ĐỊNH vị PHỔ TRONG MẠNG vô TUYẾN NHẬN THỨC BẰNG THUẬT TOÁN xã hội NHỆN (SOCIAL SPIDER ALGORITHM)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
----------    ----------

VÕ CÔNG MINH

ĐỊNH VỊ PHỔ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN
THỨC BẰNG THUẬT TOÁN XÃ HỘI NHỆN
(SOCIAL SPIDER ALGORITHM)

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH
Mã số: 60.48.01.01

GVHD:
PGS TS. VŨ THANH NGUYÊN
TS. TRƯƠNG KHẮC TÙNG

TP.HCM, NĂM 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong
luận văn là thực và chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác.

TP Hồ Chí Minh, ngày

tháng

Tác giả

Võ Công Minh

năm 2017


LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô trường Đại Học Công
Nghệ Thông Tin đã đem hết tâm huyết của mình truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho
chúng em.
Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy TS. TRƯƠNG KHẮC TÙNG – Giảng
viên Khoa Công Nghệ Thông Tin trường Đại Học Công Nghiệp TPHCM, người Thầy đã
tận tụy hết mình để truyền đạt kiến thức chuyên môn và những kinh nghiệm quí báu trong
quá trình tìm hiểu và nghiên cứu luận văn, qua đó giúp em có thêm vốn kiến thức để hoàn
thành luận văn này.
Ngoài ra, em cũng xin cảm ơn Thầy PGS. TS. VŨ THANH NGUYÊN – Giảng viên
trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin đã tận tâm hướng dẫn em hoàn thành luận văn này.
Nhân đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp
đã động viên tinh thần cho em trong suốt quá trình nghiên cứu của mình.
Sau cùng, em xin kính chúc toàn thể quý Thầy Cô trường Đại Học Công Nghệ Thông
Tin,Thầy TS. Trương Khắc Tùng, Thầy PGS. TS. VŨ THANH NGUYÊN cùng các bạn bè,
đồng nghiệp được dồi dào sức khỏe để thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt
kiến thức cho thế hệ mai sau.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!
TP. HCM, tháng 08 năm 2017
Học viên thực hiện

Võ Công Minh

Abstract
In recent years, applying intelligent algorithms in solving hard problems has become
a favorite topic in next generation networking research. Although classical methods have
achieved many important outcomes, this new trend promises significant results. This
paper addresses the spectrum allocation problem in Cognitive Radio Networks (CRN),
in which we proposed a new solution based on Social Spider Algorithm (SSA) to search
for the optimal allocation scheme. The numerical results prove the superior of our
approach in comparison to other methods.

Keywords
Spectrum allocation; optimization; cognitive radio networks; swarm-based algorithm.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC CRN (COGNITIVE

RADIO NETWORK) ................................................................................................................... 3
1.1.

Giới thiệu chung. .......................................................................................................... 3

1.2.

Giới thiệu mạng vô tuyến nhận thức. ........................................................................... 4

1.2.1.

Khái niệm. ............................................................................................................. 4

1.2.2.

Mục đích mạng vô tuyến nhận thức ...................................................................... 5

1.3.

Vấn đề khan hiếm và hiệu suất sử dụng phổ. ............................................................... 6

1.4.

Ứng dụng và thách thức của vô tuyến nhận thức. ........................................................ 6

1.4.1.

Ứng dụng ............................................................................................................... 6

1.4.2.

Thách thức của vô tuyến nhận thức. ...................................................................... 7

1.5.

Vô tuyến nhận thức tại Việt Nam................................................................................. 7

1.5.1.

Tính khả thi ứng dụng cho vùng nông thôn Việt Nam .......................................... 8

1.5.2.

Một số lưu ý khi triển khai hệ thống IEEE 802.22................................................ 9

CHƯƠNG 2.

BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ PHỔ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC.10

2.1.

Giới thiệu về định vị phổ trong mạng vô tuyến nhận thức. ....................................... 10

2.2.

Mô tả bài toán. ............................................................................................................ 11

2.2.1.

Đặt vấn đề. ........................................................................................................... 11

2.2.2.

Khái quát hóa bài toán. ........................................................................................ 11

CHƯƠNG 3.

KHẢO SÁT GIẢI THUẬT PSO TRONG VIỆC TỐI ƯU ĐỊNH VỊ PHỔ. 14

3.1.

Giới thiệu giải thuật PSO ........................................................................................... 14

3.2.

Mô tả giải thuật PSO .................................................................................................. 14

3.2.1.

Biểu diễn giải thuật .............................................................................................. 14

3.2.2.

Giải quyết bài toán CRN trong PSO ................................................................... 16

3.2.3.

Cài đặt thuật toán PSO cho bài toán CRN ........................................................... 16

CHƯƠNG 4.

GIỚI THIỆU GIẢI THUẬT TỐI ƯU HÓA SSA (SOCIAL SPIDER

ALGORITHM)

....................................................................................................................... 18


4.1.

Giới thiệu giải thuật SSA. .......................................................................................... 18

4.2.

Mô tả thuật toán SSA. ................................................................................................ 20

4.3.

Các qui ước cho thuật toán SSA ................................................................................ 21

4.3.1.

Qui ước về con nhện – Spider ............................................................................. 21

4.3.2.

Qui ước về rung động – Vibration....................................................................... 21

4.3.3.

Qui ước cho quá trình tìm kiếm – Search pattern ............................................... 23

4.4.

