Tài liệu Luận án giải pháp phân chia tần số và công suất dưới điều kiện ràng buộc nhiễu cho truyền thông nhận thức sử dụng ofdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TIẾN HÒA GIẢI PHÁP PHÂN CHIA TẦN SỐ VÀ CÔNG SUẤT DƯỚI ĐIỀU KIỆN RÀNG BUỘC NHIỄU CHO TRUYỀN THÔNG NHẬN THỨC SỬ DỤNG OFDM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG HÀ NỘI - 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN TIẾN HÒA GIẢI PHÁP PHÂN CHIA TẦN SỐ VÀ CÔNG SUẤT DƯỚI ĐIỀU KIỆN RÀNG BUỘC NHIỄU CHO TRUYỀN THÔNG NHẬN THỨC SỬ DỤNG OFDM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã ngành: 62520208 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VĂN ĐỨC HÀ NỘI - 2016 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, Ngày 07 tháng 07 năm 2016 Tác giả Nguyễn Tiến Hòa LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được chuyên đề này, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến các Thày cô trong bộ môn Kỹ thuật Thông tin và các đồng nghiệp tại bộ môn Mạch và Xử lý Tín hiệu, Viện Điện tử Viễn thông đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm Luận án Tiến sỹ tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tôi xin cảm ơn đến Thày giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Văn Đức đã hướng dẫn và chỉ bảo trong suốt quá trình làm Luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Thành Hiếu về những góp ý quan trọng đối với Luận án này. MỤC LỤC MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x GIỚI THIỆU LUẬN ÁN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1. NHIỄU VÀ DUNG LƯỢNG TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG NHẬN THỨC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1. Truyền thông nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2. Ứng dụng OFDM trong truyền thông nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.1. Lợi ích sử dụng OFDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.2. Vì sao OFDM được ứng dụng trong truyền thông nhận thức . . . 17 1.3. Nhiễu trong mạng truyền thông nhận thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3.1. Các phương pháp giảm búp sóng phụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.2. Nhiễu từ SU sang PU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.3. Nhiễu từ PU sang SU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3.4. Nhiễu giữa SU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.4. Dung lượng kênh của hệ thống truyền thông nhận thức . . . . . . . . . . . . 26 1.4.1. Dung lượng kênh của hệ thống SISO-OFDM CR . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.4.2. Dung lượng kênh của hệ thống MIMO-OFDM CR . . . . . . . . . . . . . 27 1.5. Tối ưu có ràng buộc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.6. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Chương 2. PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN TRONG HỆ THỐNG CR ĐƠN NGƯỜI DÙNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 i ii 2.2. Mô hình hệ thống CR-OFDM đơn người dùng và đặt vấn đề . . . . . . . 38 2.3. Các mô hình đối với các điều kiện giới hạn nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.1. Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ khi PU cần bảo vệ với một mức giới hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.2. Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ khi PU cần bảo vệ với nhiều mức giới hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.3. Mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ khi PU cần bảo vệ với nhiều mức giới hạn can nhiễu dựa trên tham số SINR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4. Đề xuất cách tính nghiệm giải tích phân bổ công suất tối ưu với các điều kiện biên cho hệ thống CR-OFDM đơn người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.4.1. Lời giải cho mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ với một mức giới hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.4.2. Lời giải cho mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ với nhiều mức giới hạn can nhiễu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.4.3. Lời giải cho mô hình đảm bảo chất lượng dịch vụ với nhiều mức giới hạn dựa trên tham số SINR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.5. Phương pháp phân bổ công suất cận tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.5.1. Phương pháp phân bổ công suất đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.5.2. Phương pháp Scheme A, Scheme B của Bansal . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.5.3. Đề xuất phương pháp bám nhiễu bậc hai SOIT . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.6. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.6.1. Phân bổ công suất tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.6.2. Phân bổ công suất cận tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.7. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Chương 3. PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN TRONG HỆ THỐNG CR ĐA NGƯỜI DÙNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.2. Mô hình hệ thống CR-OFDM đa người dùng và đặt vấn đề . . . . . . . . 69 3.3. Vấn đề phân chia kênh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.3.1. Phương pháp phân chia kênh đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.3.2. Đề xuất phương pháp phân chia kênh động (IIA) dựa trên nhiễu từ PU sang SU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 iii 3.3.3. Đề xuất phương pháp phân chia kênh động (CCA) dựa trên nhiễu từ SU sang PU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.4. Vấn đề phân bổ công suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.4.1. Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.4.2. Đề xuất cách tính nghiệm phân bổ công suất giải tích tối ưu với các điều kiện biên cho hệ thống CR-OFDM đa người dùng . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4.3. Phương pháp phân bổ công suất đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.4.4. Đề xuất mở rộng phương pháp bám nhiễu bậc hai SOIT . . . . . . . 80 3.4.5. Đề xuất mở rộng phương pháp Scheme A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.4.6. Đề xuất mở rộng phương pháp Scheme B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.5. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.5.1. Phân bổ công suất tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.5.2. Phân bổ công suất cận tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.6. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . . . . 102 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt 4G The fourth Generation Thế hệ thứ 4 5G The fifth Generation Thế hệ thứ 5 AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm Gauss trắng BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít CCA Cognitive Carrier Aggregation Tập hợp sóng mang con thông minh CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CR Cognitive Radio Truyền thông nhận thức CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp CBS Cognitive Base Station Trạm truyền thông nhận thức CRN Cognitive Radio Network Mạng truyền thông nhận thức CPE Customer Premises Equipment Thiết bị khách hàng cơ sở CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DCC Dynamic Carriers Cancellation Chèn không động DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DSA Dynamic Spectrum Access Truy cập phổ động DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số ETSI European Telecommunications Viện Tiêu chuẩn Standards Institute Viễn thông châu Âu EVD Eigenvalue Decomposition