hình

Lớp liên kết dữ liệu

Cảm nhận
phổ

Lớp vật lí

Thông tin
cảm nhận

Chức năng

Thông tin
cảm nhận/
tự cấu hình

Quyết định chuyển giao, thông tin về phổ tần hiện tại và tương lai

Hình 1.7. Các chức năng truyền thông trong mạng vô tuyến khả tri CRN.
1.Thu thập các dữ liệu về sử dụng phổ



Quét phổ tần dải rộng, công suất thấp,
theo thời gian thực.
Lưu các thông tin về quy định sử dụng
phổ tần theo thời gian và không gian.

Lựa chọn
4. Thích ứng


Chuyển mạng tới băng tần chọn mới.

2. Phân tích dữ liệu

tần số



động



Đánh giá các dữ liệu phổ tần theo thời
gian thực.
Xác định dạng sóng truyền.

3. Đáp ứng


Định hình các đáp ứng với môi trường
phổ (chọn tần số và dạng sóng thích hợp
để sử dụng).

Hình 1.8. Các thành phần cơ bản của vô tuyến khả tri để lựa chọn tần số động.

Hoạt động điển hình của mạng vô tuyến khả tri
 Trên băng cấp phép
Trạm gốc chính

Trạm gốc thứ cấp

Mạng chính

Truy nhập
phổ tần động

Người dùng
chính

Mạng xG
Người dùng
xG

Người dùng
xG

Hình 1.9. Mạng vô tuyến khả tri hoạt động trên băng cấp phép.


7
 Trên băng không được cấp phép
Bộ phân chia phổ

Mạng xG
(Nhà cung cấp 1)

Mạng xG
(Nhà cung cấp 2)

Người dùng xG
(Nhà cung cấp 2)

Người dùng xG
(Nhà cung cấp 1)

Hình 1.10. Mạng vô tuyến khả tri hoạt động trên băng không đƣợc cấp phép.

1.3.Kiến trúc vật lý của hệ thống vô tuyến khả tri.
Các thành phần cơ bản về đầu cuối RF trong CR là:
+ Bộ lọc RF:
+ Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA):
+ Bộ trộn:
+ Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO):
+ Vòng khóa pha (PLL):
+ Bộ lọc lựa chọn kênh:

Điều khiển
(Tự cấu hình)

(a)

Xử lí băng gốc

Từ người dùng

Bộ chuyển đổi
tương tự-số
(A/D)

Máy phát

Tần số vô tuyến
(RF)

Tới người dùng

Đầu cuối RF



Máy thu

+ Mạch tự động điều chỉnh độ lợi (AGC):


8
Anten băng rộng
Bộ lọc
lựa chọn kênh

Bộ lọc RF
Bộ trộn

Mạch
tự động
Mạch
tự động
điều chỉnh
điều

độ lợichỉnh hệ số

khuếch đại
AGC

LNA

A/D
Bộ chuyển đổi
tương tự-số

Bộ khuếch đại
tạp âm nhỏ

VCO

PLL

(b)

Hình 1.11. Kiến trúc vật lí của vô tuyến khả tri: (a) Máy thu/phát của vô tuyến khả tri; (b)
Kiến trúc đầu cuối RF băng rộng.

1.4. Vô tuyến định nghĩa mềm (SDR) cho hệ thống vô tuyến khả tri.
1.4.1 Khái niệm Software-Defined Radio (SDR)
Hình 1.12 mô tả một hệ thống thông tin vô tuyến thông thường, chúng bao gồm 5 bộ
phận :

Hình 1.12 : Sơ đồ khối hệ thống thông tin vô tuyến.