Thuật toán SSA .......................................................................................................... 26

CHƯƠNG 5.

TỐI ƯU HÓA ĐỊNH VỊ PHỔ BẰNG GIẢI THUẬT SSA. ........................ 28

5.1.

Xác định giá trị của các tham số trong CRN .............................................................. 28

5.2.

Mô tả giải pháp trong SSA cho CRN ......................................................................... 29

5.2.1.

Mã hóa các tham số trong SSA ........................................................................... 29

5.2.2.

Chuyển đổi nhị phân ............................................................................................ 33

5.2.3.

Tạo dữ liệu đầu vào ............................................................................................. 29

5.3.

Xử lý các ràng buộc.................................................................................................... 35

5.3.1.

Giai đoạn 1........................................................................................................... 35

5.3.2.

Giai đoạn 2........................................................................................................... 36

5.4.

Sơ đồ giải thuật ........................................................................................................... 37

CHƯƠNG 6.

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP. ................................................ 38

6.1.

Mô phỏng ................................................................................................................... 38

6.2.

Đánh giá ..................................................................................................................... 40

CHƯƠNG 7.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. ............................ 44

7.1.

Kết luận. ..................................................................................................................... 44

7.2.

Hạn chế của đề tài. ..................................................................................................... 44

7.3.

Hướng phát triển của đề tài. ....................................................................................... 44

PHỤ LỤC

....................................................................................................................... 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................ 48


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 6-1 Tham số thưc hiện mô phỏng .......................................................................... 38
Bảng 6-2 Giá trị Max Sum Reward theo Cmax .............................................................. 41
Bảng 6-3 Giá trị Max Min Reward theo Cmax............................................................... 42
Bảng 6-4 Giá trị Max Min Reward theo Cmax............................................................... 43


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1-1 Chuẩn IEEE cho mạng 802.22 .......................................................................... 3
Hình 1-2 Sử dụng sóng vô tuyến nhận thức...................................................................... 5
Hình 1-3 Phổ tần số vô tuyến từ 30KHz đến 300GHz ..................................................... 6
Hình 3-1 Giải thuật Particle Swarm Optimization (PSO) ............................................... 14
Hình 4-1. Giải thuật Social Spider Algorithm (SSA) ..................................................... 18
Hình 4-2 Mô tả thuật toán SSA ....................................................................................... 20
Hình 5-1 Ma trận gán kênh ............................................................................................. 32
Hình 5-2 Hàm biến đổi nhị phân Sigmoid ...................................................................... 34
Hình 5-3 Mô hình mạng và kênh sử dụng ...................................................................... 29
Hình 5-4 Kênh cho người dùng sử dụng ......................................................................... 30
Hình 5-5 Vùng phủ sóng của người dùng thứ cấp .......................................................... 31
Hình 6-1 So sánh giá trị Max Sum Reward giữa SSA và PSO ...................................... 41
Hình 6-2 So sánh giá trị Max Min Reward giữa SSA và PSO ....................................... 42

Hình 6-3 So sánh giá trị Max Proportional Fair giữa SSA và PSO ................................ 43
Hình 8-1 Thủ tục tạo ma trận L, B .................................................................................. 45
Hình 8-2 Thủ tục tạo ma trận C ...................................................................................... 45
Hình 8-3 Thủ tục xử lý “matxl” ...................................................................................... 46
Hình 8-4 Thủ tục xử lý “matxc” ..................................................................................... 46
Hình 8-5 Thủ tục xử lý “matxcmax” .............................................................................. 47


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TỪ VIẾT TẮT

TÊN ĐẦY ĐỦ

SSA

Social Spider Algorithm

SU

Secondary User

PU

Primary User

CRN

Cognitive Radio Networks

SDR

Sotware Defined Radio

FCC

Federal Communication Commission

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

PSO

Particle Swarm Optimization

WRAN

Wireless Regional Area Network

CRNSAP

Cognitive Radio Networks Spectrum Allocation Problem

MSR

Max Sum Reward

MMR

Max Min Reward

MPF

Max Proportional Fair


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA
Mẫu 2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ
Định hướng ứng dụng (10TC)

Định hướng nghiên cứu (15TC) 

1. Tên đề tài hoặc hướng NC (gồm cả tiếng Việt và tiếng Anh):
Tiếng Việt: ĐỊNH VỊ PHỔ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC BẰNG
THUẬT TOÁN XÃ HỘI NHỆN (SOCIAL SPIDER ALGORITHM)
Tiếng Anh: SPECTRUM ALLOCATION IN COGNITIVE RADIO NETWORKS
USING SOCIAL SPIDER ALGORITHM

2. Ngành và mã ngành đào tạo: KHOA HỌC MÁY TÍNH - 60480101
3. Họ tên học viên: VÕ CÔNG MINH – Khóa học: CH09 – Đợt 1.
Địa chỉ email, điện thoại liên lạc: - 0988541734
4. Người hướng dẫn:
✓

Giảng viên hướng dẫn chính: TS. TRƯƠNG KHẮC TÙNG.
Địa chỉ email:
Điện Thoại Liên Lạc: 0983211135

✓

Giảng viên đồng hướng dẫn: PGS. TS. Vũ Thanh Nguyên.
Địa chỉ email:
Điện thoại liên lạc: 0916936840

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 1


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

KẾT CẤU NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn sẽ được chia làm 7 chương, trong đó:
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC (CRN)
Trong chương này sẽ giới thiệu khái quát về mạng vô tuyến nhận thức là gì, giải thích
các dải băng tần được cấp phép cho người dùng chính (PU – Primary Users) và các
dải băng tần không được cấp phép dành cho người dùng thứ cấp (SU - Secondary
Users).

