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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Văn Tuấn

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Văn Tuấn

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

Chuyên ngành:

Kỹ thuật viễn thông

Mã số:

62.52.02.08

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. TS. Nguyễn Thành Hiếu
2. PGS. TS. Nguyễn Viết Kính

Hà Nội - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu
của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày
trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất cứ công trình
nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều trích dẫn đầy đủ và theo đúng
quy định.

Hà Nội, ngày 15.7.2017
Tác giả

Lê Văn Tuấn


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được
nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu.
Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy hướng dẫn TS.
Nguyễn Thành Hiếu, PGS.TS. Nguyễn Viết Kính đã giúp đỡ tác giả trong toàn bộ
quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô Bộ môn Vô tuyến, Khoa
Vô tuyến điện tử, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo
điều kiện thuận lợi, đóng góp về chuyên môn để tác giả hoàn thành nhiệm vụ.

Tác giả xin cảm ơn Cục Tần số Vô tuyến điện, Bộ Thông tin và Truyền thông
là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho phép tác giả có thể tham gia nghiên cứu
trong những năm làm nghiên cứu sinh.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, đồng nghiệp, bạn bè, đặc biệt là
TS. Đinh Chí Hiếu và TS. Nguyễn Thu Hà đã động viên, chia sẻ những khó khăn,
giúp đỡ tác giả vượt qua những khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu
như ngày hôm nay.
Hà Nội, ngày 15.7.2017
Tác giả

Lê Văn Tuấn


1. MỤC LỤC
2.
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. viii
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ..................................................................... ix
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Chương 1: Tổng quan về vô tuyến có nhận thức và bài toán nâng cao dung
lượng ..........................................................................................................................7
1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin có nhận thức .............................................7
1.1.1. Cơ sở hình thành .....................................................................................7
1.1.2. Khái niệm về hệ thông tin có nhận thức .................................................7
1.1.3. Các đặc điểm cơ bản của CRS ................................................................8
1.1.4. Khả năng ứng dụng của thông tin vô tuyến có nhận thức ......................9
1.2. Một số hướng nghiên cứu chính về vô tuyến có nhận thức ........................10
1.2.1. Hướng nghiên cứu về nhận dạng phổ tần (spectrum sensing) ..............11
1.2.2. Các nghiên cứu về quản trị phổ tần ......................................................15

1.2.3. Nghiên cứu về phân chia và chia sẻ phổ tần .........................................16
1.3. Bài toán nâng cao dung lượng hệ thống CRS .............................................17
1.3.1. Tổng quan..............................................................................................17
1.3.2. Các nghiên cứu về nâng cao dung lượng hệ thống CR ..........................22
1.4. Kết luận chương .............................................................................................30
i


2. Chương 2: Giải pháp nâng cao dung lượng CRS bằng kỹ thuật cửa sổ ...........33
2.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................33
2.2. Hiện tượng dò phổ tín hiệu trong quá trình biến đổi Fourier rời rạc .............34
2.3. Sử dụng kỹ thuật cửa sổ cho hệ thống OFDM ..............................................36
2.2. Một số kỹ thuật cửa sổ sử dụng cho OFDM ................................................40
2.2.1. Cửa sổ Nyquist ........................................................................................40
2.2.2. Kỹ thuật cửa sổ chữ nhật và cửa sổ Hanning ..........................................44
2.3. Đề xuất sử dụng kỹ thuật cửa sổ cho bài toán nâng cao dung lượng CRS....46
2.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của kỹ thuật cửa sổ tới bài toán phân bổ công
suất .....................................................................................................................50
2.3.2. Nhận xét ...................................................................................................54
2.4. Kết luận chương .............................................................................................59
3. Chương 3. Nâng cao dung lượng bằng giải thuật Full-Filling ..........................61
3.1. Kỹ thuật Full-Filling ......................................................................................61
3.1.1. Giải thuật Max Filling Range ..................................................................62
3.1.2. Giải thuật Pre-set Filling Range-PFR ......................................................64
3.2. Kết quả mô phỏng ..........................................................................................67
3.2.1. Phân bố mức công suất của các sóng mang con ......................................68
3.2.2. Dung lượng truyền của CRS....................................................................71
3.2.3. Độ phức tạp tính toán khi áp dụng Full-Filling .......................................74
3.3. Kết luận chương .............................................................................................80
ii

4. Chương 4: Nâng cao dung lượng CRS đa người dùng bằng kỹ thuật cửa sổ ...82
4.1. Tổng quan về CRS đa người dùng.................................................................82
4.2. Nhiễu giữa PU và CR trong CRS đa người dùng ..........................................83
4.2.1. Nhiễu từ CRS tới PU ...............................................................................84
4.2.2. Nhiễu giữa người dùng CRS với nhau ....................................................84
4.2.3. Nhiễu PU tới CRS ...................................................................................85
4.3. Bài toán nâng cao dung lượng .......................................................................85
4.4. Giải pháp phân bổ sóng mang con cho người dùng CRS ..............................87
4.4.1. Phân bổ đều sóng mang con ....................................................................89
4.4.2. Phân chia tỷ lệ nghịch với nhiễu tới PU (IIA-I) ......................................89
4.4.3. Phân chia nghịch đảo với nhiễu có qui chuyển về băng thông chuẩn .....90
4.5. Kết quả mô phỏng dung lượng hệ thống CRS đa người dùng ......................91
4.5.1. Trường hợp không sử dụng kỹ thuật cửa sổ ............................................92
4.5.2. Trường hợp sử dụng kỹ thuật cửa sổ .......................................................96
4.5.3. Phân tích, đánh giá kết quả. .....................................................................99
4.6. Kết luận chương ...........................................................................................101
KẾT LUẬN ............................................................................................................103
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN.....................................................................................................106
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................107