Antenna :
RF frond-end :
Thành phần chuyển đổi tín hiệu digital-analog hoặc analog-digital.
Khối DDC hoặc DUC.
Phần Baseband Processing :


9

1.4.2. Mối quan hệ giữa SDR và vô tuyến khả tri.

Hình 1.13: Mối quan hệ giữa SDR và hệ thống vô tuyến khả tri

1.4.3. Kiến trúc SDR

Hình 1.14 : Kiến trúc hệ thống SDR

1.5. Ứng dụng của hệ thống vô tuyến khả tri
1.5.1.Đặc điểm của vô tuyến khả tri


Khả năng nhận thức:

10
Môi trường Vô tuyến

Các tác nhân
Vô tuyến

Tín hiệu truyền đi

QUYẾT ĐỊNH
PHỔ

Thông tin về các
hố phổ

Dung lượng
kênh

Các tác nhân
Vô tuyến

CẢM NHẬN
PHỔ

Thông tin về các
hố phổ

PHÂN TÍCH
PHỔ

Hình 1.15. Chu trình nhận thức



Khả năng tự cấu hình:

1.5.2.Ứng dụng của vô tuyến khả tri

Hình 1.16 : Phân loại ứng dụng vô tuyến khả tri


11

CHƢƠNG 2 : PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN TRONG MẠNG VÔ
TUYẾN HỢP TÁC KHẢ tri
2.1. Khái quát về phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến khả tri.
Bảng 2.1: Các tham số chuẩn IEEE 802.22

Parameters
Frequency range
Bandwidth
Modulation

Transmit power

Specification
54-862 MHz
6MHz, 7MHz, 8MHz
QPSK
16QAM
64QAM
4W

Multiple access

OFDMA

Hình 2.1 (a) phổ tần lớp phủ

Hình 2.1 (b) phổ tần lớp dƣới

Remarks
TV Band
Band of each channel
Fixed and adaptive
modulation
For USA, may vary in
other regulatory domains


12

Hình 2.1(c) kết hợp phổ tần lớp phủ và phổ tần lớp dƣới

2.2. Phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri

Hình 2.2 : Thành phần cơ bản phân bổ tài nguyên trong mạng vô tuyến hợp tác khả tri

2.3. Phân bổ tài nguyên công suất và sóng mang con trong vô tuyến hợp tác khả
tri
2.3.1. Phân bổ tài nguyên sóng mang con.
Đối với tất cả cac ngưỡng nhiễu và ràng buộc công suất để đáp ứng, ta phân bổ công

suất ngang bằng như sau


(1)
(2)
( L)


I
I
I
 Pt

Peq  min  , K Nth
, K Nth
,..., K Nth

(2)
( L) 
 N åå Fk(1)
F
F
åå
, n åå k , n
k ,n


k 1 n 1
k 1 n 1
k 1 n 1




(2.1)

K

k   j  

k  j, và  k  A
k 1

i) MaxR-SAA
Bài toán MaxR-SAA trong hệ thống vô tuyến khả tri dựa trên OFDM có thể được xây
dựng:
K

max

ååR

k
k 1,..., K k 1 nk

k ,n

2

hkss,n Pk ,n
 max å å log 2 1 

k
  2  å L J (l )
k 1,..., K k 1 nk
l 1 k , n

K






(2.2)


13
K

ååP
k 1 nk

theo điều kiện

k ,n

K

ååP
k 1 nk

k ,n

Fk(,ln)  I th(l ) , l  1, 2,..., L

 Pt , Pk ,n  0

trong đó Ωk thu được bằng cách thực hiện các bước sau:
1)Khởi tạo
a) Rk,n = 0 với k=1, …,K; n = 1,…,N;
b) Ωk = ∅ với k=1,…,k;
c) Cho n=1,…, N
2) Tìm người sử đụng CR k = arg max

hkss,n

2

 2  å l 1 J k(l,n)
L

, với k=1,…,K

3) Phân bổ sóng mang con n tìm thấy cho người dùng CR k, k  k  n ;
4) Cập nhật Rk,n theo (2.36)
ii) Minl-SAA
Bài toán Minl-SAA trong hệ thống CR dựa trên OFDMA có thể được xây dựng như
L

K

min åå å I k(l,n)  min
Pk , n

K

k
k 1,..., K l 1 k 1 nk

l 1 k 1 nk

K

ååP

Với giả thiết

L

åå å F

k 1 nk

k ,n

K

ååP
k 1 nk

k ,n

(l )
k ,n

* Pk ,n

(2.3)

Fk(,ln)  I th(l ) , l  1, 2,..., L
 Pt , Pk ,n  0

trong đó Ωk thu được bằng cách thực hiện các bước sau:
1)Khởi tạo
a) Rk,n = 0 với k=1, …,K; n = 1,…,N;
b) Ωk = ∅ với k=1,…,k;
2)Cho n=1,…,N
a) Tìm người dùng CR k=argmin å l 1 Fk(,ln) , cho k=1,…,K
(l )

b) Phân bổ sóng mang con n tìm được cho người dùng k, k  k  n ;