Phân tích trị riêng FCC Federal Communications Ủy ban Truyền Commission thông Liên bang Frequency Division Duplexing Phân chia tần số song công FDD iv v FDMA Frequency Division Multiple Đa truy cập phân chia Access tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi nhanh Fourier ICI Inter Channel Interference Nhiễu liên kênh IDFT Inverse Discrete Fourier Biến đổi ngược Fourier Transform rời rạc Institute of Electrical Viện công nghệ Kỹ sư and Electronics Engineers Điện và Điện tử Inverted Interference Phân chia nghịch Assignment đảo nhiễu IPC Interference Power Constraint Công suất can nhiễu giới hạn ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký tự KKT Karush-Kuhn-Tucker Karush-Kuhn-Tucker LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ LP Linear Programming Quy hoạch tuyến tính LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MAC Medium Acess Control Layer Lớp điều khiển truy cập MDR Minimum Data Rate Tốc độ truyền tối thiểu MIMO Multiple-Input-Multiple-Output Ăng-ten đa đầu vào đa đầu ra NLP Non-Linear Programming Quy hoạch không tuyến tính OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia Multiplexing tần số trực giao IEEE IIA OFDMA Orthogonal Frequency Division PAPR Đa truy cập phân Multiplexing Access chia tần số trực giao Peak-to-Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PHY Physical Layer Lớp vật lý PR Primary Receiver Máy thu sơ cấp PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất PT Primary transmitter Máy phát sơ cấp PU Primary User Người dùng sơ cấp PUs Primary User System Hệ thống người dùng sơ cấp vi QoS Quality of Service Chất lượng phục vụ SDR Software-Defined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SISO Single-Input-Single-Output Đơn Ăng-ten thu phát SINR Signal to Interference Tỷ số tín hiệu trên plus Noise Ratio tạp âm cộng nhiễu SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SOIT Second Order Interference Bám nhiễu bậc hai Tracking SR Secondary Receiver Phía thu thứ cấp ST Secondary Transmitter Phía phát thứ cấp SU Secondary User Người dùng thứ cấp SUs Secondary User System Hệ thống người dùng thứ cấp SVD Singular Value Decomposition Phân tích giá trị đơn TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia thời gian WIFI Wireless Fidelity WRAN Wireless Regional Area Network Mạng không dây khu vực WLAN Wireless Local Access Network Mạng máy tính cục bộ WiMAX Worldwide Interoperability WiMAX for Microwave Access Mạng không dây DANH MỤC HÌNH VẼ 1 Các phương pháp cảm biến tần số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 Phương pháp truy cập phổ xen lẫn và lót . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 Tổng quan các vấn đề phân bổ tài nguyên trong mạng CR . . . . . . 8 1.1 Mô hình hố phổ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2 Phổ của một sóng mang con với các hệ số uốn β khác nhau . . . . . . 19 2.1 Mô hình phân chia phổ tần giữa hệ thống CR và PU . . . . . . . . . 36 2.2 Mô hình phân bổ công suất Bansal Scheme A . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3 So sánh nghiệm giải tích tối ưu và kết quả giải bằng công cụ CVX . . 53 2.4 So sánh xấp xỉ đa thức bậc cao với nghiệm giải tích tối ưu . . . . . . 54 2.5 Phương pháp phân bổ công suất bám nhiễu bậc hai (SOIT) cho hệ thống CR-OFDM đơn người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.6 Công suất phát phân bổ trên sóng mang con trong hệ thống CROFDM đơn người dùng khi tổng công suất can nhiễu từ SU sang PU giới hạn ở mức Ith = 10−4 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.7 Nhiễu tương hỗ giữa hệ thống PU và SU khi tổng công suất can nhiễu từ SU sang PU giới hạn ở mức Ith = 10−4 W . . . . . . . . . . . 