iii


3. THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
3G

Tiếng Anh
Third Mobile Generation

Tiếng Việt
Công nghệ di động thế hệ 3

BS

Base Station

Trạm gốc

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa tuy nhập phân chia theo mã

CPE

Customer Premise Equipment

Thiết bị đầu cuối

CR

Cognitive Radio

Vô tuyến có nhận thức

CRS

Cognitive Radio System

Hệ thống vô tuyến có nhận thức

CSI

Channel State Information

Thông tin về trạng thái kênh truyền

DTV

Digital Television

Truyền hình số

FDMA

Frequency Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Access
FM

Frequency Modulation

Điều chế tần số

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

GSM

Global System for Mobile

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

Communication
ICI

Inter Channel Interference

Nhiễu xuyên kênh

IEEE

Institute of Electronic and

Viện các kỹ sư điện và điện tử

Electrical Engineers
IIA

Interference Inversion Allocation

Phân chia nghịch đảo với nhiễu

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu xuyên ký hiệu

ITU

International Telecommunication

Liên minh viễn thông quốc tế

Union
Localization Algorithm based on

Giải thuật định vị tín hiệu dựa trên

Double-thresholding

ngưỡng kép

LO

Local Oscillator

Bộ dao động nội

MFR

Max Filling Range

Giải thuật dải điền đầy tối đa

OFDM

Orthogonal Frequency Division

Ghép kênh phân chia theo tần số trực

Multiplexing

giao

LAD

iv


OFDMA Orthogonal Frequency Division

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực

Multiple Access

giao

PFR

Preset Filling Range

Giải thuật dải điền đầy xác lập trước

PSD

Power Spectrum Density

Mật độ phổ công suất

PU

Primary User

Người dùng chính (được cấp phép)

Q-IIA

Quantized Interference Inversion

Phân chia nghịch đảo với nhiễu có quy

Allocation

chuẩn về băng thông chuẩn

SDR

Software Defined Radio

Vô tuyến xác định bằng phần mềm

SER

Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi ký hiệu

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm

STA

Station

Trạm (vô tuyến có nhận thức)

SU

Seccondary User

Người dùng thứ cấp

TDD

Time Division Duplexing

Song công phân chia theo thời gian

TV-WS

TV white space

Khoảng trắng băng tần truyền hình

UWB

Ultra Wide Band

(Công nghệ vô tuyến) băng siêu rộng

WLAN

Wireless Local Area Network

Mạng cục bộ không dây

WRAN

Wireless Regional Access Network

Mạng không dây diện rộng

WSS

Wide-sense Stationary

Dừng theo nghĩa rộng

RKRL

Radio Knowledge Representation

Ngôn ngữ đặc tả vô tuyến nhận thức

Language
4.

v


5. DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Các băng tần do các CRS và PU sử dụng ................................................18
Hình 1.2: Nhiễu hai chiều qua lại giữa CRS và PU.................................................19
Hình 1.3: Phân bổ công suất theo hình bậc thang [8] ..............................................25
Hình 1.4: Sơ đồ khối hệ thống OFDM với kỹ thuật trọng số sóng mang con [13] .30
Hình 2.1: Đáp ứng tần số của một số cửa sổ ..........................................................33
Hình 2.2: Sự khác biệt của tín hiệu qua FFT ...........................................................35
Hình 2.3: DFT của sóng hình sin trong trường hợp không bị rò và bị rò [37] ........35
Hình 2.4: Sơ đồ tạo ký hiệu OFDM trong một hệ thống WLAN 802.11[73] .........37
Hình 2.5: Sử dụng cửa sổ cosin nâng để ghép nối ký hiệu .....................................38
Hình 2.6: Khung OFDM với tiền tố vòng và cửa sổ trong 802.11 ..........................39
Hình 2.7: Ký hiệu OFDM sử dụng cửa sổ nyquist thích nghi [63] ........................42
Hình 2.8: DFT có Nyquist widowing với hệ số uốn khác nhau [37]......................43
Hình 2.9: Cửa sổ Tukey với hệ số uốn khác nhau ...................................................43
Hình 2.10: So sánh đặc tính của cửa sổ Tukey với một số cửa sổ khác ..................48

