Phân bổ tài nguyên và quản lý can nhiễu trong mạng vô tuyến nhận thức
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (6.93 MB, 108 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------------------
NGUYỄN NGỌC THÁI
PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN VÀ QUẢN LÝ CAN NHIỄU TRONG MẠNG VÔ
TUYẾN NHẬN THỨC
CHUYÊN NGÀNH:
KỸ THUẬT VIỄN THƠNG
MÃ SỐ CHUN NGÀNH:
60.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------------------
NGUYỄN NGỌC THÁI
PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN VÀ QUẢN LÝ CAN NHIỄU
TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
CHUYÊN NGÀNH:
KỸ THUẬT VIỄN THƠNG
MÃ SỐ CHUN NGÀNH:
60.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH - 2014
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Hà Hoàng Kha – TS Trịnh Xuân Dũng.
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS Lê Tiến Thường
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Phạm Hồng Liên
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 30 tháng 12 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch: TS. Chế Viết Nhật Anh.
2. Thư ký: TS. Nguyễn Thanh Hải
3. Phản biện 1: PGS.TS Lê Tiến Thường
4. Phản biện 2: PGS.TS Phạm Hồng Liên
5. Ủy viên: TS. Võ Trung Dũng
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
Ngày, tháng, năm sinh:
Chuyên ngành:
Nguyễn Ngọc Thái
21/09/1990
Kỹ thuật viễn thông
MSHV:
Nơi sinh:
Mã số:
13460815
Phú Yên
60.52.02.08
I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân bổ tài nguyên và quản lý can nhiễu trong mạng vô tuyến nhận
thức
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tìm hiểu mơ hình, ngun lý hoạt động mạng vơ tuyến nhận thức.
Tìm hiểu kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM.
Tìm hiểu mơ hình cấu trúc mạng di động LTE.
Xây dựng các bài tốn tối ưu cơng suất và quản lý can nhiễu trong mạng vô
tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM.
Xây dựng bài toán thiết kế bộ phát và bộ thu để tối ưu phân bổ cơng suất dựa
trên mơ hình MIMO.
Mơ phỏng các thuật toán áp dụng, đánh giá hiệu quả của các thuật tốn đó.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
07/07/2014
IV. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ:
07/12/2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. Hà Hoàng Kha – TS. Trịnh Xuân Dũng.
TP Hồ Chí Minh, ngày
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
tháng
năm 2014
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
TRƯỞNG KHOA
Trang i
LỜI CẢM ƠN
Kính thưa q Thầy Cơ!
Quyển luận văn tốt nghiệp này là thành quả sau một năm rưỡi học tập và rèn luyện
trên giảng đường cao học, là sự tổng hợp kiến thức từ lý thuyết và thực tế đã được
truyền đạt, tiếp thu. Để có được kết quả như ngày hôm nay, em xin chân thành cảm ơn:
Thầy TS. Hà Hoàng Kha và TS. Trịnh Xuân Dũng, giảng viên bộ môn Viễn Thông,
trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã tận tình hướng dẫn đồng thời tạo mọi
điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Điện – Điện Tử, đặc biệt là các thầy cô ở bộ
môn Viễn Thông đã luôn tận tình chỉ bảo và hướng dẫn cho em trong suốt quá trình
học tập, nghiên cứu trong thời gian học tại trường.
Xin cảm ơn các bạn cùng lớp, những người luôn bên cạnh và sát cánh với em trong
thời gian qua, đã có những ý kiến đóng góp chân thành giúp em hoàn thành luận văn
này.
Xin cảm ơn đến ban giám đốc và các đồng nghiệp ở Trung tâm giải pháp Cơng nghệ
thơng tin và Viễn thơng Viettel – Tập đồn Viễn thông Quân đội, đã tạo mọi điều kiện
thuận lợi trong cơng việc để em hồn thành khóa học này.
Cuối cùng em xin kính tặng những thành quả này để bày tỏ lòng biết ơn đến ba, mẹ và
những người thân trong gia đình, những người ln lo lắng, dạy dỗ, động viên và tạo
điều kiện để em có được như ngày hôm nay.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!
TP Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 11 năm 2014
Nguyễn Ngọc Thái
Trang ii
TÓM TẮT
Với nhu cầu ngày càng tăng về loại hình dịch vụ, tốc độ và chất lượng truyền dẫn vơ
tuyến dẫn đến địi hỏi phải nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần hiện nay. Với công
nghệ vô tuyến nhận thức, các thiết bị vô tuyến nhận thức được sử dụng để cảm ứng,
nhận diện và sử dụng phổ tần vô tuyến hiệu quả hơn nữa theo thời gian, khơng gian và
tần số. Theo Ed Thomas “Nếu xét tồn bộ giải tần vô tuyến từ 0 đến 100GHz và quan
trắc ở một thời gian và không gian cụ thể, thì chỉ có từ 5% đến 10% lượng phổ được
sử dụng” [1]. Như vậy, có hơn 90% tài nguyên phổ tần vơ tuyến bị lãng phí. Cơng
nghệ vơ tuyến nhận thức hiện được xem là một giải pháp tối ưu cho vấn đề này. Vô
tuyến nhận thức là một công nghệ truy cập phổ tần động hứa hẹn sẽ cải thiện hiệu quả
sử dụng phổ tần tĩnh như hiện nay bằng cách tìm ra những phổ tần chưa được sử dụng
(hố phổ) và chia sẻ chúng với những người sử dụng vô tuyến nhận thức. Tuy nhiên,
khi sử dụng phổ tần, người dùng vô tuyến nhận thức luôn phải đảm bảo khơng gây
nhiễu với người dùng chính.
