Giải pháp phân chia tần số và công suất dưới điều kiện ràng buộc nhiễu cho truyền thông nhận thức sử dụng OFDM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN TIẾN HÒA

GIẢI PHÁP PHÂN CHIA TẦN SỐ VÀ CÔNG SUẤT
DƯỚI ĐIỀU KIỆN RÀNG BUỘC NHIỄU
CHO TRUYỀN THÔNG NHẬN THỨC SỬ DỤNG OFDM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

HÀ NỘI - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN TIẾN HÒA

GIẢI PHÁP PHÂN CHIA TẦN SỐ VÀ CÔNG SUẤT
DƯỚI ĐIỀU KIỆN RÀNG BUỘC NHIỄU
CHO TRUYỀN THÔNG NHẬN THỨC SỬ DỤNG OFDM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã ngành: 62520208
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐỨC

HÀ NỘI - 2016

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 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 kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được
trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định.
Hà Nội, ngày 01 tháng 09 năm 2016
Tác giả

Nguyễn Tiến Hòa


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được đề tài luận án này, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến
các Thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật Thông tin và các đồng nghiệp tại bộ môn
Mạch và Xử lý Tín hiệu, Viện Điện tử Viễn thông đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong
suốt quá trình làm luận án Tiến sĩ tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi
xin cảm ơn đến Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Đức đã hướng dẫn
và chỉ bảo trong suốt quá trình làm luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến
TS Nguyễn Thành Hiếu về những góp ý quan trọng đối với luận án này.


MỤC LỤC

MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iv

DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vii

DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

x

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

Chương 1. NHIỄU VÀ DUNG LƯỢNG TRONG MẠNG TRUYỀN
THÔNG NHẬN THỨC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.1. Truyền thông nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.2. Ứng dụng OFDM trong truyền thông nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

1.2.1. Lợi ích sử dụng OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

1.2.2. Vì sao OFDM được ứng dụng trong truyền thông nhận thức . . .

17

1.3. Nhiễu trong mạng truyền thông nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

1.3.1. Các giải pháp giảm búp sóng phụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

1.3.2. Nhiễu từ SU sang PU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

1.3.3. Nhiễu từ PU sang SU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

1.3.4. Nhiễu giữa SU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

1.4. Dung lượng kênh của hệ thống truyền thông nhận thức . . . . . . . . . . . .

26

1.4.1. Dung lượng kênh của hệ thống SISO-OFDM CR . . . . . . . . . . . . . . .

26

1.4.2. Dung lượng kênh của hệ thống MIMO-OFDM CR . . . . . . . . . . . . .

27

1.5. Tối ưu có ràng buộc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

1.6. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

Chương

2. PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN TRONG HỆ THỐNG CR

ĐƠN NGƯỜI DÙNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

2.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

i


ii

2.2. Mô hình hệ thống CR-OFDM đơn người dùng và đặt vấn đề . . . . . . .

38

2.3. Các mô hình đối với các điều kiện giới hạn nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

2.3.1. Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ khi PU cần bảo vệ với một mức
giới hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

2.3.2. Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ khi PU cần bảo vệ với nhiều
mức giới hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

2.3.3. Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ khi PU cần bảo vệ với nhiều
mức giới hạn can nhiễu dựa trên tham số SINR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

2.4. Đề xuất cách tính nghiệm giải tích phân bổ công suất tối ưu với các điều
kiện biên cho hệ thống CR-OFDM đơn người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

2.4.1. Lời giải cho mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ với một mức giới
hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

2.4.2. Lời giải cho mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ với nhiều mức giới
hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

2.4.3. Lời giải cho mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ với nhiều mức giới
hạn dựa trên tham số SINR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

2.5. Giải pháp phân bổ công suất cận tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

2.5.1. Giải pháp phân bổ công suất đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

2.5.2. Giải pháp Scheme A, Scheme B của Bansal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

2.5.3. Đề xuất giải pháp bám nhiễu bậc hai SOIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

2.6. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

2.6.1. Phân bổ công suất tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

2.6.2. Phân bổ công suất cận tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

2.7. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

Chương 3. PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN TRONG HỆ THỐNG CR ĐA
NGƯỜI DÙNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

3.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

3.2. Mô hình hệ thống CR-OFDM đa người dùng và đặt vấn đề . . . . . . . .

69

3.3. Vấn đề phân chia kênh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

3.3.1. Giải pháp phân chia kênh đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

3.3.2. Đề xuất giải pháp phân chia kênh động (IIA) dựa trên nhiễu từ PU
sang SU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70


iii

3.3.3. Đề xuất giải pháp phân chia kênh động (CCA) dựa trên nhiễu từ SU
sang PU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

3.4. Vấn đề phân bổ công suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

3.4.1. Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

3.4.2. Đề xuất cách tính nghiệm phân bổ công suất giải tích tối ưu với các
điều kiện biên cho hệ thống CR-OFDM đa người dùng . . . . . . . . . . . . . . .

77

3.4.3. Giải pháp phân bổ công suất đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

3.4.4. Đề xuất mở rộng giải pháp bám nhiễu bậc hai SOIT . . . . . . . . . . .

81

3.4.5. Đề xuất mở rộng giải pháp Scheme A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

3.4.6. Đề xuất mở rộng giải pháp Scheme B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

3.5. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

3.5.1. Phân bổ công suất tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

3.5.2. Phân bổ công suất cận tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

93

3.6. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97

KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . . . .

102


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

4G

The fourth Generation

Thế hệ thứ 4

5G

The fifth Generation

Thế hệ thứ 5

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu tạp âm Gauss trắng

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bít

CCA

Cognitive Carrier Aggregation

Tập hợp sóng mang
con thông minh

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập
phân chia theo mã

CR

Cognitive Radio

Truyền thông nhận thức

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CBS

Cognitive Base Station

Trạm truyền thông
nhận thức

CRN

Cognitive Radio Network

Mạng truyền thông

nhận thức

CPE

Customer Premises Equipment

Thiết bị khách hàng cơ sở

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

DCC

Dynamic Carriers Cancellation

Chèn không động

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DSA

Dynamic Spectrum Access

Truy cập phổ động

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lý tín hiệu số

ETSI

European Telecommunications

Viện Tiêu chuẩn

Standards Institute

Viễn thông châu Âu

EVD

Eigenvalue Decomposition

Phân tích trị riêng

FCC

Federal Communications

Ủy ban Truyền

Commission

thông Liên bang

Frequency Division Duplexing

Phân chia tần số song công

FDD

iv


v

FDMA

Frequency Division Multiple

Đa truy cập phân chia

Access

tần số

FFT

Fast Fourier Transform

Biến đổi nhanh Fourier

ICI

Inter Channel Interference

Nhiễu liên kênh

IDFT

Inverse Discrete Fourier

Biến đổi ngược Fourier

Transform

rời rạc

Institute of Electrical

Viện công nghệ Kỹ sư

and Electronics Engineers

Điện và Điện tử

Inverted Interference

Phân chia nghịch

Assignment

đảo nhiễu

IPC

Interference Power Constraint

Công suất can nhiễu giới hạn

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu liên ký tự

KKT

Karush-Kuhn-Tucker

Karush-Kuhn-Tucker

LAN

Local Area Network

Mạng máy tính cục bộ

LP

Linear Programming

Quy hoạch tuyến tính

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

MAC

Medium Acess Control Layer

Lớp điều khiển truy cập

MDR

Minimum Data Rate

Tốc độ truyền tối thiểu

MIMO

Multiple-Input-Multiple-Output

Ăng-ten đa đầu vào đa đầu ra

NLP

Non-Linear Programming

Quy hoạch không tuyến tính

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia

Multiplexing

tần số trực giao

IEEE
IIA

OFDMA Orthogonal Frequency Division
PAPR

Đa truy cập phân

Multiplexing Access

chia tần số trực giao

Peak-to-Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh
trên công suất trung bình

PHY

Physical Layer

Lớp vật lý

PR

Primary Receiver

Máy thu sơ cấp

PSD

Power Spectrum Density

Mật độ phổ công suất

PT

Primary transmitter

Máy phát sơ cấp

PU

Primary User

Người dùng sơ cấp

PUs

Primary User System

Hệ thống người dùng sơ cấp


vi

QoS

Quality of Service

Chất lượng phục vụ

SDR

Software-Defined Radio

Vô tuyến định nghĩa
bằng phần mềm

SISO

Single-Input-Single-Output

Đơn Ăng-ten thu phát

SINR

Signal to Interference

Tỷ số tín hiệu trên

plus Noise Ratio

tạp âm cộng nhiễu

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

SOIT

Second Order Interference

Bám nhiễu bậc hai

Tracking
SR

Secondary Receiver

Phía thu thứ cấp

ST

Secondary Transmitter

Phía phát thứ cấp

SU

Secondary User

Người dùng thứ cấp

SUs

Secondary User System

Hệ thống người dùng thứ cấp

SVD

Singular Value Decomposition

Phân tích giá trị đơn

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân
chia thời gian

WIFI

Wireless Fidelity

WRAN

Wireless Regional Area Network Mạng không dây khu vực

WLAN

Wireless Local Access Network

Mạng máy tính cục bộ

WiMAX

Worldwide Interoperability

WiMAX

for Microwave Access

Mạng không dây


DANH MỤC HÌNH VẼ

1

Các phương pháp cảm biến tần số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2

Phương pháp truy cập phổ xen lẫn và lót . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3

Tổng quan các vấn đề phân bổ tài nguyên trong mạng CR . . . . . . 8

1.1

Mô hình hố phổ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.2

Phổ của một sóng mang con với các hệ số uốn β khác nhau . . . . . . 19

2.1

Mô hình phân chia phổ tần giữa hệ thống CR và PU . . . . . . . . . 36

2.2

Mô hình phân bổ công suất Bansal Scheme A . . . . . . . . . . . . . . 51

2.3

So sánh nghiệm giải tích tối ưu và kết quả giải bằng công cụ CVX . . 53

2.4

So sánh xấp xỉ đa thức bậc cao với nghiệm giải tích tối ưu . . . . . . 54

2.5

Giải pháp phân bổ công suất bám nhiễu bậc hai (SOIT) cho hệ
thống CR-OFDM đơn người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.6

Công suất phát phân bổ trên sóng mang con trong hệ thống CROFDM đơn người dùng khi tổng công suất can nhiễu từ SU sang
PU giới hạn ở mức Ith = 10−4 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.7

Nhiễu tương hỗ giữa hệ thống PU và SU khi tổng công suất can
nhiễu từ SU sang PU giới hạn ở mức Ith = 10−4 W . . . . . . . . . . . 60

2.8

Công suất phát phân bổ trên sóng mang con trong hệ thống CROFDM đơn người dùng khi tổng công suất can nhiễu từ SU sang
PU giới hạn ở mức với Ith = 9 × 10−4 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.9