CHƯƠNG II. MÔ TẢ BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ PHỔ TRONG TRONG MẠNG CRN
Trong chương này sẽ giới thiệu về việc định vị phổ trong mạng vô tuyến nhận thức
và khái quát hóa việc định vị phổ thông qua bài toán và các ràng buộc cụ thể bằng các
công thức toán học đồng thời dựa vào các công thức này để xác định mục tiêu của bài
toán.
CHƯƠNG III. KHẢO SÁT MỘT SỐ GIẢI THUẬT TỐI ƯU ĐỊNH VỊ PHỔ
Trong chương này sẽ giới thiệu cách tiếp cận và giải quyết vấn đề trong bài toán CRN
bằng giải thuật PSO. Phân tích, đánh giá hiệu năng của giải thuật đối với bài toán.
CHƯƠNG IV. GIỚI THIỆU GIẢI THUẬT TỐI ƯU HÓA SSA
Trong chương này sẽ giới thiệu giải thuật tối ưu SSA, cách thức mã hóa bài toán tối
ưu theo giải thuật SSA, nghiên cứu sơ đồ giải thuật và chương trình mô phỏng.
CHƯƠNG V. TỐI ƯU HÓA ĐỊNH VỊ PHỔ BẰNG GIẢI THUẬT SSA
Chương này sẽ trình bày việc áp dụng giải thuật tối ưu hóa SSA vào bài toán tìm kiếm
và định vị phổ trong mạng vô tuyến nhận thức thông qua việc tìm giá trị cực đại của
các hàm mục tiêu cho trước.
CHƯƠNG VI. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP
Trong chương này sẽ thực hiện chạy thử nghiệm chương trình trên phần mềm Matlab
cho bài toán đã nêu, sau đó thay đổi các tham số đầu vào để lấy những kết quả khác
nhau và so sánh với các giải pháp tối ưu trong chương III.
CHƯƠNG VII. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Trong chương này sẽ nêu kết luận cho đề tài và hướng phát triển của đề tài sau khi
thực hiện mô phỏng và đánh giá trong chương VI.

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 2


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
CRN (COGNITIVE RADIO NETWORK)

Trong chương này sẽ giới thiệu khái quát về mạng vô tuyến nhận thức là gì,
giải thích các dải băng tần được cấp phép cho người dùng chính (PU – Primary Users)
và các dải băng tần không được cấp phép dành cho người dùng thứ cấp (SU Secondary Users). Cụ thể:
1.1.

Giới thiệu chung.

Ngày nay, cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp truyền thông thì
truyền thông vô tuyến là một trong những phân khúc phát triển nhanh nhất. Truyền
thông vô tuyến được thực hiện thông qua việc truyền tín hiệu trong một dải tần số
nhất định. Để tránh nhiễu cho các tín hiệu không dây khác, dải tần số này được chia
thành nhiều băng tần cho các mục đích khác nhau và nó được quy định bởi các cơ
quan của chính phủ.
Hiện nay, mỗi một dải băng tần muốn được sử dụng đều phải được sự cho
phép của một tổ chức quản lí tần số của chính phủ. Người được cấp phép sử dụng dải
tần số được gọi là Primary Users (PU) hay còn gọi là licensed user và chỉ được phép
sử dụng dải tần đó cũng như các người sử dụng khác không được phép sử dụng dải
tần này.

Hình 1-1 Chuẩn IEEE cho mạng 802.22

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 3

Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

Tổ chức FCC đã đưa ra chuẩn IEEE 802.22 dùng cho WRAN (Wireless
Regional Area Network) cho phép các người dùng thứ cấp - Secondary Users (SU)
hay còn gọi là unlicensed user sử dụng những khoảng trắng (khoảng tần số trống)
trong dải tần số này. Tuy nhiên yêu cầu đặt ra là hoạt động của SU không ảnh hưởng
đến PU cũng như bất cứ lúc nào PU muốn sử dụng lại khoảng tần số trống thì SU đều
phải nhường và chuyển sang tìm khoảng trắng khác. Một vấn đề quan trọng được đưa
ra là việc phân bổ dải tần số này cho SU như thế nào để có hiệu quả cao nhất trong
khi PU vẫn sử dụng các dải tần này một cách bình thường.
Bài toán này đã được chứng minh là NP-khó [1] và đã được đề xuất giải quyết
trong một số công trình nghiên cứu trước đây bằng cách áp dụng một số giải thuật tối
ưu cổ điển như: GA[2], PSO[3], CRO [4], …
Tuy nhiên, các giải pháp này vẫn còn một số hạn chế về chất lượng nghiệm
cũng như hiệu năng hệ thống nhất là thời gian tính toán.
Vậy, câu hỏi được đặt ra là: Liệu có một giải pháp nào để giải quyết bài toán
trên một cách tối ưu và đạt hiệu quả cao nhất?
1.2.

Giới thiệu mạng vô tuyến nhận thức.
1.2.1. Khái niệm.