Việc áp dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM với khả năng
cảm nhận và tạo dạng phổ một cách linh hoạt và thích ứng vào vơ tuyến nhận thức là
một sự lựa chọn đầy hứa hẹn. Bên cạnh đấy, việc áp dụng kỹ thuật đa anten phát và đa
anten thu (MIMO) trong mạng vô tuyến nhận thức bằng cách thiết kế tối ưu ma trận
tiền mã hóa ở bộ phát và ma trận thu ở bộ thu cũng là một giải pháp đáng được lưu ý.
Luận văn này, sẽ đi sâu vào tìm hiểu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mạng vô
tuyến nhận thức cũng như kỹ thuật ghép kênh OFDM, kỹ thuật MIMO để nâng cao
chất lượng cho người dùng. Bên cạnh đấy, các thuật tốn phân bổ cơng suất trong
mạng vơ tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM, kỹ thuật MIMO cũng được đề xuất,
chứng minh tính tối ưu của các giải thuật đấy. Cuối cùng luận văn sẽ mô phỏng các kết
quả đạt được, để chứng minh tính tối ưu của các thuật tốn này khi áp dụng vào mạng
vơ tuyến nhận thức.
Trang iii
ABSTRACTS
The increasing demands of services, rate and quality of radio transmission have led to
the requirement of efficient exploitation of frequency spectrum. Cognitive radio
technologies are the efficient solution to efficiently utilize the available wireless
resources including time, space and frequency. According to Ed Thomas, if we
consider the entire radio spectrum from 0 to 100 GHz and observe at a specific time
and space, frequency spectrum is used from 5% to 10%. Thus, radio spectrum
resources are more than 90% wasted. Cognitive radio technology is being considered
as an optimal solution to deal with this issue. Cognitive radio which is a dynamic
spectrum access technology will improve the spectrum efficiency by finding unused
spectrum (spectrum holes) and sharing them. However, cognitive radio users have to
ensure interference induced to the primary user below the acceptable threshold.
Moreover, we can apply OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) which
provides the flexible spectrum sharing of the subcarriers among the cognitive users
and primary users. On the other hand, multiple input – multiple output antenna
(MIMO) techniques can be applied in the cognitive radio to exploit the spatial freedom
which is provided by multiple-antennas. Therefore, this thesis also investigate the
MIMO cognitive radio networks in which we find the optimal solutions of optimal
pre-coding matrix at the transmitter and receiving matrix at the receiver.
In conclusion, this thesis is going to the understanding of structure and operation
principles of cognitive radio networks, OFDM and MIMO techniques to improve the
quality of users. Besides, power allocation algorithms in cognitive radio networks
based on OFDM and MIMO technique have also been proposed and proved the
optimality of algorithms. Then, the thesis will simulate the proposed algorithms to
demonstrate the optimality of algorithms in cognitive radio networks.
Trang iv
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được
thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Hà Hoàng Kha và TS Trịnh Xuân
Dũng
Các số liệu, kết quả mô phỏng và những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận
văn này trung thực và khơng sao chép từ bất kì tài liệu nào khác.
Tơi xin chịu trách nhiệm về luận văn của mình.
Học viên
Nguyễn Ngọc Thái
Trang v
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i
TÓM TẮT ....................................................................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iv
MỤC LỤC ....................................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ x
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................. xi
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1
1.1.
Giới thiệu vấn đề. .............................................................................................. 1
1.2.
Tình hình nghiên cứu hiện nay. ......................................................................... 1
1.3.
Mục tiêu và nhiệm vụ luận văn. ........................................................................ 2
1.4.