Hình 2.11: Mặt nạ phổ tín hiệu DVB-T (8MHz) [26] .............................................51
Hình 2.12: Phân bổ công suất sóng mang CRS khi chưa áp dụng kỹ thuật cửa sổ .52
Hình 2.13: Phân bổ công suất sóng mang con khi dùng kỹ thuật cửa sổ, Ith = 5σ2 .52
Hình 2.14: Phân bổ công suất của sóng mang con CRS khi có cửa sổ với Ith = σ2 .53
Hình 2.15: Tốc độ dữ liệu CRS trong trường hợp có và không có cửa sổ, hệ số uốn
a= 0,3 (hình a) và a= 0,6 (hình b) ............................................................................54
Hình 3.1: Giải thuật Max Filling Range – Cách 1 ...................................................63
Hình 3.2: Giải thuật Max Filling Range – Cách 2 ...................................................64
Hình 3.3: Giải thuật Pre-set Filling Range ..............................................................66
Hình 3.4: Phân bổ công suất trong trường hợp tối ưu (Ith= 52) .............................69
Hình 3.5: Phân bổ công suất theo giải thuật MFR, Ith= 22 (1 snapshot) ...............69
vi


Hình 3.6: Phân bổ công suất theo giải thuật MFR, Ith= 52 (1 snapshot) ...............69
Hình 3.7: Phân bổ công suất trung bình theo giải thuật MFR, Ith= 2 ....................70
Hình 3.8: Phân bổ công suất đối với trường hợp PFR (Ith=52) .............................70
Hình 3.9: Tốc độ truyền của CRS khi ngưỡng chịu nhiễu của PU cao ...................71
Hình 3.10: Tốc độ truyền CRS khi ngưỡng chịu nhiễu Ith của PU thấp ..................73
Hình 3.11: Tốc độ truyền tối đa của CRS (hệ số uốn a= 0,2; 0,35; 0,5; 0,7) ..........74
Hình 3.12: Số lượng biến trong các kỹ thuật phân bổ công suất .............................77
Hình 3.13: Độ phức tạp tính toán của CRS với các giải thuật FF ...........................78
Hình 4.1: Phân kênh theo chuẩn 802.11 b/g ............................................................83
Hình 4.2: Phân bố công suất và sóng mang con cho mỗi người dùng CRS ............88
Hình 4.3: Phân bố công suất và sóng mang con trong trường hợp IIA-I, không sử
dụng kỹ thuật cửa sổ, Ith =1mW (a) và 7 mW (b). ...................................................93
Hình 4.4: Phân bố sóng mang con và công suất trong trường hợp Q-IIA, Ith= 1mW
(a) và 7 mW (b), không sử dụng kỹ thuật cửa sổ.....................................................94
Hình 4.5: Phân bố công suất và sóng mang con trong trường hợp phân chia đều
sóng mang, Ith =1mW(a) và 7 mW (b). ....................................................................95

Hình 4.6: Tốc độ dữ liệu CRS với IIA-I, Q-IIA, phân chia đều, không cửa sổ ......95
Hình 4.7: Phân chia sóng mang con và công suất với IIA-I,cửa sổ, Ith = 0.1 mW
(a); 0,7 mW (b).........................................................................................................97
Hình 4.8: Phân chia sóng mang con và công suất cho trường hợp Q-IIA, có sử
dụng cửa sổ, Ith = 1mW (a) và 7mW (b) ..................................................................98
Hình 4.9: Phân bố sóng mang và công suất với trường hợp uniform, Ith= 1mW, có
sử dụng cửa sổ. .........................................................................................................98
Hình 4.10: Tốc độ dữ liệu của CRS trong các trường hợp IIA, Q-IIA và phân chia
đều khi áp dụng cửa sổ .............................................................................................99

vii


6. DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1: Các điểm gẫy của mặt nạ phổ tín hiệu DVB-T [26] ...............................51
Bảng 3-1: Số sóng mang cần phân bổ tối ưu và độ phức tạp tính toán ...................76

viii


7. DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

Ký hiệu

Ý nghĩa

Ví dụ

Chữ thường, in nghiêng

Biến số

ω

2

Giá trị tuyệt đối

 hiss 2

C

Dung lượng CRS

I

Nhiễu từ CRS sang PU

J

Nhiễu từ PU sang CRS

P

Công suất phát

Pi

exp()

Hàm mũ en

exp( j 2 pnt )

Δf

Độ rộng sóng mang con CRS

Ts

Độ dài ký hiệu

Bl

Độ rộng băng mà PU sử dụng

ix


8. MỞ ĐẦU

Tổng quan
Trong hơn hai thập kỷ gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của các hệ
thống thông tin vô tuyến, đi kèm theo yêu cầu về băng thông lớn hơn, nhu cầu sử
dụng phổ tần số vô tuyến ngày càng cao, dẫn đến nguồn tài nguyên này ngày càng
trở nên khan hiếm và có giá trị. Điều này đặt ra yêu cầu cần có công nghệ mới có
khả năng sử dụng phổ tần số hiệu quả hơn.
Trước đòi hỏi thực tế trên, vô tuyến có nhận thức (cognitive radio-CR) là một
hướng đi mới về công nghệ vô tuyến dựa trên việc tận dụng các khoảng trống tần
số (là tần số đã được cấp phép nhưng người được cấp phép lại không sử dụng), qua