Vô tuyến nhận thức (CR – Cognitive Radio) là một sóng vô tuyến thông minh
mà có thể được lập trình và cấu hình một cách tự động trên các thiết bị thu/phát để sử
dụng các kênh trong vùng lân cận của nó một cách tốt nhất. Chẳng hạn như có thể tự
động dò tìm các kênh rỗi trong dải tần sau đó sẽ thay đổi các thông số truyền và nhận
một cách hợp lý để cho phép nhiều thông tin được truyền đi đồng thời trong một phổ
băng tần tại một địa điểm.
Hay nói một cách khác, hệ thống vô tuyến nhận thức là hệ thống có khả năng

thay đổi các tham số (công suất, tần số, điều chế, mã hóa,…) trên cơ sở tương tác với
môi trường hoạt động. Theo đó, thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR
(Sotware Defined Radio) sẽ là một thành phần quan trọng trong hệ thống vô tuyến
nhận thức. Vì các tham số của thiết bị SDR được thay đổi một cách linh động bằng
phần mềm mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng.

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 4


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

1.2.2. Mục đích mạng vô tuyến nhận thức
Mục đích của vô tuyến nhận thức là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt
động trên các dải tần còn trống tạm thời mà không gây nhiễu đến các hệ thống vô
tuyến có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên dải tần đó. Để cho phép tận dụng tối
đa tài nguyên phổ tần như trên, vô tuyến nhận thức phải có những tính năng cơ bản
sau:
Điều chỉnh tần số hoạt động của hệ thống một cách tức thì từ một băng tần
này đến một băng tần khác (còn trống) trên dải tần cho phép.
Thiết lập mạng thông tin và hoạt động trên một phần hoặc toàn bộ băng tần
được cấp phát.
Chia sẻ kênh tần số và điều khiển công suất thích ứng theo điều kiện cụ thể
của môi trường vô tuyến mà ở đó tồn tại nhiều loại hình dịch vụ vô tuyến cùng sử
dụng.
Thực hiện thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ đồ mã hóa sửa
lỗi để cho phép đạt được thông lượng tốt nhất có thể.
Tạo búp sóng và điều khiển búp sóng thích ứng theo đối tượng truyền thông
nhằm giảm thiểu nhiễu đồng kênh và tối đa cường độ tín hiệu thu.

Hình 1-2 Sử dụng sóng vô tuyến nhận thức

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 5


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

1.3.

Vấn đề khan hiếm và hiệu suất sử dụng phổ.

Như chúng ta đã biết, dải tần số của sóng vô tuyến là một tài nguyên được
quản lý bởi chính phủ. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì tài
nguyên của dải tần số đang dần bị cạn kiệt bởi các hệ thống vô tuyến và các chuẩn
giao tiếp như: FM, AM, WIFI, WIMAX, Mobile network…

Hình 1-3 Phổ tần số vô tuyến từ 30KHz đến 300GHz

Phần lớn phổ vô tuyến được cấp cho các hệ thống thông tin và dịch vụ truyền
thông xác định. Tuy nhiên, tài nguyên phổ lại bị lãng phí bởi nhiều lý do khác nhau.
1.4.

Ứng dụng và thách thức của vô tuyến nhận thức.
1.4.1. Ứng dụng

Vô tuyến nhận thức được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau
như: phục vụ cho chính phủ trong các dịch vụ công cộng như: cứu hỏa, bảo vệ an

ninh, y tế và giải quyết cấp bách cho các tình huống thảm họa.Chẳng hạn:
-

Dịch vụ cứu hỏa: trong trường hợp xảy ra các thảm họa cháy nhà máy, cháy
rừng,… thì các thông tin về nhiệt độ, tốc độ gió, hướng gió,… phải được
chuyển đến các lực lượng cứu hỏa một cách nhanh chóng và kịp thời và phải
luôn duy trì liên lạc giữa lính cứu hỏa và bộ phận chỉ huy.

-

Dịch vụ bảo vệ an ninh: Với ưu điểm nội bật của truyền thông vô tuyến nhận
thức giúp việc trao đổi thông tin một cách nhanh chóng và an toàn, sự tấn
công hoặc đánh cắp thông tin sẽ được cảnh báo ngay tức thì.

-

Dịch vụ y tế: trong tình huống cấp cứu các nạn nhân trong thảm họa, các
trạm cấp cứu di động cần sử dụng băng thông rộng để truyền các tín hiệu
thoại và video về tình hình tại hiện trường, tình trạng các nạn nhân cho các

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 6


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

bệnh viện hoặc bác sĩ ở xa để từ đó đưa ra phương pháp xử lý kịp thời và
chính xác.

Hình 1-4 Ứng dụng mạng vô tuyến nhận thức

1.4.2. Thách thức của vô tuyến nhận thức.
Mặc dù ưu điểm của vô tuyến nhận thức rất lớn, tuy nhiên nó cũng có những
hạn chế nhất định cũng như đối mặt với một số thách thức như sau:
- Thứ nhất: khi có nhiều người dùng đồng thời trên cùng một băng tần thì mức
sử dụng công suất ở mỗi người dùng là khác nhau dẫn đến tình trạng các người dùng
này có thể gây nhiễu cho nhau và khi đó việc truyền dữ liệu sẽ bị gián đoạn hoặc
xảy ra mất mát dữ liệu trong quá trình truyền.
-

Thứ hai: việc sử dụng phổ yêu cầu phải xác định những phổ trống, tuy nhiên

có thể vô tuyến nhận thức sẽ không phát hiện ra hết tất cả các khoảng trống mà PU
không sử dụng do một số hiện tượng gây ra như fading hoặc phát hiện ra nhưng
không sử dụng một cách tối ưu các tài nguyên này. Đây cũng là mục đích chính của
đề tài này, đó là tìm ra tất cả các khoảng trống mà PU chưa sử dụng một cách tối ưu
nhất.
1.5.