Nhiễu giữa hệ thống PU và SU khi tổng công suất can nhiễu từ
SU sang PU giới hạn ở mức Ith = 9 × 10−4 W . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.10 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM đơn người
dùng khi sử dụng hai loại cửa sổ Tukey và chữ nhật. . . . . . . . . . . 62
2.11 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM đơn người
dùng giữa các giải pháp phân bổ công suất với kênh lý tưởng . . . . . 63

2.12 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM đơn người
dùng giữa các giải pháp phân bổ công suất với kênh Rayleigh . . . . 64
vii


viii

2.13 So sánh dung lượng kênh của hệ thống SISO và MIMO CR-OFDM
đơn người dùng với kênh Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1

Mô hình cùng hệ thống CR cùng hoạt động với PU . . . . . . . . . . 68

3.2

Phân chia kênh động (IIA) dựa trên bản đồ can nhiễu từ PU sang SU 71

3.3

Phân chia kênh động (CCA) dựa trên bản đồ can nhiễu từ SU sang PU73

3.4

Đề xuất mở rộng giải pháp bám nhiễu bậc hai (SOIT) cho hệ
thống CR-OFDM đa người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.5

Đề xuất mở rộng giải pháp Scheme A cho hệ thống CR-OFDM
đa người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.6

Công suất phát đơn vị (dBm) trên các sóng mang con trong hệ
thống CR-OFDM hai người dùng, khi sử dụng bốn giải pháp phân
chia kênh với Ith = 10−4 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.7

Công suất phát đơn vị (W) trên các sóng mang con trong hệ thống
CR-OFDM hai người dùng, khi sử dụng bốn giải pháp phân chia
kênh với Ith = 10−4 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.8

So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng
giữa bốn giải pháp phân bổ tần số khi công suất được phân bổ tối ưu 92

3.9

So sánh tổng công suất phát giữa bốn giải pháp phân chia kênh
động khác nhau khi công suất được phân bổ tối ưu . . . . . . . . . . 93

3.10 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng,
phân chia kênh đều, khi sử dụng các giải pháp phân bổ công suất
phát khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.11 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng,
phân chia kênh theo giải pháp đề xuất CCA, khi sử dụng các giải
pháp phân bổ công suất phát khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.12 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng,

phân chia kênh theo giải pháp đề xuất IIA, khi sử dụng các giải
pháp phân bổ công suất phát khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.13 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng,
phân chia kênh theo giải pháp đề xuất kiểu SuperWiFi, khi sử
dụng các giải pháp phân bổ công suất phát khác nhau. . . . . . . . . 97


DANH MỤC BẢNG

1.1

Biểu đồ so sánh các hiệu năng các kỹ thuật giảm búp phụ . . . . . . 22

3.1

So sánh số lượng sóng mang con giữa những cặp người dùng SU
sử dụng cũng như công suất phát tổng cộng của hệ thống CROFDM với các giải pháp phân chia kênh động đề xuất khi mức
công suất can nhiễu giới hạn từ SU sang PU Ith = 10−4 W . . . . . . . 90

3.2

So sánh mức công suất phát trên các sóng mang con trong hệ
thống CR-OFDM với các giải pháp phân chia kênh động đề xuất
khi mức công suất nhiễu giới hạn Ith = 10−4 W . . . . . . . . . . . . . 91

3.3

So sánh các giải pháp phân chia kênh động với công suất phát
được phân bổ tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

ix


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

Ký hiệu

Ý nghĩa

a

a là biến số

a

a là một véc-tơ

A−1

Nghịch đảo của ma trận A

A

A là một ma trận

ai,j

Phần tử hàng thứ i cột thứ j của ma trận A

AT

Chuyển vị của ma trận A

AH

Chuyển vị liên hợp phức của ma trận A

Cx

Ma trận hiệp phương sai của tín hiệu x

I

Nhiễu từ SU sang PU

Ith

Mức ngưỡng nhiễu giới hạn của hệ thống PU

(l)

Ith

Mức ngưỡng nhiễu giới hạn của hệ thống PU thứ l

h(x)

Entropy vi phân của tín hiệu x

J

Nhiễu từ PU sang SU

K

Số người dùng SU

L

Số lượng dải tần được cấp phép

Mth

Công suất can nhiễu giới hạn trong hệ thống SU

(m,k)

Mn,i

Nhiễu giữa người dùng SU

N

Số lượng sóng mang con của hệ thống SU

N (k)

Số lượng sóng mang con của người dùng SU thứ k

O(.)

Bậc của số lượng bước tính toán
x


xi

Pi

Công suất phát trên sóng mang con thứ i

Pth

Công suất phát tối đa trên mỗi sóng mang con

Ptot

Quỹ công suất phát tổng cộng

P

Công suất trung bình

Ri

Tốc độ dữ liệu

E{.}

Kỳ vọng thống kê

tr (A)

Vết của ma trận A

det (A)