đó nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số vô tuyến điện.
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là kỹ thuật được thừa
nhận rộng rãi để dùng cho hệ thống vô tuyến có nhận thức (CRS) nhờ hiệu quả
trong việc truyền tin qua các kênh pha-đinh (fading channel).
Do CRS sử dụng các khoảng tần trống, trong nhiều trường hợp là nằm cạnh
các đoạn tần đang được sử dụng bởi người dùng chính (PU), nên xuất hiện nhiễu
qua lại giữa người dùng của CRS (SU) và PU, làm ảnh hưởng tới chất lượng của
hai hệ thống. Là hệ thống không được cấp phép nên CRS sẽ phải bảo vệ PU, không
được phép gây cho PU mức nhiễu vượt ngưỡng quy định trước Ith (mức nhiễu chấp
nhận được). Như được trình bày trong các nghiên cứu [6], [7], [8], [9] dung lượng
của CRS phụ thuộc vào mức công suất phân chia cho từng sóng mang con của nó
và mức nhiễu mà PU gây ra cho từng băng của CRS. Về phần mình, mức công suất
phân chia cho các sóng mang con của CRS phải đảm bảo tổng mức nhiễu chúng
gây ra cho PU không vượt quá giá trị Ith.

1


Bài toán đặt ra
Với đặc điểm bắt buộc không được phép gây ra mức nhiễu cao hơn mức nhiễu
chấp nhận được Ith của PU, một câu hỏi cơ bản đặt ra trong các nghiên cứu về CR
là làm thế nào để nâng cao dung lượng của hệ thống trong khi phải đảm bảo điều
kiện bảo vệ PU về nhiễu?
Các nghiên cứu về nâng cao dung lƣợng cho CRS
Hiện nay có nhiều nghiên cứu đã và đang thực hiện liên quan tới chủ đề này.
Các nghiên cứu đó được tóm tắt dưới đây.
Giải pháp nén phát xạ phụ (side lobe suppression) đã được đề xuất trong [32]
nhằm giảm mức nhiễu sang băng lân cận.
Bên cạnh đó, chúng ta có thể thấy nhiễu do một sóng mang con của CRS gây
ra cho PU phụ thuộc vào mức công suất phát của nó và khoảng cách tần số giữa nó

với PU. Trong nghiên cứu [7], hai giải pháp phân chia công suất sóng mang con
với các bước phân chia khác nhau đã được đề xuất. Trong nghiên cứu [8], các tác
giả đã đề xuất giải thuật phân chia công suất tối ưu cho sóng mang con nhằm đạt
được dung lượng đường xuống cao nhất cho người dùng CRS. Theo đó, phương
thức tối ưu cho kết quả là dung lượng hệ thống đạt kết quả cao nhất nhưng đổi lại
là độ phức tạp tính toán cao, khó khả thi đối với hệ thống công suất hạn chế. Do
đó, các tác giả đã đề xuất một số phương án cận tối ưu với tên gọi Scheme A,
Scheme B dựa trên cách thức tính tỷ lệ nghịch với với độ nhiễu do CRS gây ra cho
PU. Ảnh hưởng của việc tắt sóng mang con (sub-carrier nulling) và chất lượng của
giải pháp truyền thống về phân chia công suất cho sóng mang con theo kỹ thuật
rót đầy nước (water-filling) và phân chia đều công suất cũng đã được đánh giá
trong nghiên cứu [8].
Hƣớng nghiên cứu của nghiên cứu sinh
Như đã nói ở trên, dung lượng CRS phụ thuộc vào mức công suất phát của
mỗi sóng mang con của nó và mức nhiễu mà PU gây cho CRS. Vì vậy, để tăng
2


dung lượng CRS thì phải tăng được mức công suất phát cho các sóng mang con.
Nhưng khi tăng mức công suất phát cho sóng mang con của CRS thì mức nhiễu
gây cho PU lại tăng lên. Đối với hệ thống CRS hiện (overlay CR), do CRS dùng
khoảng trống tần số nên nhiễu nó gây cho PU chủ yếu là nhiễu do phát xạ ngoài
băng. Vì vậy, cần có giải pháp làm suy giảm phát xạ ngoài băng từ các sóng mang
con OFDM của CRS, qua đó tăng công suất phát cho sóng mang con mà vẫn đảm
bảo được điều kiện bảo vệ về nhiễu cho PU.
Giải pháp được nghiên cứu sinh đưa vào nghiên cứu là đánh giá khả năng sử
dụng kỹ thuật cửa sổ (windowing) cho CRS để giảm phát xạ ngoài băng. Trong kỹ
thuật cửa sổ, người ta sử dụng hàm cửa sổ là hàm trong đó có giá trị bằng 0 khi
nằm ngoài một khoảng (interval) xác định trước. Tín hiệu sau khi nhân với hàm
cửa sổ sẽ có dạng như dạng của hàm cửa sổ, trong đó giá trị tín hiệu là bằng 0 ở