Bố cục luận văn. ................................................................................................ 3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 4
2.1. Vô tuyến nhận thức. .............................................................................................. 4
2.1.1. Định nghĩa vô tuyến nhận thức. ..................................................................... 4
2.1.2. Đặc điểm của vô tuyến nhận thức. ................................................................. 4
2.1.3. Các chức năng chính của vô tuyến nhận thức [12]. ....................................... 6
2.1.4. Kiến trúc vật lý của vơ tuyến nhận thức [12]. .............................................. 12
2.1.5.Mơ hình vật lý thực hiện vô tuyến nhận thức [12]. ....................................... 15
2.2. Công nghệ Long Term Evolution (LTE) [13]. ................................................... 20
2.2.1. Giới thiệu về công nghệ LTE. ...................................................................... 20
2.2.2. Kiến trúc mạng LTE ..................................................................................... 22
2.3. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) ........................... 33
2.3.1. Khái niệm OFDM. ........................................................................................ 33
2.3.2. Nguyên lý cơ bản của OFDM. ..................................................................... 33
2.3.3. Mơ hình hệ thống OFDM. ............................................................................ 36
2.3.4. Ưu nhược điểm của OFDM. ......................................................................... 36
Trang vi
2.4. Vô tuyến nhận thức trên nền OFDM [12]. ......................................................... 37
2.4.1. Vô tuyến nhận thức – OFDM. ...................................................................... 37
2.4.2. Tại sao OFDM thích hợp với vơ tuyến nhận thức........................................ 39
2.4.3. Các thách thức đối với hệ thống OFDM trong mạng vô tuyến nhận thức. .. 44
2.5. Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Rician. .................................................... 47
CHƯƠNG 3. PHÂN BỔ CÔNG SUẤT VÀ QUẢN LÝ CAN NHIỄU TRONG
MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ............................................................................ 48
3.1. Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM. ......... 48
3.1.1. Phân bổ công suất trong hệ thống OFDM thông thường. ............................ 49
3.1.2. Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM
không xét đến ảnh hưởng của các sóng mang con [12]. ........................................ 51
3.1.3. Phân bổ cơng suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM có
xét đến ảnh hưởng của các sóng mang con [12]. ................................................... 55
3.2. Thiết kế bộ phát để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ trong kênh MIMO có can
nhiễu........................................................................................................................... 60
3.2.1. Mơ hình hệ thống. ........................................................................................ 60
3.2.2. Phương pháp truyền tín hiệu của các người sử dụng. .................................. 63
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ......................................................................... 67
4.1. Phân bổ cơng suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM. ......... 67
4.1.1. Phân bổ công suất trong hệ thống OFDM thông thường. ............................ 67
4.1.2. Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM
không xét đến ảnh hưởng sóng mang con lân cận. ................................................ 70
4.1.3. Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM có
xét đến ảnh hưởng sóng mang con lân cận............................................................. 73
4.2. Thiết kế bộ phát để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ trong kênh MIMO có can
nhiễu........................................................................................................................... 75
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN............................................................................................. 80
5.1. Kết luận. .............................................................................................................. 80
5.2. Hướng phát triển. ................................................................................................ 80
TÀO LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 82
PHỤC LỤC ................................................................................................................... 85
Trang vii
Phụ Lục 1. Chứng minh định lý 1 (trang 52) ............................................................. 85
Phụ lục 2. Chứng minh định lý 2 (trang 54) .............................................................. 88
Trang viii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Minh họa hố phổ .......................................................................................................................5
Hình 2.2 Chu trình nhận thức. ..................................................................................................................5
Hình 2.3 Phân loại các kỹ thuật cảm nhận phổ. .......................................................................................7
Hình 2.4 Mơ hình nhiệt nhiễu. .................................................................................................................9
Hình 2.5 Phân biệt các cơng nghệ chia sẻ phổ. ......................................................................................11
Hình 2.6 Kiến trúc vật lý của vơ tuyến nhận thức..................................................................................13
Hình 2.7 Cấu trúc tổng quát bộ thu phát SDR .......................................................................................15
Hình 2. 8 So sánh giữa vơ tuyến thông thường, vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm và vơ tuyến nhận
thức.........................................................................................................................................................16
Hình 2.9 Quan hệ giữa vơ tuyến nhận thức và SDR ..............................................................................17