59 2.8 Công suất phát phân bổ trên sóng mang con trong hệ thống CROFDM đơn người dùng khi tổng công suất can nhiễu từ SU sang PU giới hạn ở mức với Ith = 9 × 10−4 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.9 Nhiễu giữa hệ thống PU và SU khi tổng công suất can nhiễu từ SU sang PU giới hạn ở mức Ith = 9 × 10−4 W . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.10 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM đơn người dùng khi sử dụng hai loại cửa sổ Tukey và chữ nhật. . . . . . . . . . . 62 2.11 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM đơn người dùng giữa các phương pháp phân bổ công suất với kênh lý tưởng . . 63 2.12 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM đơn người dùng giữa các phương pháp phân bổ công suất với kênh Rayleigh . . 64 vii viii 2.13 So sánh dung lượng kênh của hệ thống SISO và MIMO CR-OFDM đơn người dùng với kênh Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1 Mô hình cùng hệ thống CR cùng hoạt động với PU . . . . . . . . . . 68 3.2 Phân chia kênh động (IIA) dựa trên nhiễu từ PU sang SU . . . . . . 71 3.3 Phân chia kênh động (CCA) dựa trên nhiễu từ SU sang PU . . . . . 73 3.4 Đề xuất mở rộng phương pháp bám nhiễu bậc hai (SOIT) cho hệ thống CR-OFDM đa người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.5 Đề xuất mở rộng phương pháp Scheme A cho hệ thống CR-OFDM đa người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.6 Công suất phát đơn vị (dBm) trên các sóng mang con trong hệ thống CR-OFDM hai người dùng, khi sử dụng bốn phương pháp phân chia kênh với Ith = 10−4 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.7 Công suất phát đơn vị (W) trên các sóng mang con trong hệ thống CR-OFDM hai người dùng, khi sử dụng bốn phương pháp phân chia kênh với Ith = 10−4 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.8 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng giữa bốn phương pháp phân bổ tần số khi công suất được phân bổ tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.9 So sánh tổng công suất phát giữa bốn phương pháp phân chia kênh động khác nhau khi công suất được phân bổ tối ưu . . . . . . . 92 3.10 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng, phân chia kênh đều, khi sử dụng các phương pháp phân bổ công suất phát khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.11 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng, phân chia kênh theo phương pháp đề xuất CCA, khi sử dụng các phương pháp phân bổ công suất phát khác nhau. . . . . . . . . . . . . 94 3.12 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng, phân chia kênh theo phương pháp đề xuất IIA, khi sử dụng các phương pháp phân bổ công suất phát khác nhau. . . . . . . . . . . . . 95 3.13 So sánh dung lượng kênh của hệ thống CR-OFDM hai người dùng, phân chia kênh theo phương pháp đề xuất kiểu SuperWiFi, khi sử dụng các phương pháp phân bổ công suất phát khác nhau. . . . . 96 DANH MỤC BẢNG 1.1 Biểu đồ so sánh các hiệu năng các kỹ thuật giảm búp phụ . . . . . . 22 3.1 So sánh số lượng sóng mang con giữa những cặp người dùng SU sử dụng cũng như công suất phát tổng cộng của hệ thống CROFDM với các phương pháp phân chia kênh động đề xuất khi mức công suất can nhiễu giới hạn từ SU sang PU Ith = 10−4 W . . . . 89 3.2 So sánh mức công suất phát trên các sóng mang con trong hệ thống CR-OFDM với các phương pháp phân chia kênh động đề xuất khi mức công suất nhiễu giới hạn Ith = 10−4 W . . . . . . . . . . 