14
c) Cập nhật Rk,n theo (2.36)
iii) FairR-SAA
Sk ,n 



hkss,n

2



(2.4)

 2  å l 1 J k(l,n) * å l 1 Fk(,ln)
L

L

1) Khởi tạo:
a)

Rk,n = 0 với k=1,…,K; n=1,…,N;

b) Ωk = ∅ với k=1,…,K;
c) A={1,2,…,N};
2) Với k=1,…,K
a) Tìm sóng mang con n=argmaxSk,n, cho n∈A;
b) Phân bổ sóng mang con n vừa tìm được cho người dùng vô tuyến khả tri k,
k  k  n , A=A-{n};

c) Cập nhật Rk,n theo (2.36).
3) Trong khi A≠∅
a) Tìm người dùng vô tuyến khả tri k=argmin

åR

nk

k ,n

;

b) Với người dùng vô tuyến khả tri k vừa tìm được, tìm sóng mang con n-argmax
Sk,n, cho n∈A;
c) Phân bổ sóng mang con n vừa tìm được cho người dùng vô tuyến khả tri k,
k  k  n , A=A-{n};

d) Cập nhật Rk,n theo (a)

2.3.2. Phân bổ tài nguyên công suất.
i) Phân bổ công suất tối ưu
2

hkss,n Pk ,n
max å å log 2 1 
Pk , n
  2  å L J (l )
k 1 nk
l 1 k , n

K

Với điều kiện

K

ååP
k 1 nk

k ,n

K

ååP
k 1 nk

k ,n






(2.5)

Fk(,ln)  I th(l )

(2.6)

 Pt , Pk ,n  0

(2.7)


15
Bằng cách giới thiệu nhân tử Lagrange và các điều kiện Karush-Kuhn-Tucker, ta có thể

có được giải pháp tối ưu như:
L

 2  å l 1 J k(l,n) 
 , n  k ,
P   wk ,n 
ss 2


h
k ,n


*
k ,n

Trong đó wk ,n 

1

  å l 1 l Fk(,ln)
L

(2.8)

, và β và l là nhân tử Lagrange có thế được xác định theo

các điều kiện bắt buộc
ii) Phân bổ công suất bước
 Scheme A (Dựa trên khoảng cách): Công suất được phân bổ cho sóng mang con thứ n

được viết:
PnA  p * n

(2.9)

trong đó p là cỡ bước. Sau đó, theo ngưỡng nhiễu của người dùng chính, p có thể được trình
bày:
N

åK
n 1

n

* PnA  I th  p 

I th

(2.10)

N

åK
n 1

n

*n

L

trong đó K n  å Fk(,ln) biểu thị nhiễu tổng bị gây ra bởi sóng mang con thứ n được phân bổ
l 1

cho người dùng CR k cho tất cả những người dùng chính. Sau đó, theo các ràng buộc trong
công suất tổng được phân bổ cho người dùng CR, cỡ bước p được thể hiện:
N

åP

A
n

n 1

 Pt  p 

Pt

(2.11)

N

ån
n 1

Sử dụng các giải pháp ít được tính toán hơn bởi (2.10) và (2.11) là cỡ bước cuối cùng, và
thay thế nó đến (2.8) để có được giả trị PnA
 Scheme B (Dựa trên nhiễu):
PnB  p / K n

(2.12)

trong đó p là cỡ bước. Sau đó, theo, theo ngưỡng nhiễu của người dùng chính, p có thể được
trình bày:
N

åK
n 1

n

* PnB  I th  p 

I th
N

(2.13)


16
Sau đó, theo ràng buộc về công suất tổng được phân bổ cho người dùng CR, cỡ bước p
có thể được viết:
N

åP
n 1

B
n

 Pt  p 

Pt

(2.14)

N

å (1 / K
n 1

n

)

Sử dụng các giải pháp ít được tính toán hơn bởi (2.13) và (2.14) là cỡ bước cuối cùng, và
thay thế nó đến (2.12) để có được giả trị PnB
iii) Phân bổ công suất bình đẳng biến đổi