Định thức của ma trận A

(.)T

Chuyển vị

(.)H

Chuyển vị Hermitian


GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

1. Tính cấp thiết của luận án
Sự tăng trưởng theo cấp số nhân của các hệ thống thông tin không dây đã
mở ra những thách thức mới trong việc thiết kế mạng và quản lý tài nguyên
vô tuyến [47]. Một trong những thách thức lớn mà chúng ta đang đối mặt
trong các hệ thống truyền thông không dây đó là nhu cầu ngày càng lớn về
nguồn tài nguyên tần số đến từ những yêu cầu về dịch vụ dữ liệu tốc độ cao
như đa phương tiện và các dịch vụ khác. Thiết kế, xây dựng một hệ thống
thông tin không dây với hiệu suất sử dụng phổ tần cao là một trong những
mục tiêu nghiên cứu quan trọng được cả cộng đồng khoa học và công nghệ
nghiên cứu trong một thập kỷ trở lại đây. Trong truyền thông không dây,

nhiều giải pháp hay kỹ thuật khác nhau đã được đề xuất để sử dụng các
nguồn tài nguyên vô tuyến khan hiếm một cách hiệu quả. Những giải pháp
hay kỹ thuật này liên quan đến chiến lược cũng như các thuật toán nhằm
kiểm soát công suất phát, phân bổ tần số, điều chế và mã hóa thích ứng.
Mục tiêu chính của việc quản lý tài nguyên vô tuyến là sử dụng các nguồn
tài nguyên này một cách hiệu quả nhất.
Theo các nghiên cứu của Ủy ban Truyền thông Liên bang FCC của Mỹ
(Federal Communication Commission), hiệu quả việc sử dụng các tần số được
cấp phép là thấp [21]. Báo cáo này đã chỉ ra rằng các chính sách phân bổ
tài nguyên tần số có thể không hiệu quả. Hệ thống truyền thông nhận thức
(CR: Cognitive Radio System) được đề xuất lần đầu tiên bởi Mitola [55] là
một công nghệ đầy hứa hẹn có khả năng giải quyết các vấn đề sử dụng phổ
tần hiệu quả. Ý tưởng của truyền thông nhận thức đó là cho phép người sử
dụng thứ cấp SU (Secondary User), còn được gọi là người sử dụng không có
giấy phép, trong mạng lưới truyền thông có thể chia sẻ những phổ tần được
phân bổ cho một số người dùng sơ cấp PU (Primary User), là người dùng sơ
cấp hay còn gọi là người dùng được cấp phép LU1 (Licensed User), khi những
1 Thuật

ngữ "LU" và "PU" là đồng nghĩa trong luận án này

1


2

phổ tần đó trống tạm thời. Các khe tần số khi không được sử dụng có thể
biến thành các cơ hội tiềm năng trong việc sử dụng tần số tạm thời và an
toàn. Trong khi truy cập phổ của PU, một điều rất quan trọng đó là hạn chế
sự can nhiễu từ phía truyền thông nhận thức CR2 thấp hơn mức cho phép

của hệ thống PU. Nhiều hình thức khác nhau đối với giới hạn can nhiễu đã
được sử dụng trong các tài liệu, chẳng hạn như: giới hạn can nhiễu đỉnh, giới
hạn can nhiễu trung bình, giới hạn tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và tạp âm SINR,
v.v. Cách sử dụng phổ tần trống tạm thời của hệ thống PU này có thể được
coi là phương pháp quản lý tài nguyên tần số đa chiều trong miền tần số,
thời gian hay không gian. Và qua đó hiệu quả trong việc sử dụng phổ tần có
thể được cải thiện rất nhiều thông qua cách sử dụng này.
Rất nhiều các nghiên cứu đã chỉ ra rằng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang
trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được ứng
dụng như một phương pháp điều chế rất phù hợp cho các hệ thống truyền
thông nhận thức [32], [41], [48], [77]. Các tính chất cũng như khả năng của
hệ thống sử dụng OFDM làm cho nó phù hợp với các hệ thống truyền thông
nhận thức. OFDM một mặt cung cấp khả năng sử dụng hiệu quả phổ tần và
điều đó cũng là mục đích của hệ thống CR. Điều này có được do các sóng
mang con trong hệ thống OFDM là gần nhau, chồng chéo nhưng không gây
nên can nhiễu nhờ sự trực giao của các sóng mang con. Mặt khác một ưu
điểm khác của OFDM là tính chất linh hoạt và thích ứng. Các sóng mang
con có thể được bật và tắt tùy theo môi trường truyền dẫn và do đó có thể
hỗ trợ hệ thống CR tạo nên các khuôn phổ theo các hố phổ trống tạm thời.
Điều này được OFDM thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng các bộ biến đổi
Fourier nhanh (FFT). Bộ này có thể được thực hiện bằng cách xử lý tín hiệu
kỹ thuật số sử dụng phần mềm [54], [55], [56]. Ngoài ra OFDM giúp tăng
hiệu quả dung lượng của đường truyền tải dữ liệu, đồng thời làm giảm nhiễu
ISI và cho phép phân tập đa người dùng khắc phục pha-đinh lựa chọn tần
số, giúp tăng cường việc sử dụng phổ tần nói chung [39].
Trong mạng truyền thông người sử dụng chính PU luôn có quyền cao hơn
so với người sử dụng phụ SU trong việc sử dụng phổ tần xác định. Do đó công
nghệ truyền thông nhận thức đòi hỏi phải hoạt động theo một chu kỳ thích
ứng trong quá trình truy cập phổ. Ở bước thứ nhất hệ thống CR tìm kiếm và
2 Trong