91 ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa a a là biến số a a là một véc-tơ A−1 Nghịch đảo của ma trận A A A là một ma trận ai,j Phần tử hàng thứ i cột thứ j của ma trận A AT Chuyển vị của ma trận A AH Chuyển vị liên hợp phức của ma trận A Cx Ma trận hiệp phương sai của tín hiệu x I Nhiễu từ SU sang PU Ith Mức ngưỡng nhiễu giới hạn của hệ thống PU (l) Ith Mức ngưỡng nhiễu giới hạn của hệ thống PU thứ l h(x) Entropy vi phân của tín hiệu x J Nhiễu từ PU sang SU K Số người dùng SU L Số lượng dải tần được cấp phép Mth Công suất can nhiễu giới hạn trong hệ thống SU (m,k) Mn,i Nhiễu giữa người dùng SU N Số lượng sóng mang con của hệ thống SU N (k) Số lượng sóng mang con của người dùng SU thứ k O(.) Bậc của số lượng bước tính toán x xi Pi Công suất phát trên sóng mang con thứ i Pmax Công suất phát tối đa trên mỗi sóng mang con của hệ thống SU Pth Công suất can nhiễu giới hạn của hệ thống PU Ptot Quỹ công suất phát tổng cộng P Công suất trung bình Ri Tốc độ dữ liệu E{.} Kỳ vọng thống kê tr (A) Vết của ma trận A det (A) Định thức của ma trận A (.)T Chuyển vị (.)H Chuyển vị Hermitian GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Tính cấp thiết của luận án Sự tăng trưởng theo cấp số nhân của các hệ thống thông tin không dây đã mở ra những thách thức mới trong việc thiết kế mạng và quản lý tài nguyên vô tuyến [46]. Một trong những thách thức lớn mà chúng ta đang đối mặt trong các hệ thống truyền thông không dây đó là nhu cầu ngày càng lớn về nguồn tài nguyên tần số đến từ những yêu cầu về dịch vụ dữ liệu tốc độ cao như đa phương tiện và các dịch vụ khác. Thiết kế, xây dựng và sử dụng một hệ thống thông tin không dây với hiệu suất sử dụng phổ tần cao là một trong những mục tiêu nghiên cứu quan trọng được cả cộng đồng khoa học và công nghệ nghiên cứu trong một thập kỷ trở lại đây. Trong truyền thông không dây, nhiều phương pháp hay kỹ thuật khác nhau đã được đề xuất để sử dụng các nguồn tài nguyên vô tuyến khan hiếm một cách hiệu quả. Những phương pháp hay kỹ thuật này liên quan đến chiến lược cũng như các thuật toán nhằm kiểm soát công suất phát, phân bổ tần số, điều chế và mã hóa thích ứng. Mục tiêu chính của việc quản lý tài nguyên vô tuyến là sử dụng các nguồn tài nguyên này một cách hiệu quả nhất. Theo các nghiên cứu của Ủy ban Truyền thông Liên bang FCC của Mỹ (Federal Communication Commission), hiệu quả việc sử dụng các tần số được cấp phép là thấp [21]. Báo cáo này đã chỉ ra rằng các chính sách phân bổ tài nguyên tần số có thể không hiệu quả. Hệ thống truyền thông nhận thức (CR: Cognitive Radio System) được đề xuất lần đầu tiên bởi Mitola [54] là một công nghệ đầy hứa hẹn có khả năng giải quyết các vấn đề sử dụng phổ tần hiệu quả. Ý tưởng của truyền thông nhận thức đó là cho phép người sử dụng thứ cấp SU (Secondary User), còn được gọi là người sử dụng không có giấy phép, trong mạng lưới truyền thông có thể chia sẻ những phổ tần được phân bổ cho một số người dùng sơ cấp PU (Primary User), là người dùng sơ cấp hay còn gọi là người dùng được cấp phép LU1 (Licensed User), khi những 1 Thuật ngữ "LU" và "PU" là đồng nghĩa trong luận án này 1 2 phổ tần đó trống tạm thời. Các khe tần số khi không được sử dụng có thể biến thành các cơ hội tiềm năng trong việc sử dụng tần số tạm thời và an toàn. Trong khi truy cập phổ của PU, một điều rất quan trọng đó là hạn chế sự can nhiễu từ phía truyền thông nhận thức CR2 thấp hơn mức cho phép của hệ thống PU. Nhiều hình thức khác nhau đối với giới hạn can nhiễu đã được sử dụng trong các tài liệu, chẳng hạn như: giới hạn can nhiễu đỉnh, giới hạn can nhiễu trung bình, giới hạn tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và tạp âm SINR, v.v. Cách sử dụng phổ tần trống tạm thời của hệ thống PU này có thể được coi là phương pháp quản lý tài nguyên tần số đa chiều trong miền tần số, thời gian hay không gian. Và qua đó hiệu quả trong việc sử dụng phổ tần có thể được cải thiện rất nhiều thông qua cách sử dụng này. Rất nhiều các nghiên cứu đã chỉ ra rằng kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) đã được ứng dụng như một phương pháp điều chế rất phù hợp cho các hệ thống truyền thông nhận thức [32], [41], [47], [76]. Các tính