(1)
(2)
( L)
I th
I th
I th
 PT



Peq   , K
, K
,..., K

(2)
( L) 
 N å å Fk(1)
å
å Fk ,n 
, n å å Fk , n

k 1 n k
k 1 n k
k 1 n k


(2.15)


17

CHƢƠNG 3 : PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN SÓNG MANG CON VÀ TÀI
NGUYÊN CÔNG SUẤT CHO CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN HỢP
TÁC KHẢ TRI DỰA VÀO OFDMA
3.1. Giới thiệu về phân bổ tài nguyên sóng mang con và tài nguyên công suất.
3.2. Mô hình hệ thống và phát biểu bài toán.
Đáp ứng tần số của kênh là chọn lọc tần số
(không phẳng-băng rộng)

Đáp ứng biên độ kênh

a)

Kênh con
(phẳng-băng hẹp)

Sóng mang con

tần số

Người
dùng 1

b)

Người
dùng 2
Tần số
Người
dùng K

Trạm gốc: Phân bổ sóng mang con, tốc độ, công
suất

Mỗi người
dùng được giả
định là có các
độ lợi kênh

độc lập thống
kê, và được
trạm gốc phân
bổ một tập các
sóng mang
khác nhau

c)
b1

X1

b2

X2
Phân bổ sóng
mang con và
công suất

bK

Kênh của ngƣời
dùng 1

Phát
OFDMA
XN

x

Mỗi người
dùng được
trạm gốc BS
phân bổ một
tập các sóng
mang con
khác nhau

y1

Kênh của ngƣời
dùng 2

y2

Kênh của ngƣời
dùng K

yK

Thu OFDMA của
ngƣời dùng 1
Thu OFDMA của
ngƣời dùng 2

Thu OFDMA của
ngƣời dùng K

Thông tin kênh

Hình 3.1 Mô hình phân bổ tài nguyên OFDMA, N kênh con cho K ngƣời dùng

Hình 3.2. Phân bố ngƣời dùng chính (PU) và ngƣời dùng CR (SU) trong không gian


18
i) Nhiễu gây ra bởi tín hiệu của người dùng vô tuyến khả tri lên PU.
 sin  fTs 
 Pk ,nTs 

  fTs 

k ,n

I

(l )
k ,n

sp 2
k ,n

h

2

(3.2)
2

 sin  fTs 

Pk ,nTs 

 df
dnl  Bl /2

fT
s


dnl  Bl /2

(3.3)

Trong đó dnl biểu thị khoảng cách phổ giữa các sóng mang con thứ n và băng PU thứ l.
Sau đó, phương trình (2.38) trở thành:
I k(l,n)  Pk ,n * Fk(,ln)

(3.4)

ii) Nhiều được gây ra bởi tín hiệu của người dùng chính lên SU.
Mật độ phổ công suất của tin hiệu người dùng chính sau khi xử lý biến đổi Fourier nhanh
(FFT) có thể được diễn tả:
E I N ( w) 

1
2 M





J k(l,n)  hkps,n

2

 sin( w  ) M / 2 
d
 sin( w  ) / 2 

PU (e jw ) 



dnl f /2

dnl f /2

(3.5)

E I N ( w)dw

(3.6)

iii) Nhiều được gây ra bởi tín hiệu giữa các người dùng vô tuyến khả tri.
Nhiễu qua lại giữa sóng mang con thứ n của người dùng thứ m và sóng mang con thứ i
của người dùng thứ k được xác định

M

( m ,k )

n ,i

d

( m ,k )
n ,i

( m)
n

,P

 h

ss ( m ,k ) 2
n ,i

 sin  fTs  
( m ) ( m ,k )
P Tx  
 df  Pn An ,i
 fTs 
,k )
d n( m
f /2 
,i
,k )
d n( m
f /2
,i

2

( m)
n
s

iv) Xây dựng bài toán.
2

hkss,n Pk ,n
max åå k ,n log 2 1 
Pk , n , k , n
  2  å L J (l )
k 1 n 1
l 1 k , n