Hình 2.10 Sơ đồ khối thực hiện vơ tuyến nhận thức dựa trên SDR. ......................................................18
Hình 2.11 Kiến trúc phân lớp tổng quát cho vô tuyến nhận thức ..........................................................20
Hình 2.12 Phát triển kiến trúc 3GPP hướng tới kiến trúc phẳng hơn ....................................................22
Hình 2.13 Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN ...................................................................23
Hình 2.14 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính ............................................25
Hình 2.15 MME kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính................................................27
Hình 2.16 Các kết nối S-GW tới các nút logic khác và các chức năng chính ........................................28
Hình 2.17 GW kết nối tới các node logic khác và các chức năng chính ................................................31
Hình 2.18 PCRF kết nối tới các nút logic khác & các chức năng chính ................................................32
Hình 2.19 Đa sóng mang thơng thường (a) và đa sóng mang trực giao (b) ...........................................34
Hình 2.20 Phổ của một sóng mang con OFDM đơn lẻ ..........................................................................35
Hình 2.21 phổ của kí hiệu OFDM ..........................................................................................................35
Hình 2.22 sơ đồ khối tổng quát của một bộ thu phát OFDM .................................................................36
Hình 2.23 Sơ đồ khối hệ thống vơ tuyến nhận thức dựa trên OFDM. ...................................................38
Hình 2.24 Cảm nhận và tạo dạng phổ dựa trên OFDM .........................................................................40
Hình 2.25 Các cơng nghệ vơ tuyến dựa trên OFDM. ............................................................................43
Hình 2.26 Các thách thức trong hệ thống vơ tuyến nhận thức và OFDM..............................................44
Hình 2.27 Mật độ phổ cơng suất của một sóng mang con OFDM. ........................................................46
Hình 2. 28 Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Rician. ..............................................................47
Hình 3.1 Mơ hình hệ thống ....................................................................................................................48
Hình 3.2 Phổ của SU trong hệ thống vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM.....................................51
Hình 3.3 Mạng MIMO CR với K người dùng vơ tuyến nhận thức và một người dùng chính...............60
Hình 4. 1 Phân bổ công suất trong hệ thống OFDM với 64 sóng mang con .........................................67
Hình 4. 2 Dung lượng kênh truyền với N = 64 và tổng công suất thay đổi ...........................................69
Hình 4. 3 Phân bổ cơng suất trong mạng vơ tuyến nhận thức khơng xét ảnh hưởng sóng mang con với
N = 64 ....................................................................................................................................................70
Hình 4. 4 So sánh dung lượng kênh của thuật toán IPW và phân chia đều............................................72
Trang ix
Hình 4. 5 Phân bổ cơng suất trong mạng vơ tuyến nhận thức xét ảnh hưởng sóng mang con với N = 64
................................................................................................................................................................74
Hình 4. 6 so sánh dung lượng kênh của thuật tốn RPA và phân chia đều ............................................75
Hình 4. 7 Tổng tốc độ bit trung bình theo SNR cho mạng thứ cấp (mạng vơ tuyến nhận thức)............76
Hình 4.8 Hàm mật độ phân phối tốc độ bit của mạng thứ cấp cho kênh Rayleigh ................................77
Hình 4.9 Hàm mật độ phân phối tốc độ bit của mạng thứ cấp cho kênh Rician ....................................78
Hình 4. 10 Tốc độ bit tổng cộng của người dùng chính khi có và khơng có người sử dụng thứ cấp.....79
Trang x
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE ................................................................................ 21
Bảng 2.2 Các chuẩn vô tuyến dựa trên OFDM ...................................................................................... 38
Bảng 3.1 Ý tưởng thuật toán IPW .......................................................................................................... 53
Bảng 3.2 Thuật toán IPW dưới điều kiện cơng suất phát tổng............................................................... 54
Bảng 3. 3 Thuật tốn phân bổ cơng suất cho bài tốn với hai ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng
số khác khơng......................................................................................................................................... 59
Bảng 3. 4 Thuật toán RPA cho bài toán M+1 ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác khơng
................................................................................................................................................................ 59
Bảng 3.5 Thuật tốn IA cho vơ tuyến nhận thức dựa trên MIMO ......................................................... 66
Trang xi
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
Tên tiếng anh
Tên tiếng việt
3GPP
Third General Partnership Project
Dự án các đối tác thế hệ thứ ba
AAS
Adaptive Antenna System
Hệ thống anten thích ứng
AMC
Adaptive MIMO Switch
Chuyển mạch MIMO thích ứng
AWGN
Additive White Gausian Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng
BER
Bit Error Rate
Tốc độ lỗi bit
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
CINR
Carrier to Interference Noise
Tỷ số nhiễu trên sóng mang
Ratio
CP
Cycle Prefix
Tiền tố vịng
CSCF
Call Session Control Function
Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi
CR
cognitive Radio
Vô tuyến nhận thức
CSI
Channel State Information
Thông tin trạng thái kênh
D/A
Digital to Analog
Số sang tương tự
DFS
Dynamic Frequency Selection
Lựa chọn tần số động
DFT
Discrete Fourier Transform
Chuyển đổi Fourier rời rạc
DVB
Digital Video Broadcasting
Truyền hình số quảng bá
DVB-T
Digital Video Broadcasting Terrestrial Truyền hình số quảng bá mặt đất
ETSI
European Telecommunications
Viện các tiêu chuẩn và Viễn
Standards Institute
thông châu Âu
Evolved Universal Terrestrial Radio
Truy cập vơ tuyến mặt đất tồn cầu
Access
phát triển.