chất cũng như khả năng của hệ thống sử dụng OFDM làm cho nó phù hợp với các hệ thống truyền thông nhận thức. OFDM một mặt cung cấp khả năng sử dụng hiệu quả phổ tần và điều đó cũng là mục đích của hệ thống CR. Điều này có được do các sóng mang con trong hệ thống OFDM là gần nhau, chồng chéo nhưng không gây nên can nhiễu nhờ sự trực giao của các sóng mang con. Mặt khác một ưu điểm khác của OFDM là tính chất linh hoạt và thích ứng. Các sóng mang con có thể được bật và tắt tùy theo môi trường truyền dẫn và do đó có thể hỗ trợ hệ thống CR tạo nên các khuôn phổ theo các hố phổ trống tạm thời. Điều này được OFDM thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng các bộ biến đổi Fourier nhanh (FFT). Bộ này có thể được thực hiện bằng cách xử lý tín hiệu kỹ thuật số sử dụng phần mềm [53], [54], [55]. Ngoài ra OFDM giúp tăng hiệu quả dung lượng của đường truyền tải dữ liệu, đồng thời làm giảm nhiễu ISI và cho phép phân tập đa người dùng khắc phục pha-đinh lựa chọn tần số, giúp tăng cường việc sử dụng phổ tần nói chung [39]. Trong mạng truyền thông người sử dụng chính PU luôn có quyền cao hơn so với người sử dụng phụ SU trong việc sử dụng phổ tần xác định. Do đó công nghệ truyền thông nhận thức đòi hỏi phải hoạt động theo một chu kỳ thích ứng trong quá trình truy cập phổ. Ở bước thứ nhất hệ thống CR tìm kiếm và 2 Trong luận án này hai thuật ngữ "CR" và "SU" là đồng nghĩa 3 Cảm biến phổ Phát hiện năng lượng Bộ lọc phối hợp Máy dò dừng vòng Hình 1: Các phương pháp cảm biến tần số phát hiện ra những khoảng tần số nào có thể sử dụng. Đây là quá trình được gọi là cảm biến phổ (Spectrum Sensing). Tiếp theo hệ thống CR cần đưa ra quyết định lựa chọn các điều kiện thích hợp nhất đối với quá trình truyền dẫn của mình cũng như cần phối hợp truy cập và phân chia tài nguyên với những người dùng khác. Quá trình này được gọi là quản lý tài nguyên (Resource Management). Và cuối cùng là khả năng phải dịch phổ nếu như tần số đang chiếm dụng bị tái sử dụng bởi những người dùng chính (Spectrum Mobility) [1], [3], [33]. Để xác định và truy cập vào một phần thích hợp của phổ tần với sự can thiệp tối thiểu đối với người sử dụng được cấp phép PU, thách thức thiết kế quan trọng đầu tiên đó là phải theo dõi mức độ hoạt động của người sử dụng PU. Sự giám sát hoặc cảm biến rất quan trọng trong đó CRN cần phải xử lý một khoảng băng thông rất rộng và đáng tin cậy để phát hiện sự hoạt động của PU. Vì vậy các kỹ thuật cảm biến phải có độ nhạy rất cao và liên tục trên toàn phạm vi hoạt động tần số vô tuyến. Để đạt được những mục tiêu này cần nhiều các kỹ thuật xử lý tín hiệu số khác nhau. Các kỹ thuật phát hiện hố phổ có thể được phân loại dựa trên các loại của các kỹ thuật phát hiện sử dụng tại máy thu như bộ lọc phối hợp, phát hiện năng lượng, và tính năng phát hiện dừng vòng (Cyclostationary) đã được nghiên cứu trong các tài liệu [18], [26]. Hình 1 mô tả sự phân loại ba kỹ thuật cảm biến phổ gồm: kỹ thuật phát hiện năng lượng, kỹ thuật sử dụng bộ lọc phối hợp và kỹ thuật máy dò dừng vòng. Kỹ thuật phát hiện năng lượng là kỹ thuật phát hiện tín hiệu sơ cấp dựa trên năng lượng cảm biến đối với hệ thống sơ cấp [50]. Kỹ thuật phát hiện năng lượng là kỹ thuật phổ biến nhất để cảm biến phổ tần bởi sự đơn giản 4 và không cần biết trước dạng tín hiệu sơ cấp [24], [36]. Kỹ thuật này luôn đi kèm với một số nhược điểm sau: 1) thời gian cảm biến thực hiện để đạt được xác suất phát hiện nhất định. 2) khả năng phát hiện đối tượng không chắc chắn bởi các lý do nhiễu không ổn định. 3) không thể phân biệt nhiễu từ các tín hiệu sơ cấp hay các tín hiệu thứ cấp. Kỹ thuật sử dụng bộ lọc phối hợp sử dụng bộ lọc tuyến tính được thiết kế để tối ưu tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu đối với một tín hiệu đầu vào cho trước. Khi người