K

N

K

åå

Với điều kiện

k 1 nk

K

ååP
k 1 nk
K

å
k 1

k ,n

k ,n

 1,






P Fk(,ln)  I th(l ) , l  1, 2,..., L

k ,n k ,n

 Pt , Pk ,n  0

k ,n  0,1

(3.7)

19
2

hkss,n Pk ,n
Rk  å  k ,n log 2 1  2
   å L J k(l,n)
n 1
l 1

N






(3.8)

3.3. Phân bổ tài nguyên sóng mang con và phân bổ tài nguyên công suất.
3.3.1.Phân bổ sóng mang con và công suất tối ƣu.
3.3.2.Phân bổ sóng mang con và công suất cận tối ƣu.
3.3.2.1. Cấp phát kênh con cận tối ƣu
1. Khởi tạo
Đặt Rk=0, k   với k=1,2,…,K và A={1,2,…,N}
2. Cho k chạy từ 1 đến K
(a) tìm n thoả mãn H k , n  H k , j với mọi j  A
(b) cho k  k  n , A=A-{n} và cập nhật Rk theo (3.8)
3. Khi A   thì
(a) tìm k thoả mãn Rk /wk  Ri /wi với mọi i, 1  i  K
(b) với k tìm được, tìm n thoả mãn H k ,n  H k , j với mọi j  A

(c) với k và n tìm được, cho k  k  n , A=A-{n} và cập nhật Rk theo (3.8)
3.3.2.2. Phân bố công suất tối ƣu cho các ngƣời dùng SU đã đƣợc cấp phát kênh con
Để cấp phát kênh con tất định, bài toán tối ưu được công thức hóa như sau
K

max å å
pk ,n

k 1 nk

2

hkss,n pk ,n 

log 2 1  2
   å L J k(l,n) 
l 1



K

với các ràng buộc:

åå
k 1 nk

P Fk(,ln)  I th(l ) , l  1, 2,..., L

k ,n k ,n

K

å åp
k 1 n k

k ,n

 Ptotal

pk , n  0 với mọi k,n

(3.9)


20
 k rời rạc với mọi k
1  2  ...  k  1,2,..., N 

trong đó:  k là tập kênh con cho người dùng thứ k; k & l loại trừ tương hỗ nhau khi
k l.

1) Phân bố công suất cho một người dùng cụ thể:
Bằng cách định nghĩa Pk ,tot là công suất tổng được phân bổ cho người dùng thứ k và
dùng (3.14), thì Pk ,tot được biểu diễn là
Nk

Nk

H k ,n  H k ,1

n 1

n2

H k ,n H k ,1

Pk ,tot  å pk ,n  N k pk ,1  å

(3.15)

với k = 1, 2,...,K.
2) Phân bố công suất giữa nhiều người dùng:
i) Trường hợp tuyến tính:
ii) Trường hợp tỉ lệ kênh trên tạp âm lớn:

3.4. Mô phỏng hiệu năng phân bổ tài nguyên sóng mang con và công suất
3.4.1.Các tham số đặc trƣng trong mô hình mô phỏng

Hình 3.4. Đáp ứng xung kim CIR và đáp ứng tần số của các ngƣời dùng


21

Hình 3.5. Phân bổ kênh con và công suất giữa các ngƣời dùng

Hình 3.6. Phân bổ kênh con và dung lƣợng giữa các ngƣời dùng

3.5.Kết luận
Từ các kết quả mô phỏng trên ta có thể thấy được với thuật toán phân bổ sóng mang con

sẽ tìm được kênh con có đáp ứng kênh tốt nhất đối với người dùng. Từ đó phân bổ sóng
mang con này cho người dùng đó. Sau khi đã người dùng đã được phân bổ sóng mang con,
thuật toán “Water-filling” sẽ thực hiện phân bổ lại công suất cho người dùng sao cho vẫn
đáp ứng được yêu cầu về tổng dung lượng và nhiễu ảnh hưởng đến người dùng chính (PU)