E-UTRAN
FCC
Federal Communications Commission Ủy ban truyền thông Liên bang
FDM
Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia tần số
FFT
Fast Fourier Transform
Chuyển đổi Fourier nhanh
Trang xii
FRC
Federal Radio Commission
Ủy ban vô tuyến Liên bang
FHDC
Frequency Hopping Diversity Coding
Mã hóa phân tập nhảy tần
GW
Gateway
Cổng
I/Q
In-Phase and Quadrature-phase
Trong pha và pha vng góc
ICI
Inter-Carrier Interference
Nhiễu liên sóng mang
IDFT
Inverse Discrete Fourier Transform
Chuyển đổi Fourier rời rạc ngược
IETF
Internet Engineering Task Force
Ủy ban chuyên trách về Internet
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
Chuyển đổi Fourier nhanh
IPD
Incumbent Profile Detection
Bộ phát hiện các thông tin về hoạt
động của thuê bao được cấp phép
IPW
Iteractive Partitioned Waterfilling
Đổ đầy nước phân chia lặp
ISI
Inter-symbol Interference
Nhiễu liên kí tự
ITM
Interference Temperature Model
Mơ hình nhiệt nhiễu
ITMA
Interference Temperature
Đa truy cập theo mơ hình nhiệt nhiễu
Multiple Access
JRRM
Joint Radio Resource Management
Quản lý tài nguyên vô tuyến chung
LAN
Local Area Network
Mạng vùng nội hạt
LTE
Long Term Evolution
Sự phát triển dài hạn
MAN
Metropolitan Area Network
Mạng vùng trung tâm
MCM
Multi-Carrier Modulation
Điều chế sóng mang
MIMO
Multiple Input Multiple Output
Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra
NTIA
National Telecommunication
Cơ quan quản lý Viễn thông và
And Information Administration
Thông tin Quốc gia
Orthogonal Frequency Division
Ghép kênh phân chia theo tần số
Multiplexing
trực giao
Orthogonal Frequency Division
Đa truy cập ghép kênh phân
OFDM
OFDMA
Trang xiii
Multiple Access
chia theo tần số trực giao
P/S
Parallel-to-Serial
Song song sang nối tiếp
PAPR
Peak to Average Power Ratio
Tỷ số công suất đỉnh trên cơng
suất trung bình
PSK
Phase Shift Keying
Khóa dịch pha
PU
Primary User
Người dùng chính
QAM
Quadrature Amplitute Modulation
Điều chế biên độ cầu phương
QPSK
Quadrature Phase Shift Keying
Khóa dịch pha cầu phương
RAN
Radio Access Network
Mạng truy cập vơ tuyến
RE
Radio Equioment
Thiết bị vô tuyến
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RPA
Recursive Power Allocation
Phân bổ công suất đệ quy
RS
Resource scheduling
Lập lịch tài nguyên
RSSI
Received Signal Strength Indicator
Bộ chỉ thị mức tín hiệu thu
S/P
Serial-to-Parallel
Nối tiếp sang song song
SDR
Software Defined Radio
Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm
SIR
Signal-to-Interference Ratio
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu
SM
Spatial Multiplexing
Ghép kênh khơng gian
STC
Space-Time Coding
Mã hóa khơng gian-thời gian
SU
Secondary User
Người dùng vơ tuyến nhận thức
TPC
Transmit Power Control
Điều khiển công suất phát
UMTS
Universal subscriber Identity Module
Modun nhận dạng thuê bao toàn cầu
UWB
Ultra Wide Band
Băng siêu rộng
UTRA
Universal Terrestrial Radio Access
Truy nhập vơ tuyến mặt đất tồn cầu
UTRAN
Universal Terrestrial Radio Access
Mạng truy nhập vơ tuyến mặt đất
Network
tồn cầu
Trang xiv
WLAN
Wireless Local Area Network
Mạng vô tuyến nội hạt
WMAN
Wireless Metropolitian Area Network
Mạng vô tuyến nội thị
WPAN
Wireless Persional Area Network
Mạng vô tuyến cá nhân
WRAN
Wireless Regional AreaNetwork
Mạng vô tuyến nội vùng
WWRF
Wireless World Research Forum
Diễn đàn nghiên cứu không
dây thế giới
Trang 1
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
1.1.
Giới thiệu vấn đề.
Ngày nay, công nghệ thông tin và truyền thông đang phát triển với tốc độ rất nhanh,
kéo theo đấy là sự gia tăng không ngừng của các ứng dụng vô tuyến và các thiết bị vô
tuyến mới. Theo Ed Thomas “ Nếu xét tồn bộ giải tần số vơ tuyến từ 0 đến 100GHz
và quan trắc ở một thời gian và không gian cụ thể, thì chỉ có từ 5% đến 10% lượng phổ
được sử dụng”[1]. Như vậy, có hơn 90% tài nguyên phổ tần vơ tuyến bị lãng phí. Điều
này địi hỏi cần có một chính sách sử dụng tần số một cách tiết kiệm và hiệu quả. Với
chính sách phân bổ phổ tần số cố định như hiện nay và việc sử dụng phổ tần được cấp
phép phụ thuộc vào nhu cầu của người dùng nên tình trạng sử dụng kém hiệu quả phổ
tần được cấp phép đang diễn ra khá phổ biến. Do vậy, cần có một cơng nghệ truy cập
phổ tần mới có thể tận dụng hiệu quả các phần phổ chưa được sử dụng. Công nghệ
mới này được gọi là vô tuyến nhận thức (CR – Cognitive Radio).
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một phương thức truyền dẫn
đáng tin cậy cho hệ thống vô tuyến nhận thức. Thứ nhất, OFDM là một công nghệ
truyền dẫn tốt đang được ứng dụng trong rất nhiều công nghệ mạng vô tuyến hiện tại
và tương lai. Nên việc áp dụng OFDM trong vô tuyến nhận thức sẽ giúp cho q trình
đồng bộ hoạt động vơ tuyến nhận thức và các mạng vô tuyến khác trở nên dễ dàng
hơn. Thứ hai, việc phân bổ tài nguyên vô tuyến một cách linh động là một thách thức
lớn trong hệ thống vô tuyến nhận thức. OFDM sẽ cung cấp một phương pháp linh hoạt
trong việc phân bổ tài nguyên vô tuyến trong môi trường động. OFDM cũng đảm bảo
việc không có can nhiễu cho giữa các kênh vơ tuyến liền kề nhau trong hệ thống. Công
suất cần phân bổ hợp lý đến tất cả các người sử dụng nhằm đảm bảo cho hệ thống vận
hành một cách tối ưu nhất, đáp ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ cũng như nâng
cao hiệu năng của toàn bộ hệ thống vô tuyến nhận thức.