dùng thứ cấp biết trước được dạng tín hiệu của người dùng sơ cấp, bộ lọc phối hợp sẽ được sử dụng để phát hiện sự tồn tại của người dùng sơ cấp [3]. Tuy nhiên bộ lọc phối hợp đòi hỏi phải biết về mỗi tín hiệu phát. Nếu thông tin không chính xác, bộ lọc phối hợp sẽ thực hiện kém hiệu quả. Ngoài ra bất lợi đáng kể nhất của bộ lọc phối hợp đó là một CR sẽ cần một máy thu chuyên dụng phù hợp tất cả các loại người dùng chính. Kỹ thuật dùng máy dò dừng vòng dựa trên những đặc tính của tín hiệu sơ cấp để phát hiện ra sự tồn tại của tín hiệu này. Phương pháp này khai thác chu kỳ của các tín hiệu sơ cấp nhận được để xác định sự hiện diện của người sử dụng chính (PU). Tính chu kỳ thường được thể hiện trong khoảng cách các sóng mang, mã trải, hoặc tiền tố tuần hoàn của tín hiệu. Như vậy, tính năng dò dừng vòng hoạt động ổn định đối với việc nhiễu không ổn định và thực hiện tốt hơn so với phát hiện năng lượng trong khu vực SNR thấp. Mặc dù nó đòi hỏi một kiến thức tiên nghiệm của các đặc tính tín hiệu, phương pháp này đồng thời có khả năng phân biệt nhiễu từ các thiết bị sử dụng CR với nhiễu từ tín hiệu PU [81]. Dựa vào sự sẵn sàng của những hố phổ sau khi đã cảm biến, các nút mạng (Node) trong mạng nhận thức có thể phân bổ tài nguyên vô tuyến cho những người dùng trong mạng. Sự phân bổ này không những phụ thuộc vào các đặc tính của các hố phổ khả dụng mà còn phụ thuộc vào các chính sách nội bộ (và có thể là bên ngoài) của mạng nhận thức. Do đó, việc thiết kế một chính sách phân bổ tần số, công suất, v.v. để cải thiện hiệu suất của các nút mạng là một chủ đề nghiên cứu quan trọng đã và đang được nghiên cứu rộng rãi trong một thập kỷ trở lại đây. Có hai chế độ hoạt động cơ bản của các mạng vô tuyến nhận thức dựa vào cách sử dụng phổ tần của người dùng phụ được thực hiện như thế nào như mô tả trong hình 2 [1], [44]. Trong mô hình lót, với việc sử dụng kỹ thuật trải phổ, tín hiệu thứ cấp sẽ được nhân với một mã trải phổ để nhận được một tín hiệu yếu hơn với phổ rộng hơn. Kết quả 5 Hệ thống sơ cấp Công suất Hệ thống thứ cấp Công suất Mô hình xen lẫn Mô hình lót Tần số Tần số Hình 2: Phương pháp truy cập phổ xen lẫn và lót là tín hiệu được trải sẽ gây ra nhiễu thấp hơn đối với người dùng sơ cấp. Tín hiệu nguyên bản thứ cấp có thể giải điều chế lại ở phía thu bằng cách nhân tín hiệu thu được với mã trải phổ tương tự. Tuy nhiên với việc trải phổ rộng hệ thống CR vì thế sẽ bị can nhiễu lớn từ phía PU [90]. Mô hình xen lẫn tái sử dụng các hố phổ được bỏ trống tạm thời của hệ thống được cấp phép. Cách tiếp cận phổ tần xen lẫn này dựa trên kết quả cảm biến để xác định các dải tần số nhàn rỗi. Việc này có thể thực hiện được thông qua các cơ sở điều phối trung tâm quản lý về mặt tần số, thời gian, không gian. Quá trình rời tần khi tần số bị tái chiếm đóng bởi hệ thống PU còn gọi là quá trình bàn giao phổ. Với chức năng này, CR có thể thay đổi băng tần hoạt động để tránh xung đột hoạt động với hệ thống PU. Ngoài ra, CR có thể thực hiện việc di rời phổ để cải thiện hiệu suất trong mạng thứ cấp bằng cách hoạt động trong một hố phổ khác với các điều kiện truyền dẫn tốt hơn. Qua đó các thông số giao thức ở các mức độ khác nhau sẽ được điều chỉnh theo các băng tần hoạt động khác nhau. Hệ thống truyền thông nhận thức có thể thích ứng với các tần số hoạt động khác nhau. Do đó, mỗi khi một người dùng CR thay đổi tần số hoạt động của mình, các giao thức mạng sẽ thay đổi chế độ hoạt động khác. Mục đích của việc quản lý di động phổ trong mạng nhận thức là để đảm bảo rằng quá trình chuyển đổi đó được thực hiện thông suốt và kịp thời. Như vậy các ứng dụng chạy mạng nhận thức mới tối thiểu hóa được sự suy giảm hiệu suất. Thông tin về phổ tần vì thế phải được cung cấp bởi các thuật toán cảm biến. Và đây là vấn đề đã và đang được giải