Vô tuyến nhận thức tại Việt Nam

Theo lộ trình số hóa truyền hình của Việt Nam từ nay tới năm 2020, các kênh
truyền hình tương tự đang sử dụng băng tần 700 MHz sẽ ngừng hoạt động sau 2020;
HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 7


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

truyền hình số mặt đất băng tần 694-806 MHz cũng sẽ được giải phóng sau năm 2020.
Như vậy, sau khi hoàn thành số hóa truyền hình. Đoạn băng tần dư này rất hiệu quả
để triển khai các dịch vụ vô tuyến băng rộng do đặc tính truyền sóng ở băng tần UHF.
Đây là cơ hội lý tưởng để có thể phủ sóng các dịch vụ vô tuyến băng rộng ở các vùng
nông thôn với chi phí thấp.[5]
1.5.1. Tính khả thi ứng dụng cho vùng nông thôn Việt Nam
Đặc tính nổi trội của hệ thống IEEE 802.22 là dựa trên công nghệ vô tuyến
nhận thức cho phép sử dụng chung băng tần truyền hình dôi dư mà không làm ảnh
hưởng tới các kênh truyền hình đang hoạt động. Đồng thời, hệ thống hoạt động trong
băng tần UHF cho phép đạt được vùng phủ rộng lớn, ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố
địa hình che chắn. Đây chính là 2 đặc điểm nổi trội nhất để đánh giá độ khả thi của
hệ thống cho phát triển hạ tầng cung cấp dịch vụ băng rộng tại các vùng nông thôn
Việt Nam.
Những tính năng nổi bật nhất của hệ thống, theo [5], có thể kể đến chính là:
Vùng phủ sóng, tốc độ dữ liệu, khả năng hỗ trợ dịch vụ, khả năng thích ứng và khả
năng mở rộng
Vùng phủ sóng: Bán kính phủ sóng điển hình của hệ thống IEEE 802.22
khoảng 33 km với khả năng phục vụ cho một vùng có mật độ dân cư khoảng 1,25
người/km2. Trong điều kiện tối ưu, bán kính phủ sóng của hệ thống có thể lên đến
100 km.
Tốc độ dữ liệu: Tốc độ dữ liệu tại khu vực biên của trong hệ thống IEEE
802.22 là 1,5 Mbps theo chiều xuống và 384 Kbps theo chiều lên. Đây là tốc độ đảm
bảo để cung cấp các dịch vụ băng rộng cơ bản, nhất là tại các khu vực nông thôn khi
mà nhu cầu về tốc độ đường truyền đang đặt ra ở mức trung bình.
Khả năng hỗ trợ dịch vụ: Hệ thống IEEE 802.22 có khả năng truyền tải trực
tiếp các gói tin IP có chiều dài thay đổi một cách hiệu quả ở cả phiên bản IPv4 và
IPv6, khả năng hỗ trợ cả những dịch vụ thời gian thực, bán thời gian thực và phi thời
gian thực, hỗ trợ các dịch vụ VoIP.
Khả năng thích ứng: Các giao thức lớp MAC và lớp PHY trong tiêu chuẩn

IEEE 802.22 sẽ cung cấp khả năng thích ứng tốc độ bit khác nhau cho các thuê bao
khác nhau, cũng như khả năng thích nghi về dung lượng cho các kênh truyền trong

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 8


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

hệ thống với một hiệu suất phổ tần tối thiểu là 0.5 bit/s/Hz và tối đa 5 bit/s/Hz cho
mỗi kênh truyền dẫn. Ngoài ra, các gói tin báo hiệu có thể được gửi với các công suất
cao hơn để đảm bảo khả năng tiếp nhận của các đầu cuối. Ngược lại, các gói tin không
yêu cầu cao về QoS sẽ được xem xét để giảm thiểu công suất phát.
Khả năng mở rộng: Về mặt băng thông, do hệ thống IEEE 802.22 hoạt động
với sự liên quan chặt chẽ về tần số của các hệ thống truyền hình nên băng thông của
hệ thống này được thiết kế cho phép mở rộng một cách linh hoạt. Tối thiểu nhất một
hệ thống IEEE 802.22 phải thích ứng được với các băng thông 6 MHz, 7 MHz và 8
MHz phổ biến của các tiêu chuẩn truyền hình trên thế giới.
1.5.2. Một số lưu ý khi triển khai hệ thống IEEE 802.22
Theo [5], để có thể ứng dụng triển khai hệ thống IEEE 802.22 hiệu quả nhất
tại mỗi quốc gia cũng như tại Việt Nam, có 4 vấn đề cần quan tâm xem xét:
- Thứ nhất, cần có quy hoạch tần số để sử dụng và tái sử dụng các băng tần
truyền hình, nhất là băng tần Digital Dividend 698 - 806 MHz để có lộ trình giải
phóng băng tần này và quy hoạch phân bổ cho các dịch vụ viễn thông, trong đó có hệ
thống WRAN theo chuẩn IEEE 802.22.
- Thứ hai, cần tiếp tục nghiên cứu, lựa chọn và chuẩn hóa ban hành các tiêu
chuẩn, quy chuẩn Việt Nam đối với hệ thống WRAN theo tiêu chuẩn IEEE 802.22
để làm cơ sở quản lý và sử dụng thống nhất, tránh can nhiễu và đảm bảo tính tương
thích với các hệ thống viễn thông hiện có.