các miền nằm ngoài khoảng.
Cùng với kỹ thuật cửa sổ, nghiên cứu sinh cũng nghiên cứu giải pháp phân bổ
công suất cho các sóng mang con của CRS sao cho độ phức tạp tính toán thấp để
phù hợp với tính giản đơn của CRS.
Bên cạnh đó, để tính phổ quát cao hơn, bên cạnh ứng dụng cho CRS đơn
người dùng, nghiên cứu sinh cũng mở rộng nghiên cứu cho CRS đa người dùng,
vốn phức tạp hơn do bên cạnh việc phân bổ công suất cho mỗi sóng mang con,
trường hợp này còn vấn đề phân bổ sóng mang con cho mỗi người dùng CRS.
Trong nghiên cứu của nghiên cứu sinh, CRS được giới hạn là hệ thống vô
tuyến có nhận thức hiện (overlay CR), luận án tập trung vào bài toán sử dụng kỹ
thuật tạo cửa sổ và phân bổ công suất. Các đánh giá được thực hiện trong miền tần
số. Ảnh hưởng của việc sử dụng kỹ thuật tạo cửa sổ dẫn đến làm giảm độ dự trữ
chống can nhiễu đa đường của CRS (do cửa sổ chiếm dùng một phần của khoảng
bảo vệ) không được xem xét đến trong luận án này.

3


Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án là kết hợp giải tích với
mô phỏng Monte-Carlo sử dụng máy tính. Phương pháp giải tích được sử dụng để
thiết lập phương trình tính toán tốc độ truyền tối đa của hệ thống. Mô phỏng
Monte-Carlo được sử dụng để tính toán phân bổ công suất cho các sóng mang con
để đạt được dung lượng tối đa qua tốc độ truyền tối đa của CRS.
Các đóng góp
Luận án đã được các kết quả và đóng góp chính sau đây:
- Đề xuất áp dụng kỹ thuật cửa sổ cho CRS dựa trên OFDM. Lý do nghiên
cứu sinh lựa chọn kỹ thuật này là vì nó có đặc tính làm giảm phát xạ ngoài băng
của tín hiệu (qua đó có thể tăng công suất phát các sóng mang con, tức tăng dung
lượng của CRS) và hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống Wi-Fi

(cũng dựa trên OFDM), nhưng chưa được xem xét trong các nghiên cứu về nâng
cao dung lượng cho CRS. Kết quả mô phỏng cho thấy, khi áp dụng kỹ thuật cửa
sổ, dung lượng hệ thống tăng lên đáng kể so với trường hợp không sử dụng kỹ
thuật này (chi tiết được trình bày tại chương 2).
- Đề xuất giải pháp mới có tên là Lấp đầy (Full-Filling) để phân bổ công suất
cho các sóng mang con của CRS. Kỹ thuật này dựa trên ý tưởng phân bổ công suất
tối đa cho các sóng mang con CRS nằm cách xa băng tần của PU, làm giảm mạnh,
thậm chí có thể bỏ qua, số lượng sóng mang cần phải sử dụng phép tính tối ưu để
phân bổ công suất, qua đó làm giảm độ phức tạp tính toán của giải thuật. Kết quả
mô phỏng cho thấy khi kết hợp Full-Filling với kỹ thuật cửa sổ, hệ thống CR có
thể đạt được tốc độ truyền dẫn tiệm cận với tốc độ trong trường hợp tối ưu, trong
khi giữ được độ phức tạp tính toán rất thấp. Chi tiết về giải pháp này được trình
bày tại chương 3.

4


- Đề xuất sử dụng kỹ thuật cửa sổ cho CRS đa người dùng. Kết quả mô phỏng
cũng cho thấy khi sử dụng kỹ thuật cửa sổ, dung lượng hệ thống đa người dùng
cũng tăng lên đáng kể so với không sử dụng kỹ thuật này.
- Đề xuất giải pháp mới để phân chia sóng mang con cho mỗi người dùng của
CRS đa người dùng, đó là giải pháp phân chia nghịch đảo với nhiễu có qui chuyển
về băng thông chuẩn (Q-IIA, quantized IIA).
Bố cục luận án
Luận án được trình bày thành 4 chương với bố cục như sau:
- Chương 1: Vô tuyến có nhận thức và bài toán nâng cao dung lượng. Nội
dung chương này là nêu lên những nét tổng quan về hệ thống thông tin có nhận
thức (cơ sở cho sự hình thành CRS, các định nghĩa về CR, các đặc trưng của CRS,
kiến trúc và các chức năng chính của CRS, các ứng dụng công nghệ CRS); tổng
hợp các hướng nghiên cứu chính về CRS (nghiên cứu về nhận dạng phổ tần, về

quản trị phổ tần, về phân chia và chia sẻ phổ tần). Chương 1 cũng giới thiệu về bài
toán nâng cao dung lượng, hướng nghiên cứu của nghiên cứu sinh, trong đó nêu
lên vấn đề nhiễu hai chiều giữa SU với PU và tổng hợp các kết quả nghiên cứu của
các tác giả khác về nâng cao dung lượng cho CRS.
- Chương 2: Giải pháp nâng cao dung lượng của CRS bằng kỹ thuật cửa sổ.
Chương này giới thiệu việc ứng dụng kỹ thuật cửa sổ cho hệ thống OFDM, một số
kỹ thuật cửa sổ đang được sử dụng. Kết quả mô phỏng việc áp dụng kỹ thuật cửa
sổ được trình bày trong chương này, đi cùng với các đánh giá tác động của kỹ thuật
cửa sổ đối với việc nâng cao dung lượng của CRS dựa trên OFDM, cũng như các
phân tích, đánh giá về phân bố mức công suất phát của các sóng mang con của
CRS khi áp dụng cửa sổ.
- Chương 3: Nâng cao dung lượng bằng giải thuật Full-Filling. Chương này
giới thiệu các giải pháp Full-Filling mà nghiên cứu sinh đề xuất, bao gồm các giải
thuật MFR và PFR; trình bày kết quả mô phỏng về phân bố công suất, dung lượng
5