Luận văn này sẽ giới thiệu về công nghệ vô tuyến nhận thức được sử dụng trong mạng
LTE dựa trên nền OFDM. Tập trung vào nghiên cứu việc sử dụng OFDM trong mạng
vô tuyến nhận thức, đảm bảo người dùng chính khơng bị ảnh hưởng nhiễu từ người
dùng vô tuyến nhận thức, bằng cách xem xét ràng buộc công suất các kênh con và
công suất tổng trong hệ thống. Bên cạnh đấy, luận văn này cũng đề xuất một giải pháp
thiết kế bộ phát và bộ thu để tối ưu việc sử dụng phổ trong mạng vô tuyến nhận thức
dựa trên kỹ thuật MIMO.
1.2. Tình hình nghiên cứu hiện nay.
Nghiên cứu về việc sử dụng các hố phổ được đề cập đến trong [2] – [4]. Một phương
án lựa chọn phổ tần được đề xuất trong [2] cho mạng ad hoc, trong đấy mỗi người
dùng chọn các kênh sử dụng của nó dựa trên một bộ quy tắc. Người sử dụng cố gắng
Trang 2
để nâng hiệu suất của mình với điều kiện tối thiểu hiệu năng của hệ thống tổng thể.
Trong [3], [4] một cách tiếp cận mới được sử dụng để giải quyết vấn đề phân bổ công
suất cho các kênh con dựa trên việc quan sát việc người dùng trong hệ thống vô tuyến
nhận thức không sẵn sàng hợp tác với những người dùng khác nhưng lại cố gắng tối đa
hiệu suất sử dụng của mình. Một kế hoạch phân bổ tài nguyên động cho các kênh con
dựa trên một phương pháp tiếp cận tiềm năng được đề xuất cho mạng ad hoc trong [3].
Trong [4], một kế hoạch không hợp tác được xây dựng để mơ hình về vấn đề phân bổ
tần số cho đa kênh truyền.
Trong [5] mặc dù khoảng tần số hoạt động của người dùng chính không được sử dụng,
các kênh con trong hố phổ được chia sẻ cho các người dùng vô tuyến nhận thức, với
mục tiêu giảm thiểu tổng công suất phát yêu cầu trong khi đáp ứng các yêu cầu về tốc
độ của các người dùng vô tuyến nhận thức và tỉ số lỗi (BER) trong giới hạn cho phép.
Trong [6], giao thức kiểm sốt truy cập trung bình dựa trên lớp chéo (cross-layer)
được đề xuất cho phép các người sử dụng vô tuyến nhận thức chia sẻ các hố phổ, được
phát hiện bởi các chính sách cảm nhận phổ ở lớp vật lý. Mục tiêu trong [7] là giảm
thiểu thông lượng của người dùng vô tuyến nhận thức trong hệ thống vô tuyến nhận
thức đơn người dùng. Trong [8], vấn đề phân bổ tài nguyên cho một người dùng duy
nhất trong hệ thống vô tuyến nhận thức để tối đa tốc độ truyền trong khi yêu cầu xem
xét việc mất một kênh con nhất định do người dùng chính đang hoạt động.
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ luận văn.
Trong hệ thống vô tuyến nhận thức, công suất phát trong mỗi kênh con bao gồm cơng
suất phân bổ tới các sóng mang con bên trong kênh con và các công suất nhận được từ
các sóng mang con trong các kênh lân cận. Vì thế việc phân bổ công suất cho một
kênh con không chỉ đảm bảo tối đa tốc độ truyền trong chính kênh đấy, mà còn đảm
bảo nhiễu gây ra cho các kênh con lân cận và người dùng chính phải trong giới hạn
cho phép.
Sau khi tìm hiểu các cơ sở lý thuyết được sử dụng trong luận văn này, ta thấy rằng
thách thức lớn nhất trong mạng vô tuyến nhận thức chính là vấn đề phân bổ cơng suất
cho các kênh con, đồng thời quản lý can nhiễu giữa các người dùng vơ tuyến nhận
thức và người dùng chính.
Luận văn này sẽ đưa ra các thuật tốn phân bổ cơng suất cho các kênh vô tuyến nhận
thức nhằm làm giảm ảnh hưởng can nhiễu giữa các kênh trong hệ thống vô tuyến nhận
thức, và hạn chế đến mức thấp nhất can nhiễu do các người dùng vô tuyến nhận thức
lên người dùng chính. Đồng thời, luận văn sẽ trình bày về vấn đề phân bổ công suất và
quản lý can nhiễu cho mạng vơ tuyến dựa trên mơ hình MIMO, thiết kế bộ phát để tối
đa dung lượng kênh trong khi đảm bảo mức độ nhiễu của các người dùng nằm trong
mức cho phép.