luận án này hai thuật ngữ "CR" và "SU" là đồng nghĩa


3

Cảm biến phổ

Phát hiện năng lượng

Bộ lọc phối hợp

Máy dò dừng vòng

Hình 1: Các phương pháp cảm biến tần số

phát hiện ra những khoảng tần số nào có thể sử dụng. Đây là quá trình được
gọi là cảm biến phổ (Spectrum Sensing). Tiếp theo hệ thống CR cần đưa ra
quyết định lựa chọn các điều kiện thích hợp nhất đối với quá trình truyền dẫn
của mình cũng như cần phối hợp truy cập và phân chia tài nguyên với những
người dùng khác. Quá trình này được gọi là quản lý tài nguyên (Resource
Management). Và cuối cùng là khả năng phải dịch phổ nếu như tần số đang
chiếm dụng bị tái sử dụng bởi những người dùng chính (Spectrum Mobility)
[1], [3], [33].
Để xác định và truy cập vào một phần thích hợp của phổ tần với sự can
thiệp tối thiểu đối với người sử dụng được cấp phép PU, thách thức thiết kế
quan trọng đầu tiên đó là phải theo dõi mức độ hoạt động của người sử dụng
PU. Sự giám sát hoặc cảm biến rất quan trọng trong đó CRN cần phải xử lý
một khoảng băng thông rất rộng và đáng tin cậy để phát hiện sự hoạt động
của PU. Vì vậy các kỹ thuật cảm biến phải có độ nhạy rất cao và liên tục

trên toàn phạm vi hoạt động tần số vô tuyến. Để đạt được những mục tiêu
này cần nhiều các kỹ thuật xử lý tín hiệu số khác nhau. Các kỹ thuật phát
hiện hố phổ có thể được phân loại dựa trên các kỹ thuật sử dụng tại máy
thu như bộ lọc phối hợp, phát hiện năng lượng, và tính năng phát hiện dừng
vòng (Cyclostationary) đã được nghiên cứu trong các tài liệu [18], [26]. Hình
1 mô tả sự phân loại ba kỹ thuật cảm biến phổ gồm: kỹ thuật phát hiện năng
lượng, kỹ thuật sử dụng bộ lọc phối hợp và kỹ thuật máy dò dừng vòng.
Kỹ thuật phát hiện năng lượng là kỹ thuật phát hiện tín hiệu sơ cấp dựa
trên năng lượng cảm biến đối với hệ thống sơ cấp [51]. Kỹ thuật phát hiện
năng lượng là kỹ thuật phổ biến nhất để cảm biến phổ tần bởi sự đơn giản
và không cần biết trước dạng tín hiệu sơ cấp [24], [36]. Kỹ thuật này luôn đi


4

kèm với một số nhược điểm sau: 1) thời gian cảm biến thực hiện để đạt được
xác suất phát hiện nhất định. 2) khả năng phát hiện đối tượng không chắc
chắn bởi các lý do nhiễu không ổn định. 3) không thể phân biệt nhiễu từ các
tín hiệu sơ cấp hay các tín hiệu thứ cấp. Kỹ thuật sử dụng bộ lọc phối hợp
sử dụng bộ lọc tuyến tính được thiết kế để tối ưu tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
đối với một tín hiệu đầu vào cho trước. Khi người dùng thứ cấp biết trước
được dạng tín hiệu của người dùng sơ cấp, bộ lọc phối hợp sẽ được sử dụng
để phát hiện sự tồn tại của người dùng sơ cấp [3]. Tuy nhiên bộ lọc phối hợp
đòi hỏi phải biết về mỗi tín hiệu phát. Nếu thông tin không chính xác, bộ lọc
phối hợp sẽ thực hiện kém hiệu quả. Ngoài ra bất lợi đáng kể nhất của bộ lọc
phối hợp đó là một CR sẽ cần một máy thu chuyên dụng phù hợp tất cả các
loại người dùng chính. Kỹ thuật dùng máy dò dừng vòng dựa trên những đặc
tính của tín hiệu sơ cấp để phát hiện ra sự tồn tại của tín hiệu này. Phương
pháp này khai thác chu kỳ của các tín hiệu sơ cấp nhận được để xác định sự
hiện diện của người sử dụng chính (PU). Tính chu kỳ thường được thể hiện

trong khoảng cách các sóng mang, mã trải, hoặc tiền tố tuần hoàn của tín
hiệu. Như vậy, tính năng dò dừng vòng hoạt động ổn định đối với việc nhiễu
không ổn định và thực hiện tốt hơn so với phát hiện năng lượng trong khu
vực SNR thấp. Mặc dù nó đòi hỏi một kiến thức tiên nghiệm của các đặc
tính tín hiệu, phương pháp này đồng thời có khả năng phân biệt nhiễu từ các
thiết bị sử dụng CR với nhiễu từ tín hiệu PU [82].
Dựa vào sự sẵn sàng của những hố phổ sau khi đã cảm biến, các nút mạng
(Node) trong mạng nhận thức có thể phân bổ tài nguyên vô tuyến cho những
người dùng trong mạng. Sự phân bổ này không những phụ thuộc vào các đặc
tính của các hố phổ khả dụng mà còn phụ thuộc vào các chính sách nội bộ
(và có thể là bên ngoài) của mạng nhận thức. Do đó, việc thiết kế một chính
sách phân bổ tần số, công suất, v.v. để cải thiện hiệu suất của các nút mạng
là một chủ đề nghiên cứu quan trọng đã và đang được nghiên cứu rộng rãi
trong một thập kỷ trở lại đây. Có hai chế độ hoạt động cơ bản của các mạng
vô tuyến nhận thức dựa vào cách sử dụng phổ tần của người dùng phụ được
thực hiện như thế nào như mô tả trong hình 2 [1], [44]. Trong mô hình lót,
với việc sử dụng kỹ thuật trải phổ, tín hiệu thứ cấp sẽ được nhân với một
mã trải phổ để nhận được một tín hiệu yếu hơn với phổ rộng hơn. Kết quả
là tín hiệu được trải sẽ gây ra nhiễu thấp hơn đối với người dùng sơ cấp. Tín