22

KẾT LUẬN
Luận văn đã trình bày tổng quan về hệ thống vô tuyến khả tri cũng như bài toán phân
bổ tài nguyên công suất và sóng mang con cho mạng vô tuyến khả tri. Các kiến thức nền
tảng và các kết quả nghiên cứu, tìm hiểu được trình bày trong luận văn với bố cục ba
chương như sau : (1) Tổng quan về vô tuyến khả tri; (2) Phân bổ tài nguyên trong mạng vô
tuyến hợp tác khả tri. (3) Phân bổ tài nguyên sóng mang con và công suất trong mạng vô
tuyến hợp tác khả tri dựa vào OFDMA.
Dựa vào kiến trúc hệ thống, cũng như tính cấp thiết trong lý thuyết và mô phỏng,
luận văn đã đưa ra bài toán cho việc phân bổ tài nguyên công suất và tài nguyên sóng mang
cho hệ thống vô tuyến khả tri đó là cần xây dựng thuật toán phân phổ tài nguyên cho các
người dùng vô tuyến khả tri trong điều kiện ràng buộc nhiễu không ảnh hưởng tới người
dùng chính (PU) vượt quá mức nhiễu yêu cầu của hệ thống nhưng vẫn đảm bảo được tối đa
dung lượng cũng như chất lượng cho các người dùng này.
Cuối cùng, luận văn cũng tìm hiểu, tham khảo và phân tích, đưa ra phương án lý
thuyết cũng như mô phỏng cho bài toán phân bổ tài nguyên công suất và tài nguyên sóng
mang con theo các điều kiện ràng buộc ở trên. Phương án này có thể được chia thành hai bài
toán : Bài toán tối ưu đồng thời cho các ràng buộc về công suất và sóng mang con. Tuy
nhiên các này rất tốn tài nguyên cũng như độ phức tạp tương đối cao. Vì vậy luận văn đưa
ra phương án thứ hai là bài toán cận tối ưu được xây dựng theo các giai đoạn : (1) Thực hiện
phân bổ sóng mang con cho các người dùng vô tuyến khả tri khi coi như công suất được
phân bổ cho mỗi người dùng là như nhau (phân bổ đều). (2) Sau khi đã phân bổ sóng mang
con cho người dùng, thuật toán “Water-filling” sẽ được sử dụng để phân bổ công suất cho

những người dùng trên. Kết quả cũng đã cho thấy bài toán yêu cầu được giải quyết với độ
phức tạp của thuật toán cũng như yêu cầu về tài nguyên xử lý tốt hơn.


23

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Muhammad Naeem, Alagan Anpalagan, Muhammad Jaseemuddin, Daniel C.Lee,
2013, “Resource Allocation Techniques in Cooperative Cognitive Radio Networks”, IEEE
communications surveys & tutorials, Vol 16, 11-09
[2]

Pei Zhang, Longxiang Yang, Xu Liu, 2010, “Subcarrier and Power Allocation in

OFDM-based Congnitive Radio Systems”, I.J. Computer Network and Information Security,
1, 24-30.
[3]

Xiaoxia Zhang, Xuemin (Sherman) Shen, Liang-Liang Xie, 2014, “Joint Subcarrier

and Power Allocation for Cooperative Communications in LTE-Advanced Networks”, Vol
13, No 2.
[4]

Tao Jiang, Zhiqiang Wang, Yang Cao, 2015, “Cognitive Radio Networks”, Efficient

Resource Allowcation in Cooperative Sensing, Cellular Communications, High-Speed
Vehicles, and Smart Grid.
[5]

Soren Anderson, 2009 “Optimizing wireless communication systems”

[6]

Shaolei Ren, Mihaela van der Schaar, 2009, “Revenue Maximization and Distributed

Power Allocation in Cognitive Radio Networks”
[7]
F. W.-Jiang, J. W.-Heng; W. R. Ru, 2010 “Joint Resource Allocation in
Cluster-Based
Cognitive
Radio
Networks,”
Proc.
IEEE
Int.
Conf.
Commun. and Mobile Computing
[8] Y. Zhang, J. Zheng and H. H. Chen, 2010 “Cognitive radio networks:
architectures, protocols, and standards” ,CRC Press
[9] />[10] Joanna Guenin, 2008, "IEEE SCC41 Standards for Dynamic Standards for Dynamic
Spectrum Access Networks", IEICE Software & Cognitive Radio IEICE Software &
Cognitive Radio Expo & Technical Conference
[11] O.Simeone, J.Gambini , Y.Bar-Ness, 2013, "Cooperation and Cognitive radio", Vol 32