Trang 3
1.4. Bố cục luận văn.
Bố cục luận văn chia thành 5 chương và tập trung chính vào các vấn đề sau:
Chương 1. Tổng Quan: Phần đầu chương này sẽ nêu ra vấn đề, tình hình nghiên
cứu hiện nay về việc phân bổ công suất và quản lý can nhiễu trong mạng vơ tuyến
nhận thức. Phần cịn lại của chương 1 sẽ trình bày bố cục của luận văn.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết: Trong chương này sẽ trình bày tất cả các lý thuyết
liên quan đến nội dung trình bày trong luận văn:
Đầu tiên, sẽ trình bày lý thuyết về công nghệ vô tuyến nhận thức.
Tiếp đến sẽ trình bày lý thuyết chung về cơng nghệ mạng LTE.
Kế tiếp sẽ trình bày về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM.
Cuối cùng trình bày lý thuyết về cơng nghệ vơ tuyến nhận thức dựa trên nền
OFDM.
Chương 3. Phân bổ công suất và quản lý can nhiễu trong mạng vô tuyến nhận
thức: Trong chương này, trình bày về mơ hình hệ thống, các tham số hoạt động của hệ
thống. Đưa ra bài toán về phân bổ công suất và quản lý can nhiễu, tìm lời giải tối ưu
cho từng trường hợp.
Chương 4. Kết quả mô phỏng: Tiến hành chạy mô phỏng các lời giải bài tốn
được trình bày ở chương 3.
Chương 5. Kết luận: Đưa ra các kết quả đạt được và những tồn tại của luận văn,
đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.
Trang 4
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Vô tuyến nhận thức.
2.1.1. Định nghĩa vô tuyến nhận thức.
Thuật ngữ “vô tuyến nhận thức” lần đầu tiên xuất hiện trong một tờ báo năm 1999,
được Joseph Mitola III định nghĩa trong [9] như sau: “vơ tuyến nhận thức là mơ hình
vơ tuyến sử dụng những suy luận chặc chẽ để đạt được mục tiêu cụ thể đã thiết lập
trong các miền vô tuyến liên quan”
Trong một khảo sát về vô tuyến nhận thức của một tờ báo, Simon Haykin đã định
nghĩa vô tuyến nhận thức trong [10] như sau: “Vô tuyến nhận thức là một hệ thống
truyền thông không dây nhận thức khả năng nhận biết về mơi trường xung quanh nó,
từ đó học hỏi để thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi tham số
hoạt động cụ thể (ví dụ cơng suất phát, tần số sóng mang, phương thức điều chế) trong
thời gian thực, với hai đặc tính chính: Truyền thơng độ tin cậy cao tại mọi thời điểm và
sử dụng hiệu quả phổ tần số vô tuyến”
FCC trong [11] cũng định nghĩa vô tuyến nhận thức dựa trên nền tản vận hành của
máy phát như sau: “Vô tuyến nhận thức là hệ thống vô tuyến mà có thể thay đổi các
tham số của máy phát dựa trên sự tương tác với mơi trường mà nó hoạt động”
IEEE USA cũng đã đưa ra định nghĩa như sau: “Một bộ phát/thu tần số vô tuyến mà
được thiết kế để phát hiện một cách nhận thức các phân đoạn riêng lẻ của phổ tần đang
được sử dụng, từ đó có thể truy nhập vào các phổ tần chưa được sử dụng một cách
nhanh chóng, linh hoạt, khơng gây nhiễu tới người dùng được cấp phép”.
Tóm lại, ta có thể định nghĩa như sau: Vô tuyến nhận thức là một vơ tuyến có khả
năng phân tích mơi trường xung quanh nó, từ đấy thay đổi các tham số truyền dẫn của
nó để sử dụng phổ tần sẵn có một cách hiệu quả.
2.1.2. Đặc điểm của vô tuyến nhận thức.
Vô tuyến nhận thức có hai đặc điểm chính như sau:
Khả năng nhận thức: Khả năng nhận thức chỉ khả năng mà công nghệ vô tuyến
nắm bắt hoặc cảm nhận các thông tin từ môi trường vô tuyến. Khả năng này không
đơn giản là thực hiện giám sát công suất trong một băng tần số quan tâm mà còn yêu
cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt sự biến đổi của môi trường vô tuyến theo
không gian và theo thời gian nhằm tránh nhiễu ảnh hưởng đến người dùng khác.
Trang 5
Thông qua khả năng này, các phần phổ không được sử dụng tại một thời điểm hoặc vị
trí nhất định có thể được xác định. Từ đó, ta có thể lựa chọn được phổ tốt nhất và các
thông số hoạt động phù hợp nhất.
Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép thiết bị trong mạng vơ tuyến nhận
thức có khả năng lập trình tự động theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến. Đặc biệt,
vô tuyến nhận thức có thể được lập trình để truyền và nhận trên các tần số khác nhau
để sử dụng các công nghệ truy nhập truyền dẫn khác nhau được phần cứng hỗ trợ. Một
số thơng số tự cấu hình cần chú ý là: Tần số hoạt động, điều chế, công suất phát, cơng
nghệ truyền.
Hình 2.1 Minh họa hố phổ
Hình 2.2 Chu trình nhận thức.