- Thứ ba, các nhà mạng cần khảo sát lập bản đồ chi tiết về vùng phủ, băng tần
số truyền hình đang được sử dụng tại các vùng định triển khai hệ thống WRAN để
thiết lập hệ thống phù hợp, tránh can nhiễu sang các hệ thống truyền hình hiện có.
- Thứ tư, để quy hoạch hệ thống, tính toán vùng phủ, tính toán khả năng can
nhiễu của hệ thống cũng như lựa chọn vị trí triển khai hệ thống này, các nhà mạng
cần tuân thủ các quy định chi tiết trong tiêu chuẩn IEEE 802.22.2 "Cài đặt và triển
khai hệ thống IEEE 802.22"

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 9


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

CHƯƠNG 2.

BÀI TOÁN ĐỊNH VỊ PHỔ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN
NHẬN THỨC.

Trong chương này sẽ giới thiệu về việc định vị phổ trong mạng vô tuyến nhận
thức và khái quát hóa việc định vị phổ và các ràng buộc thông qua bài toán cụ thể
bằng các công thức toán học đồng thời dựa vào các công thức này để xác định mục
tiêu của bài toán. Cụ thể:
2.1.

Giới thiệu về định vị phổ trong mạng vô tuyến nhận thức.

Trong truyền thông vô tuyến việc truyền thông tin, dữ liệu được thực hiện
thông qua việc truyền tín hiệu trong một dải tần số nhất định. Để tránh nhiễu cho các

tín hiệu không dây khác, dải tần số này được chia thành nhiều băng tần cho các mục
đích khác nhau và nó được cấp phép cho người dùng bởi các cơ quan của chính phủ.
Việc cấp phép này được chia làm 2 loại chính là licenced user hay còn gọi là
primary user (PU): là những người dùng được cấp phép sử dụng các dải tần số được
qui định và unlicenced user hay còn gọi là secondary user (SU): là những người dùng
thứ cấp. Trong đó, SU chỉ được sử dụng các dải tần số trống (hay còn gọi là khoảng
trắng) khi PU không sử dụng. Tuy nhiên, hoạt động của SU không được ảnh hưởng
đến hoạt động của PU cũng như khi PU cần dùng các khoảng trắng này thì SU phải
thực hiện nhường lại và đi tìm các dải tần số trống khác.

Hình 2-1 Khoảng trắng trong mạng vô tuyến nhận thức

Do vậy một hệ thống có khả năng cảm biến những khoảng trắng này và điều
khiển nhằm thay đổi một cách linh hoạt việc sử dụng các khoảng trắng này được gọi
là một hệ thống định vị phổ trong mạng vô tuyến nhận thức.
HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 10


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

Mô tả bài toán.

2.2.

2.2.1. Đặt vấn đề.
Trong mạng vô tuyến, một người dùng là một đối tượng sử dụng một kênh
(một phần của phổ vô tuyến) để gửi và nhận dữ liệu qua kênh đó. Người dùng chính
hay còn gọi là PU có độ ưu tiên cao hơn khi sử dụng các băng tần so với người dùng

thứ cấp hay còn gọi là SU. SU chỉ có thể sử dụng các kênh khi PU không sử dụng và
họ phải trả lại các kênh này khi PU cần. Chúng ta định nghĩa vấn đề theo [6].
Giả sử rằng mỗi user có một anten vô hướng có thể điều khiển công suất
truyền của nó và có một vùng tần số nhiễu.
Theo [6], đặt 𝒅𝐭 (𝒏, 𝒎) là vùng nhiễu của user n trên kênh m với người dùng
t, trong đó t có thể là PU hoặc SU. Sau khi tất cả PU đã quyết định sử dụng các kênh
đã được đề nghị và vùng nhiễu tương ứng (thông qua điều khiển công suất truyền).
SU sau đó có thể xác định công suất truyền tối đa và vùng bảo vệ chống nhiễu tương
ứng để không gây nhiễu với bất kỳ PU nào. Do sự hạn chế về phần cứng, vùng bảo
vệ chống nhiễu bị giới hạn bởi công thức sau cho user n và kênh m:
𝑑𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑑𝑡 (𝑛, 𝑚) ≤ 𝑑𝑚𝑎𝑥

(1)

2.2.2. Khái quát hóa bài toán.
Giả sử rằng, tổng số user SU là N và các kênh trực giao M. Theo vị trí và
vùng bảo vệ chống nhiễu của PU và SU, chúng ta có ma trận các kênh rỗi L được
định nghĩa như sau:
𝐿 = [𝑙𝑛,𝑚 |𝑙𝑛,𝑚 ∈ {0,1}] 𝑁×𝑀
Trong đó:
𝒍𝒏,𝒎 = 𝟏 nếu kênh m đã được dành cho user SU n sử dụng.
Ngược lại, 𝒍𝒏,𝒎 = 𝟎 nếu kênh m đang được sử dụng.
Chúng ta cũng đặt ma trận B là ma trận “thưởng kênh”, mức thưởng được thể
hiện là công suất hoặc băng thông của các người dùng và được mô tả như sau:
𝐵 = [𝑏𝑛,𝑚 ]𝑁×𝑀