hệ thống và độ phức tạp tính toán khi áp dụng kỹ thuật Full-Filling, có so sánh với
các giải pháp do tác giả khác đề ra.
- Chương 4: Nâng cao dung lượng hệ thống CR đa người dùng. Chương này
giới thiệu tóm tắt về vấn đề nhiễu trong bối cảnh đa người dùng, bài toán nâng cao
dung lượng cho hệ thống; đề xuất cải tiến giải pháp phân chia nghịch đảo theo
nhiễu (IIA) dựa trên mức độ nhiễu do PU gây ra với CRS thành giải pháp phân
chia nghịch đảo theo nhiễu CRS gây ra cho PU (IIA-I). Từ đó, đề xuất giải pháp
mới trong phân bổ sóng mang con cho mỗi người dùng CRS là phân chia nghịch
đảo với nhiễu có quy chuyển về băng thông chuẩn Q-IIA. Kết quả mô phỏng khi
áp dụng Q-IIA, IIA-I kết hợp với hoặc không kết hợp với kỹ thuật cửa sổ được
trình bày, phân tích và đánh giá trong chương này.

6

9. Chương 1: Tổng quan về vô tuyến có nhận thức và bài toán nâng cao dung lượng
1.1.

Tổng quan về hệ thống thông tin có nhận thức

1.1.1. Cơ sở hình thành
Như chúng ta đã biết, các hệ thống thông tin vô tuyến điện khi hoạt động thì
phải sử dụng sóng vô tuyến điện, hay tần số vô tuyến điện. Để không gây can
nhiễu lẫn nhau, các hệ thống vô tuyến điện chỉ được phép hoạt động khi được cho
phép sử dụng tần số/ khoảng tần số cụ thể với một số điều kiện kèm theo.
Hình thức quản lý phổ tần số này đảm bảo việc sử dụng tần số một cách có
trật tự, hạn chế gây can nhiễu lẫn nhau giữa các hệ thống vô tuyến điện. Tuy nhiên,
kết quả kiểm soát việc sử dụng tần số, bao gồm cả ở các vùng nông thôn, cho thấy
một số băng tần rất ít khi được sử dụng hay chỉ được sử dụng trong một phần thời
gian, trong khi một số băng tần lại được sử dụng dày đặc [77].
Việc một phần phổ tần ít được sử dụng đã đưa đến khái niệm về khoảng trống
tần số (spectrum hole) - là một băng hay các tần số được ấn định cho một người sử
dụng chính (Primary User - PU) nhưng tại một địa điểm nhất định và trong khoảng
thời gian xác định, băng tần/tần số đó không được sử dụng bởi người dùng chính.
Việc tận dụng các khoảng trống tần số này để sử dụng cho các hệ thống vô tuyến
khác sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số.
Trong bối cảnh đó, hệ thống CR được đề xuất như là giải pháp để tận dụng
các khoảng trống tần số.
1.1.2.

Khái niệm về hệ thông tin có nhận thức

Khái niệm về vô tuyến có nhận thức được J. Mitola đưa ra vào các năm 1991

và 1998, với tên gọi đầu tiên là RKRL [35]. Hiện có nhiều định nghĩa về CRS.
CRS được định nghĩa trong [21] như sau: “là một hệ thống thông tin vô tuyến
thông minh, nhận biết được môi trường điện từ xung quanh và tự điều chỉnh một số
7


tham số hoạt động (như công suất phát, tần số sóng mang, phương thức điều
chế,..) để thích ứng với sự thay đổi của môi trường điện từ xung quanh”.
Một định nghĩa khác về CRS là “hệ thống vô tuyến có thể thay đổi các tham
số phát của nó dựa trên việc tương tác với môi trường mà nó hoạt động”[3].
Theo Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) [24], [25], thì CRS là: ”một hệ
thống vô tuyến sử dụng công nghệ cho phép hệ thống thu nạp được sự hiểu biết về
môi trường hoạt động và địa lý của nó, các quy định đã có và trạng thái bên trong
để điều chỉnh một cách linh hoạt, chủ động các tham số và các giao thức hoạt
động phù hợp với sự hiểu biết thu nhận được nhằm đạt được các mục tiêu đề ra;
và để học (learn) từ các kết quả thu được”.
1.1.3. Các đặc điểm cơ bản của CRS
Theo [21], có 6 đặc điểm cơ bản khi nói về CRS: tự nhận biết (awareness),
thông minh (intelligence), học (learning), thích ứng (adaptivity), tin cậy
(reliability), hiệu quả (efficiency). Ngoài ra, CRS còn khả năng tái cấu hình
(reconfigurability)[40] thông qua chức năng vô tuyến xác định bằng phần mềm –
SDR [46], [58].
Theo [3] thì một CRS có hai đặc tính cơ bản, đó là:
- Khả năng nhận thức (cognitive): là khả năng thu nhận được hay nhận biết
(sense) được thông tin từ môi trường vô tuyến xung quanh để phát hiện ra các
khoảng trống tần số và để xác lập được các tham số hoạt động tốt nhất.
- Khả năng cấu hình lại: là khả năng cho phép hệ thống tự lập trình lại một
cách linh hoạt, phù hợp với điều kiện môi trường xung quanh.
Ngoài ra, một đặc điểm quan trọng nữa của CRS là khi hoạt động hệ thống
này phải đảm bảo không được gây ra mức nhiễu cao quá ngưỡng cho phép đối với