Trang 6
Mục tiêu cơ bản của vô tuyến nhận thức là tận dụng được phổ tần có sẵn tốt nhất thơng
qua khả năng nhận thức và tính tự cấu hình. Vì phần lớn phổ tần đã được cấp phép sử
dụng, cho nên thách thức quan trọng nhất là sử dụng chia sẻ phổ tần với các người
dùng được cấp phép mà khơng gây nhiễu đến người dùng chính. Vơ tuyến nhận thức
cho phép sử dụng những vùng phổ tần trống theo từng thời điểm, phổ này được gọi là
hố phổ hay khoảng trắng. Nếu phổ tần này được người dùng chính sử dụng, người
dùng vơ tuyến nhận thức phải chuyển đến hố phổ khác hoặc phải thay đổi công suất
phát, sơ đồ điều chế để tránh nhiễu.
Hoạt động của vô tuyến nhận thức có thể được mơ tả theo chu trình nhận thức như
Hình 2.2.
Các mạng vơ tuyến nhận thức cho phép các giao tiếp truyền thông nhận biết phổ. Tuy
nhiên, việc sử dụng phổ tần động gây ra ảnh hưởng bất lợi đến hiệu năng của các giao
thức truyền thông thông thường mà đã được phát triển cho các băng tần số cố định.
2.1.3. Các chức năng chính của vô tuyến nhận thức [12].
Các kỹ thuật vô tuyến nhận thức cung cấp khả năng sử dụng và chia sẻ phổ theo cơ
hội. Các kỹ thuật truy nhập phổ tần động cho phép vô tuyến nhận thức hoạt động trong
kênh tốt nhất có sẵn. Cụ thể hơn, cơng nghệ vơ tuyến nhận thức cho phép những người
dùng nhận thức khả năng: (1) xác định các phần phổ sẵn có và phát hiện ra những
người dùng chính khi người dùng đó hoạt động trong băng cấp phép (cảm nhận phổ),
(2) lựa chọn kênh tốt nhất có sẵn (quản lý phổ), và (3) đồng truy nhập tới các kênh đó
với những người dùng khác (chia sẻ phổ), và (4) bỏ kênh đó khi phát hiện đã có người
dùng chính (dịch chuyển phổ).
2.1.3.1. Cảm nhận phổ.
Một yêu cầu quan trọng của mạng vô tuyến nhận thức là cảm nhận các hố phổ. Như đã
được đề cập, vô tuyến nhận thức được thiết kế để có thể hiểu biết và nhạy cảm với sự
thay đổi của môi trường xung quanh. Chức năng cảm nhận phổ cho phép vơ tuyến
nhận thức thích ứng với mơi trường xung quanh bởi việc phát hiện các hố phổ.
Cách hiệu quả nhất để phát hiện các hố phổ là phát hiện các người dùng chính đang
truyền nhận dữ liệu trong vùng hoạt động của nó. Tuy nhiên, trên thực tế rất khó cho
một vơ tuyến nhận thức để có thể đo trực tiếp các thông số về kênh đang sử dụng giữa
máy phát và thu của người dùng chính. Do vậy, phương pháp khả thi đầu tiên là tập
trung vào việc phát hiện máy phát chính dựa trên các quan sát cục bộ của các người
dùng vô tuyến nhận thức.
Trang 7
Nói chung, các kỹ thuật cảm nhận phổ có thể được phân loại thành: phát hiện máy
phát, phát hiện cộng tác và phát hiện dựa trên nhiễu đã được chỉ ra trên Hình 2.3.
Hình 2.3 Phân loại các kỹ thuật cảm nhận phổ.
Phát hiện dựa trên máy phát:
Vô tuyến nhận thức phải phân biệt giữa các băng tần chưa sử dụng và các băng tần đã
được sử dụng. Bởi vậy, vơ tuyến nhận thức cần có khả năng xác định xem tín hiệu từ
máy phát người dùng chính có đang tồn tại trong một băng tần cụ thể hay không.
Phương pháp phát hiện máy phát là dựa trên việc phát hiện tín hiệu yếu từ một máy
phát chính thơng qua các quan sát cục bộ của các người dùng vô tuyến nhận thức.
Phát hiện dựa trên bộ lọc kết hợp.
Khi đã biết được thơng tin tín hiệu người dùng chính, thì phương pháp phát hiện tốt
nhất trong mơi trường nhiễu Gauss không đổi là bộ lọc kết hợp vì nó cho tỷ số tín hiệu
trên nhiễu (SNR) tối đa. Trong khi ưu điểm chính của bộ lọc kết hợp là yêu cầu ít thời
gian để đạt được độ lợi xử lý cao, thì nó địi hỏi phải biết trước thơng tin về tín hiệu
người dùng chính chẳng hạn như phương thức điều chế, dạng xung, và khn dạng
gói. Bởi vậy, nếu các thơng tin này khơng chính xác thì bộ lọc kết hợp tỏ ra khơng
hiệu quả.
Phát hiện dựa trên năng lượng.
Nếu máy thu khơng thể có được đủ thơng tin hữu ích về tín hiệu người dùng chính,
chẳng hạn nếu máy thu chỉ biết được cơng suất của nhiễu Gauss ngẫu nhiên, thì bộ