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 11

Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

Trong đó:
𝒃𝒏,𝒎 mô tả mức công suất hoặc băng thông khi user SU n sử dụng khoảng
trắng của kênh m.
Ngoài ra, chúng ta có ma trận C để mô tả nhiễu kênh giữa các người dùng SU
trên kênh m như sau:
𝐶 = [𝑐𝑛,𝑘,𝑚 |𝑐𝑛,𝑘,𝑚 ∈ {0,1}] 𝑁×𝑁×𝑀
Trong đó:
𝒄𝒏,𝒌,𝒎 = 𝟏 mô tả người dùng n sẽ gây nhiễu cho người dùng k nếu cả hai đều
sử dụng kênh m.
Ngược lại, 𝒄𝒏,𝒌,𝒎 = 𝟎.
Cuối cùng, đặt A là ma trận gán kênh để chỉ ra các kênh được phép được sử
dụng bởi các người dùng SU.
𝐴 = [𝑎𝑛,𝑚 |𝑎𝑛,𝑚 ∈ {0,1}] 𝑁×𝑀
Trong đó:
𝒂𝒏,𝒎 = 𝟏 thể hiện khi kênh m được cấp phát cho user SU n.
Ngược lại, 𝒂𝒏,𝒎 = 𝟎.
Một ma trận gán kênh A được sử dụng nếu SU chỉ được gán các kênh và không
xung đột đến bất kỳ các kênh của người dùng khác. Điều này có thể được mô tả bởi
công thức sau:
𝑎𝑛,𝑚 + 𝑎𝑘,𝑚 ≤ 1, ∀ 𝑐𝑛,𝑘,𝑚 = 1, 1 ≤ 𝑛, 𝑘 ≤ 𝑁, 1 ≤ 𝑚 ≤ 𝑀

(2)

Tuy nhiên, do giới hạn phần cứng, mỗi giao diện vô tuyến nhận thức cần phải
có một giới hạn tối đa Cmax các kênh trên số lượng tối đa các kênh được gán theo
[6] và được mô tả bởi công thức:

∑𝑀
𝑚=1 𝑎𝑛,𝑚 ≤ 𝐶𝑚𝑎𝑥 ∀1 ≤ 𝑛 ≤ 𝑁

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

(3)

Trang 12


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

Chúng ta sẽ thực hiện tối đa hóa mức “thưởng kênh” từ ma trận A bằng cách sử
dụng hàm U(A) như sau:
Max-Sum-Reward (MSR)
𝑁

𝑀

𝑈𝑀𝑆𝑅 (𝐴) = ∑ ∑ 𝑎𝑛,𝑚 . 𝑏𝑛,𝑚
𝑛=1 𝑚=1

Max-Min-Reward (MMR)
𝑀

𝑈𝑀𝑀𝑅 (𝐴) = min ∑ 𝑎𝑛,𝑚 . 𝑏𝑛,𝑚
1≤𝑛≤𝑁

𝑚=1

Max-Proportional-Fair (MPF)

𝑁

𝑀

1
𝑁

𝑈𝑀𝑃𝐹 (𝐴) = (∏ ( ∑ 𝑎𝑛,𝑚 . 𝑏𝑛,𝑚 + 10−6 ) )
𝑛=1

𝑚=1

Trong đó:
Max-Sum-Reward (MSR): để tính toán việc tối đa hóa việc sử dụng phổ của
toàn mạng
Max-Min-Reward (MMR): để tính toán việc sử dụng phổ dành cho những
người dùng bị bất lợi nhất
Max-Proportional-Fair (MPF): dùng để tính toán cho việc truy cập phổ một
cách công bằng cho các người dùng.
Một ma trận gán kênh A là một giải pháp của vấn đề. Những phép gán mà
đáp ứng cả hai ràng buộc (2) và (3) là một dạng của giải pháp khả thi ∆, về mặt toán
học được biểu diễn theo công thức sau:

𝐦𝐚𝐱 𝑼(𝑨)
𝑨∈∆

(4)

Trong đó U(A) có thể là 𝑈𝑀𝑆𝑅 (𝐴), 𝑈𝑀𝑀𝑅 (𝐴) ℎ𝑜ặ𝑐 𝑈𝑀𝑃𝐹 (𝐴)

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 13


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

CHƯƠNG 3.

KHẢO SÁT GIẢI THUẬT PSO TRONG VIỆC TỐI ƯU
ĐỊNH VỊ PHỔ.

Trong chương này sẽ giới thiệu giải pháp tối ưu định vị phổ trong mạng vô
tuyến nhận thức sử dụng thuật toán PSO, từ đó so sánh kết quả với giải thuật SSA.
Cụ thể:
3.1.

Giới thiệu giải thuật PSO

Trong giải thuật PSO (Particle Swarm Optimization), tác giả Kenedy và
Eberhart [7] đưa ra giải pháp dựa vào hành vi tìm kiếm thức ăn của bầy chim để thực
hiện giải quyết bài toán tối ưu. Cụ thể, mỗi cá thể trong bầy sẽ thực hiện tương tác
với nhau để khám phá không gian tìm kiếm và mỗi cá thể là một giải pháp có thể cho
bài toán tối ưu.

Hình 3-1 Giải thuật Particle Swarm Optimization (PSO)

3.2.