5

Hệ thống sơ cấp

Công suất

Hệ thống thứ cấp

Công suất

Mô hình xen lẫn

Mô hình lót

Tần số

Tần số

Hình 2: Phương pháp truy cập phổ xen lẫn và lót

hiệu nguyên bản thứ cấp có thể giải điều chế lại ở phía thu bằng cách nhân
tín hiệu thu được với mã trải phổ tương tự. Tuy nhiên với việc trải phổ rộng
hệ thống CR vì thế sẽ bị can nhiễu lớn từ phía PU [91]. Mô hình xen lẫn
tái sử dụng các hố phổ được bỏ trống tạm thời của hệ thống được cấp phép.
Cách tiếp cận phổ tần xen lẫn này dựa trên kết quả cảm biến để xác định
các dải tần số nhàn rỗi. Việc này có thể thực hiện được thông qua các cơ sở
điều phối trung tâm quản lý về mặt tần số, thời gian, không gian.
Quá trình rời tần khi tần số bị tái chiếm đóng bởi hệ thống PU còn gọi
là quá trình bàn giao phổ. Với chức năng này, CR có thể thay đổi băng tần
hoạt động để tránh xung đột hoạt động với hệ thống PU. Ngoài ra, CR có
thể thực hiện việc di rời phổ để cải thiện hiệu suất trong mạng thứ cấp bằng
cách hoạt động trong một hố phổ khác với các điều kiện truyền dẫn tốt hơn.
Qua đó các thông số giao thức ở các mức độ khác nhau sẽ được điều chỉnh
theo các băng tần hoạt động khác nhau. Hệ thống truyền thông nhận thức
có thể thích ứng với các tần số hoạt động khác nhau. Do đó, mỗi khi một
người dùng CR thay đổi tần số hoạt động của mình, các giao thức mạng sẽ
thay đổi chế độ hoạt động khác. Mục đích của việc quản lý di động phổ trong
mạng nhận thức là để đảm bảo rằng quá trình chuyển đổi đó được thực hiện
thông suốt và kịp thời. Như vậy các ứng dụng chạy mạng nhận thức mới tối

thiểu hóa được sự suy giảm hiệu suất. Thông tin về phổ tần vì thế phải được
cung cấp bởi các thuật toán cảm biến. Và đây là vấn đề đã và đang được giải
quyết trong phần cảm biến phổ tần.


6

2. Mục tiêu của luận án
Mục tiêu của luận án đó là giải quyết những vấn đề tối ưu và cận tối ưu
trong cấp phát kênh động và phân bổ công suất nhằm tối ưu dung lượng tổng
cộng trong một hệ thống CR-OFDM đơn và đa người dùng dưới các điều kiện
ràng buộc nhiễu.
3. Nhiệm vụ của luận án
Sự phân bổ tài nguyên động (Dynamic Resource Allocation) phân chia tài
nguyên thích ứng cho người sử dụng dựa trên các chính sách nội bộ của mạng
và ảnh hưởng từ môi trường truyền dẫn mang lại hiệu quả sử dụng tần số
nhờ hội tụ đủ các tính đa dạng của môi trường truyền dẫn cộng với sự phân
tập đa người dùng sẽ đạt được hiệu suất cao hơn so với sự phân bổ truyền
thống. Vì vậy không có gì ngạc nhiên khi CR hiện đang đóng một vai trò
hàng đầu đối với các nghiên cứu về những hệ thống truyền thông không dây
trong tương lai, nhằm cải cách các kỹ thuật sử dụng cũng như các quy định
quản lý tần số một cách linh hoạt hơn.
Luận án tập trung nghiên cứu những giải pháp phân bổ công suất và phân
chia kênh động nhằm tối ưu dung lượng tổng cộng trong hệ thống CR-OFDM
đơn và đa người dùng dưới điều kiện ràng buộc nhiễu. Luận án giả sử rằng
quá trình cảm biến hố phổ đã được thực hiện và các dải tần trống đã được
biết. Các hệ số kênh truyền từ SU và PU được ước lượng hoàn hảo.
Đối với mô hình CR-OFDM đơn người dùng, vấn đề tối ưu dung lượng
với các điều kiện biên có thể giải được bằng phương pháp Lagrange với các
điều kiện biên Karush-Kuhn-Tucker (KKT) [14]. Các giải pháp phân bổ công

suất cận tối ưu được nghiên cứu một mặt nhằm giảm độ phức tạp tính toán,
mặt khác đạt được dung lượng kênh gần giải pháp tối ưu. Độ phức tạp tính
toán phụ thuộc vào các tham số điều kiện biên bao gồm các mức giới hạn
can nhiễu nhằm bảo vệ hệ thống PU cũng như các điều kiện biên là QoS của
hệ thống CR. Nếu như các điều kiện biên là tuyến tính, vấn đề tối ưu được
gọi là quy hoạch tuyến tính. Ngược lại nếu một trong các điều kiện biên là
không tuyến tính, vấn đề tối ưu là quy hoạch không tuyến tính. Điều này
dẫn đến sự phức tạp trong cách tìm nghiệm giải tích là công suất được phân
bổ trên mỗi sóng mang con. Từ đó các giải pháp phân bổ công suất cận tối