người sử dụng chính. Vì vậy, khác với hệ thống vô tuyến truyền thống, khi giải

8


quyết bài toán phân bổ công suất sóng mang con hay bài toán dung lượng của
CRS, thì chúng ta cần phải tính tới điều kiện về ngưỡng nhiễu cho phép này.
1.1.4.

Khả năng ứng dụng của thông tin vô tuyến có nhận thức

Hiện nay, công nghệ vô tuyến có nhận thức vẫn đang trong quá trình hoàn
thiện và dự báo sẽ được ứng dụng trong nhiều hệ thống vô tuyến trong tương lai.
Phần tiếp theo giới thiệu về hai ứng dụng theo họ tiêu chuẩn do IEEE xây dựng.
1.1.4.1.

Hệ thống chuẩn 802.22

802.22 là tiêu chuẩn cho mạng không dây diện rộng WRAN, được thông qua
vào tháng 7 năm 2011, sử dụng khoảng trắng tần số trong băng tần truyền hình. Hệ
thống theo chuẩn 802.22 có cấu trúc mạng là điểm-đa điểm để cung cấp đường
truyền vô tuyến băng rộng với cự ly truyền dẫn xa cho vùng sâu, vùng xa, vùng
nông thôn. Chuẩn 802.22 có các độ rộng kênh tần là 6, 7 hoặc 8MHz, kiểu đa truy
nhập OFDMA, song công TDD.
Do làm việc trong băng tần của truyền hình, chuẩn 802.22 sử dụng công
nghệ CR để tìm kiếm, xác định các kênh truyền hình còn trống để sử dụng. Hệ
thống chuẩn 802.22 có chức năng xác định vị trí của thiết bị, có cơ sở dữ liệu về
hiện trạng sử dụng tần số và chức năng nhận dạng phổ tần. Trạm gốc (BS) và
trạm đầu cuối (CPE) đều có chức năng xác định tọa độ của mình, các CPE phải
thông báo vị trí của mình để BS cập nhật lại từ cơ sở dữ liệu các kênh tần có thể

sử dụng.
Về nhận dạng phổ tần, 802.22 không quy định cụ thể, chỉ phân theo hai nhóm
kỹ thuật nhận dạng là nhận dạng mù và nhận dạng dựa trên các đặc tính của tín
hiệu. Kỹ thuật nhận dạng mù ở đây bao gồm các kỹ thuật như phát hiện năng lượng
tín hiệu, nhận dạng đặc điểm riêng và nhận dạng đa phổ (một kỹ thuật dò tìm dựa
trên phổ công suất để xác định mức độ chiếm dụng phổ tần).

9


1.1.4.2.

Hệ thống chuẩn 802.11af

802.11af hay còn được gọi là “White-Fi” hay “Super-Fi” là một tiêu chuẩn
trong họ 802.11 về WLAN, được thông qua vào tháng 2 năm 2014. Khác với
chuẩn 802.22 sử dụng OFDMA, chuẩn 802.11af sử dụng OFDM. Hệ thống WLAN
802.11af hoạt động trong phần phổ tần trắng truyền hình trong dải 54-790 MHz.
Cũng như 802.22, một điểm nổi bật của 802.11af là sử dụng công nghệ CR để
tìm và sử dụng các tần số truyền hình bỏ trống.Trong hệ thống 802.11af có ba loại
trạm (STA): trạm cố định, trạm được ủy quyền và trạm phụ thuộc. Trạm cố định và
trạm được ủy quyền là các trạm được đăng ký vào cơ sở dữ liệu và các trạm này sẽ
phát quảng bá vị trí của chúng. Trạm được ủy quyền có quyền cho phép các trạm
phụ thuộc được hoạt động. Trạm được ủy quyền sẽ lấy thông tin về các kênh tần số
có thể sử dụng được từ cơ sở dữ liệu khoảng trắng băng tần số truyền hình và phát
trên kênh CVS, là kênh để thiết lập kết nối nó với trạm phụ thuộc, giúp trạm phụ
thuộc có được danh mục các kênh tần còn trống.
Trạm được ủy quyền cũng có thể tải về danh mục các kênh tần còn trống ở vị
trí xung quanh vị trí hiện thời của nó, từ đó có thể xác định được kênh tần có thể sử
dụng được khi nó di chuyển trong vùng. STA kiểm tra lại vị trí của nó mỗi 60 giây

và nếu phát hiện ra vị trí của nó nằm ngoài vùng đã định trước, nó cần phải truy
cập lại cơ sở dữ liệu TV-WS để xác định lại danh mục kênh tần có thể sử dụng.
Ngoài ra, chức năng quản lý công suất kênh của 802.11af được sử dụng để
thay đổi công suất phát, hay thay đổi tần số, băng thông.
1.2.