Mô tả giải thuật PSO
3.2.1. Biểu diễn giải thuật

Trong PSO, theo [7], các cá thể được đặt ngẫu nhiên trong không gian tìm
kiếm, mỗi cá thể i tại vòng lặp t trong không gian tìm kiếm D chiều được định nghĩa
là 𝒙𝒕𝒊 = [𝒙𝒕𝒊𝟏 , 𝒙𝒕𝒊𝟐 , … , 𝒙𝒕𝒊𝑫 ] và có giá trị của hàm mục tiêu là 𝒇(𝒙𝒕𝒊 ). Sau đó, các cá thể
sẽ di chuyển về hướng có giá trị tốt nhất theo hàm mục tiêu và được định nghĩa là vị
trí tốt nhất trog bước lặp hiện tại, việc di chuyển của các cá thể phụ thuộc vào các yếu
tố sau:

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 14


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

sk+1

vk
vk+1

vgbest
vpbest

sk

Hình 3-2 Mô tả giải thuật trong PSO

-

Thứ nhất, vị trí tốt nhất của mỗi cá thể i tại vòng lặp t trong không gian tìm
kiếm D chiều được định nghĩa bởi 𝒑𝒕𝒊 = [𝒑𝒕𝒊𝟏 , 𝒑𝒕𝒊𝟐 , … , 𝒑𝒕𝒊𝑫 ].

-

Thứ hai, vận tốc di chuyển của cá thể i tại vòng lặp t trong không gian tìm
kiếm D chiều được định nghĩa bởi 𝒗𝒕𝒊 = [𝒗𝒕𝒊𝟏 , 𝒗𝒕𝒊𝟐 , … , 𝒗𝒕𝒊𝑫 ].

-

Thứ ba, tại mỗi vòng lặp t, giá trị hàm mục tiêu của quần thể được định nghĩa
bởi 𝒑𝒕𝒈 = [𝒑𝒕𝒈𝟏 , 𝒑𝒕𝒈𝟐 , … , 𝒑𝒕𝒈𝑫 ].

-

Cuối cùng, các giá trị vận tốc của cá thể sẽ được cập nhật lại qua mỗi vòng
lặp dựa vào công thức:
𝑡+1
𝑡
𝑡
𝑡 )
𝑡
𝑡
)
𝑣𝑖𝑑
= 𝜔𝑣𝑖𝑑
+ 𝑐1 𝑟1 (𝑝𝑖𝑑
− 𝑥𝑖𝑑

+ 𝑐2 𝑟2 (𝑝𝑔𝑑
− 𝑥𝑔𝑑

(5)

và giá trị về vị trí cũng của cá thể sẽ được cập nhật lại qua mỗi vòng lặp theo
công thức sau:
𝑡+1
𝑡
𝑡+1
𝑝𝑖𝑑
= 𝑝𝑖𝑑
+ 𝑣𝑖𝑑

(6)

Trong đó
𝜔 là hệ số quán tính.
𝑐1 , 𝑐2 là các hệ số gia tốc.
𝑟1 , 𝑟2 là các giá trị ngẫu nhiên trong [0,1].
HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 15


Luận văn: Định vị phổ trong mạng CRN bằng giải thuật SSA

3.2.2. Giải quyết bài toán CRN trong PSO
Theo [3], để giải quyết bài toán định vị phổ cho mạng vô tuyến nhận thức, tức
là tìm các khoảng trắng có thông lượng cao nhất một cách tối ưu nhất cho người dùng

thứ cấp, tác giả thực hiện ánh xạ các cá thể trong đàn thành các người dùng thứ cấp
(SU), các khoảng trắng trong các kênh được phát sóng từ các trạm của người dùng
chính (PU) tương ứng với nguồn thức ăn trong không gian tìm kiếm.
Để tránh tình trạng thuật toán bị tối ưu cục bộ, tác giả sử dụng kết hợp với
thuật toán luyện kim (Simulated Annealing - SA) và cơ chế quay bánh xe Roulette
trong quá trình lặp, từ đó, tác giả thực hiện giải quyết bài toán bằng cách thực hiện
tìm giá trị tốt nhất cho hàm mục tiêu:

𝑡
)= {
𝑓(𝑝𝑖𝑛,𝑖𝑚

𝑡
∑𝑁
𝑛=1 ∑𝑚∈𝐶𝑠 𝑝𝑖𝑛,𝑖𝑚 𝑟𝑛,𝑚
−1

𝑡
𝑛ế𝑢 𝑆𝐼𝑖𝑡 ≤ 𝐼𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡 , 𝑃𝐼𝑖𝑛
≤ 𝑃𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡
𝑛𝑔ượ𝑐 𝑙ạ𝑖

(7)

Trong đó:

𝐶𝑠 : tập các kênh trống mà SU có thể sử dụng.
𝑆𝐼𝑖𝑡 : nhiễu kênh giữa các SU.
𝐼𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡 : vùng nhiễu tối đa cho mỗi người dùng.
𝑡

𝑃𝐼𝑖𝑛
: mức công suất truyền mà không bị nhiễu với người dùng khác.

𝑃𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡 : công suất truyền tối đa của mỗi người dùng.
3.2.3. Cài đặt thuật toán PSO cho bài toán CRN
Để giải quyết bài toán xác định phổ trong mạng vô tuyến nhận thức, thuật
toán PSO được cài đặt theo trình tự các bước sau:
Bước 1: Khởi tạo.
Khởi tạo các kênh người dùng gán vào ma trận L, băng thông tương
ứng của các kênh gán vào ma trận B, thông tin trạng thái gán vào ma trận
G, phạm vi nhiễu của các người dùng trên các kênh gán vào ma trận C và
công suất truyền gán vào ma trận P.

HVTH: VÕ CÔNG MINH – CH1401012

Trang 16