7

ưu được nghiên cứu, một mặt làm giảm độ phức tạp tính toán, mặt khác đạt
được hiệu năng dung lượng hệ thống gần với tối ưu.
Trong hệ thống CR đa người dùng luận án sử dụng giải pháp thương
lượng Nash trong lý thuyết trò chơi (NBS: Nash Bargaining Solution). NBS
là một lý thuyết hợp tác cung cấp hai vấn đề tối ưu và công bằng cùng một
lúc. Kết quả là bài toán tối ưu là một vấn đề bất định trong thời gian đa
thức (NP-Hard), không thể giải được bởi cách máy tính thông thường trong
khoảng thời gian chấp nhận được, và không thể tìm được nghiệm giải tích
dạng đóng [6], [60]. Do đó, quá trình tối ưu cần chia thành hai quá trình
bao gồm phân chia kênh động và phân bổ công suất phát. Ở đây trong quá
trình phân chia kênh động không có lời giải tối ưu. Trong quá trình phân
bổ công suất, tương tự như trong hệ thống CR-OFDM đơn người dùng ta
cũng có hai cách tiếp cận là tối ưu và cận tối ưu. Trong vấn đề phân bổ
công suất này này luận án không chỉ xem xét nhiễu tương hỗ truyền thống
MUI (Multi-users Interference) giữa PU và SU mà còn cả nhiễu nội bộ IUI
(Inter-users Interference) giữa những người dùng thứ cấp.
Luận án xem xét một hệ thống CR bao gồm K kênh. Phương pháp điều

chế trên từng kênh là OFDM. Mỗi kênh trong hệ thống CR được phân chia
thích ứng với N (k) trong tổng số N sóng mang con của hệ thống. Vấn đề
phân bổ tài nguyên vô tuyến trong hệ thống này là làm thế nào để xác định
các thành phần của nhóm kênh con C[1 × N (k)] ∈ C[1 × N ], trong đó chỉ
rõ những nhóm kênh con nào nên được gán cho những người dùng nào. Véc
tơ P [1 × N (k)] ∈ P [1 × N ] chỉ ra công suất phát được phân bổ cho từng
kênh con là bao nhiêu. Tổng quan các vấn đề cần giải quyết của luận án được
mô tả như trên hình 3.
Để giải quyết vấn đề tài nguyên trên phân bổ tài nguyên như trên câu hỏi
đầu tiên là làm thế nào để xác định được mục tiêu chính sách của hệ thống.
Có hai cách tiếp cận đã được đề xuất trong một số các tài liệu trước đây
như [76] được gọi là: công suất biên thích ứng (Margin Adaptive) và tốc độ
thích ứng (Rate Adaptive). Trong cách tiếp cận công suất biên thích nghi,
công suất phát của hệ thống CR cần được tối giảm trong khi giữ mức QoS
cần thiết. Trong cách tiếp cận tốc độ thích ứng, hệ thống CR cần tối đa hóa
tổng dung lượng dưới cả hai điều kiện biên đó là mức can nhiễu lên các băng
tần của PU và ngưỡng công suất phát tối đa.


8

Ma trận phân bổ
công suất
P1N 
 P11




P

PKN 
 K1

Thông tin kênh (CSI)

 h11


h
 K1

h1N 


hKN 

Thông tin tần số
(Spectrum Sensing)
 H11


H
 K1

Quản lý tài nguyên
(Sóng mang con,
Công suất)

Ma trận phân bổ
sóng mang con

 C11


C
 K1

H1N 


H KN 

C1N 


CKN 

Hàm mục tiêu và
điều kiện biên

Hình 3: Tổng quan các vấn đề phân bổ tài nguyên trong mạng CR

Đối tượng nghiên cứu của luận án dựa trên cách tiếp cận tốc độ thích ứng
(RA) là mục tiêu cho chính sách của hệ thống. Ở đây cần tối ưu tổng dung
lượng tổng cộng của cả hệ thống CR với các điều kiện biên bao gồm các mức
can nhiễu giới hạn và công suất phát.
4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Cảm biến hố phổ là bước đầu tiên trong quá trình sử dụng truyền thông
nhận thức [1], [2], [33], [69], [70], [96]. Các vấn đề cảm biến các hố phổ đã
được nghiên cứu rộng rãi và đạt được những kết quả sâu rộng đối với truyền
thông nhận thức cũng như khái niệm tái sử dụng phổ tần cơ hội. Tại Việt

Nam nhóm tác giả trong [50] đề xuất phương pháp nâng cao khả năng cảm
biến phổ hợp tác dựa trên sự tương quan log-normal shadowing. Tác giả trong
[66] phát triển một kỹ thuật cảm biến phổ mà không yêu cầu CSI cũng như
thông tin chính xác của tín hiệu và nhiễu. Trong [11] đã đưa ra tần suất sử
dụng phổ tần của tín hiệu truyền hình tại một số tỉnh phía Nam với kết quả
chỉ ra rằng hiệu suất sử dụng phổ truyền hình tại Thành phố Hồ Chí Minh
và Long An tương ứng là 13.74% và 11.19%.
Vấn đề quản lý tài nguyên vô tuyến của hệ thống truyền thông truyền