Một số hƣớng nghiên cứu chính về vô tuyến có nhận thức
Vô tuyến có nhận thức là công nghệ mới đang trong quá trình hình thành và

hoàn thiện nên còn có vấn để đặt ra để nghiên cứu. Trong đó, kỹ thuật nhận dạng
10


phổ tần, giải pháp nhằm giảm nhiễu giữa các sóng mang con và nhiễu từ CRS sang
PU là chủ đề thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều tác giả. Bên cạnh đó,
bài toán nâng cao dung lượng của CRS cũng là chủ đề thu hút được sự quan tâm
nghiên cứu trong thời gian gần đây.
Phần tiếp theo tóm tắt một số hướng nghiên cứu chính liên quan đến CRS.
1.2.1. Hƣớng nghiên cứu về cảm nhận phổ tần (spectrum sensing)
1.2.1.1. Nhận dạng qua phát hiện năng lƣợng tín hiệu
Nguyên tắc của phương pháp này là đo năng lượng thu nhận được và so
sánh nó với một ngưỡng xác định trước. Đây là phương pháp nhận dạng có độ
phức tạp, thời gian dò tìm ngắn [5], [30], [60], [61] nhưng có những nhược
điểm được liệt kê trong [60]. Đầu tiên là việc phát hiện phụ thuộc vào công
suất nhiễu nền. Khi nền nhiễu lớn, SNR thấp thì việc dò được tín hiệu PU thậm
chí không thực hiện được. Nhược điểm thứ hai là nó chỉ so sánh giữa năng
lượng thu được với ngưỡng để quyết định về sự hiện diện của PU mà không
đảm bảo tín hiệu thu là từ PU hay từ nguồn khác. Một số giải pháp được đề
xuất để nâng cao chất lượng phát hiện.
Do chất lượng phát hiện năng lượng tín hiệu rất nhạy với lỗi ước lượng công

suất nhiễu nền [52], nên các tác giả trong [39] đã đề xuất giải pháp ước đoán mức
nhiễu thích nghi, theo đó giải thuật phân loại tín hiệu được dùng để tách nền nhiễu
với tín hiệu và ước đoán nền nhiễu. J. Lehtomaki trong [28] đề xuất giải pháp
FCME (the forward consecutive mean excision) và CA (forward cell averaging).
Việc chọn được ngưỡng phát hiện tối ưu cũng giúp giảm xác suất nhận định
sai sự xuất hiện tín hiệu. Weidling [62] đề xuất tối ưu hóa ngưỡng phát hiện tín
hiệu. D.C. Oh [38] đề xuất mức ngưỡng thích nghi tối ưu để tối ưu hóa ngưỡng
phát hiện tín hiệu.

11


Một giải pháp khác là định lượng được tín hiệu băng hẹp lẫn trong nền nhiễu.
J.Vartiainen [59] đề xuất giải thuật định lượng dựa trên ngưỡng kép (LAD), trong
đó 2 ngưỡng được sử dụng để tách tín hiệu và xác định vị trí.
Về thời gian phát hiện tín hiệu, Pei [41] đề xuất giải pháp tối ưu hóa thời gian
phát hiện tín hiệu trong 1 khe thời gian để tối đa dung lượng CRS.
Trong khi đó, Z. Quan [43], [44] đề xuất giải pháp phát hiện tín hiệu băng
rộng, trong đó thực hiện dò tín hiệu trong nhiều băng.
Mai D.T.T và cộng sự [78] đề xuất giải pháp tăng cường độ tin cậy nhận dạng
phổ tần thông qua sử dụng phân tập không gian và giảm số lượng CR tham gia
nhóm dò tìm phổ tần.
1.2.1.2. Phát hiện tín hiệu qua đặc tính dừng vòng
Tín hiệu thường có những đặc tính tuần hoàn nhất định, trong khi nhiễu nền
không có tính tương quan nên có thể dựa vào sự khác biệt này để phân biệt giữa tín
hiệu và nền nhiễu. Phương pháp nhận dạng dựa trên đặc tính dừng vòng của tín
hiệu là nhận dạng thông qua khai thác đặc tính tuần hoàn của tín hiệu thu được và
được thực hiện trong miền tần số[18].
K. Muraoka [36] đề xuất giải pháp lựa chọn tự tương quan vòng tối đa, trong
đó so sánh các giá trị đỉnh và không đỉnh của hàm tự tương quan vòng để xác định

có tín hiệu PU hay không.
1.2.1.3. Nhận dạng tín hiệu dựa trên dạng sóng
Về cấu trúc, tín hiệu thường sử dụng một số hình mẫu (pattern) nhất định
phục vụ cho việc đồng bộ và mục đích khác (phần dữ liệu mào đầu, phần dữ liệu
trung gian, các kênh dẫn đường, ...). Khi có một mẫu tín hiệu, hệ thống có thể thực
hiện việc nhận dạng nhờ việc so sánh tương quan giữa tín hiệu thu được với hình
mẫu đã biết trước [16],[34], [47], [53], [66].

12