9

thống đã được nghiên cứu sâu rộng trong thời gian qua như trong [8], [35],
[38], [40], [42], [71], [76]. Phương pháp phân bổ công suất tối ưu truyền thống
theo thuật toán rót nước (Water-Filling) đã được tác giả trong [83] chứng
minh rằng không hiệu quả đối với hệ thống CR bởi những điều kiện can
nhiễu giới hạn sang hệ thống PU. Cách tiếp cận vào số lượng bít điều chế
và công suất phát trên từng kênh con cho hệ thống đa sóng mang một người
dùng được trình bày trong [65], trong đó những kênh có hệ số kênh lớn không
những được phát với công suất cao hơn mà còn có mức điều chế tốt hơn
nhằm tăng tốc độ truyền của hệ thống. Để chắc chắn rằng mỗi người dùng
đều có thể truyền phát với tốc độ dữ liệu tương đương nhau, Rhee và cộng
sự trong [71] đưa ra vấn đề Max-Min để tối ưu dung lượng kênh của những
người dùng có dung lượng kênh thấp.
Trong [8], [9] Bansal và cộng sự đã đưa ra nghiệm phân bổ công suất tối
ưu dạng đóng và đề xuất hai thuật toán cận tối ưu để nâng cao dung lượng
kênh đường xuống của hệ thống CR với chỉ một mức giới hạn can nhiễu lên
một băng tần PU. Điều này không sát với thực tế bởi trong mạng hỗ tạp có
thể tồn tại nhiều hệ thống PU với nhiều mức can nhiễu giới hạn được quy
định khác nhau [85]. Trong các nghiên cứu [8], [9], [42], [100] đều giả sử hệ số

kênh trong hệ thống CR và hệ số kênh giữa SU và PU đều được biết tại phía
phát SU. Sự giả định này là hoàn toàn có cơ sở bởi hệ số kênh giữa những
người dùng SU có thể được ước lượng theo các phương pháp ước lượng kênh
truyền thống. Ngoài ra hệ số kênh giữa SU và PU có thể tính được bằng cách
ước lượng công suất tín hiệu nhận được hoặc dựa trên lý thuyết thuận nghịch
[52], [98]. Các thách thức trong việc quản lý tài nguyên trong hệ thống không
nhận thức truyền thống có thể được xem ở [72].
Các thực nghiệm và nghiên cứu đã chỉ ra rằng OFDM và CR là công nghệ
thích hợp của truyền thông không dây tương lai [37], [48], [53] [88]. Tuy nhiên
trong [89] và [90], tác giả đã chỉ ra việc sử dụng OFDM trong hệ thống truyền
thông nhận thức sẽ gây ra nhiễu tương hỗ giữa người dùng sơ và thứ cấp bởi
sự không trực giao giữa các tín hiệu phát. Bansal trong [8] đề xuất hai thuật
toán phân bổ công suất cận tối ưu và đưa ra nghiệm giải tích công suất tối
ưu với một điều kiện nhiễu giới hạn. Ở một hướng khác, do các yếu tố nhiễu
tương hỗ làm nên sự khác biệt giữa hệ thống truyền thông nhận thức và
các hệ thống thông thường. Các tác giả trong [34], [93] đề xuất sử dụng cửa


10

sổ (Windowing) cho phía phát của hệ thống CR nhằm giảm búp sóng phụ
đồng thời giảm can nhiễu lên PU. Phương pháp này giúp nâng cao công suất
phát cho hệ thống CR và qua đó nâng cao chất lượng dịch vụ QoS. Như đã
trình bày trong [100], [101], phần lớn nhiễu ảnh hưởng lên PU được gây ra
do những sóng mang con của hệ thống CR ngay bên cạnh băng tần của PU.
Việc tắt đi những sóng mang con này có thể giảm đi nhiễu và được gọi là
chèn không. Tác giả trong [16] đề xuất một phương pháp để làm giảm các
búp sóng phụ bằng cách gán giá trị được điều chế đặc biệt CCs (Cancellation
Carriers) thay cho khoảng bảo vệ CP thông thường để triệt tiêu nhiễu phát
xạ, cũng như giảm nhiễu từ hệ thống SU sang PU. Tác giả [45] đề xuất giải

pháp phát công suất tối đa cho phép (Full-Filling) những sóng mang con ở
xa các giải tần của PU nhất nhằm giảm số biến và qua đó giảm độ phức tạp
tính toán.
Trong mô hình truyền thông CR-OFDM đa người dùng, các phương pháp
quản lý tài nguyên truyền thống không thể tối ưu dung lượng của hệ thống
nhận thức [6], [60], [83]. Vấn đề tối ưu dung lượng kênh trong mô hình này
phải chia thành hai bước, đầu tiên là phân chia kênh cho từng người dùng và
sau đó chiều chỉnh công suất phát thích ứng trên mỗi kênh nhằm tối ưu dung
lượng tổng cộng [7], [19], [20], [92]. Các nghiên cứu về quản lý tài nguyên vô
tuyến nhằm tối ưu dung lượng kênh truyền cho đến nay đặt ra ba câu hỏi
mở đó là: (1) làm sao phân chia các khoảng tần số cho nhiều người dùng
khác nhau; (2) làm sao phân bổ công suất phát cho từng sóng mang con khác
nhau; và (3) làm sao điều chế các mức khác nhau cho từng kênh con. Câu hỏi
thứ (3) nằm sâu trong lĩnh vực điều chế thích ứng hơn quản lý tài nguyên
nên lĩnh vực này không nằm trong đối tượng nghiên cứu của luận án. Đối với
câu hỏi số (1) và (2) tương ứng đều có hai cách giải quyết. Một là giải bài
toán tối ưu với các điều kiện biên như trình bày ở trên tuy nhiên độ phức
tạp tính toán là rất cao và khả năng sử dụng trong truyền thông thời gian
thực là không có. Hai là tìm các phương pháp cận tối ưu khác cho độ phức
tạp tính toán thấp hơn nhưng đổi lại hiệu năng dung lượng hệ thống bị giảm.
Luận án này trình bày chi tiết và phân tích các kết quả mô phỏng cũng như
mô hình hệ thống để trả lời câu hỏi (1) và (2). Những đóng góp chính của
luận án được tóm tắt như dưới đây.