(Đồ án) đồ án phân bổ công suất trong mạng vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng ofdm

MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ Error! Bookmark not defined DANH MỤC BẢNG BIỂU Error! Bookmark not defined CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VÔ TUYẾN THÔNG MINH 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Định nghĩa “Vô tuyến thông minh” 1.3 Hoạt động vô tuyến thông minh 1.4 Các chức vơ tuyến thơng minh 1.4.1 Cảm nhận phổ 1.4.2 Quản lý phổ 11 1.4.3 Dịch chuyển phổ 12 1.4.4 Chia sẻ phổ 13 1.5 Kiến trúc Vật lí Vơ tuyến thông minh 14 1.6 Mơ hình thực Vơ tuyến thơng minh 16 1.6.1 Vô tuyến định nghĩa phần mềm (SDR) 16 1.6.2 Mơ hình thực Vơ tuyến thông minh 18 1.7 Kết luận chương 22 CHƯƠNG KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO (OFDM) 24 2.1 Giới thiệu chương 24 2.2 Khái niệm OFDM 24 2.3 Nguyên lý OFDM 24 2.4 Mơ hình hệ thống OFDM 27 2.5 Các kỹ thuật điều chế số sử dụng OFDM 30 2.5.1 Điều chế QPSK 30 2.5.2 Điều chế QAM 32 2.6 NC-OFDM 33 2.6.1 Khái niệm NC-OFDM 33 2.6.2 Cấu trúc khung NC-OFDM 33 2.6.3 Hiệu NC-OFDM 36 Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 i h 2.7 Ưu nhược điểm OFDM 39 2.8 Kết luận chương 40 CHƯƠNG VÔ TUYẾN THÔNG MINH TRÊN NỀN OFDM 42 3.1 Giới thiệu chương 42 3.2 Vô tuyến thông minh – OFDM 42 3.3 Tại OFDM thích hợp với Vô tuyến thông minh 44 3.3.1 Khả nhận biết cảm nhận phổ 44 3.3.2 Tạo dạng phổ 46 3.3.3 Thích ứng với mơi trường 47 3.3.4 Các kỹ thuật anten nâng cao 48 3.3.5 Đa truy nhập cấp phát phổ tần 48 3.3.6 Khả tương tác 49 3.4 Các thách thức hệ thống OFDM thông minh 50 3.4.1 Tạo dạng phổ 51 3.4.2 Thiết kế thuật toán cắt xén hiệu 51 3.4.3 Báo hiệu tham số truyền dẫn 52 3.4.4 Sự đồng 52 3.4.5 Nhiễu lẫn 52 3.5 OFDM đa băng tần 55 3.6 Các chuẩn công nghệ OFDM thông minh 58 3.6.1 WiMAX - IEEE 802.16 58 3.6.2 IEEE 802.22 62 3.6.3 IEEE 802.11 63 3.7 Kết luận chương 65 CHƯƠNG PHÂN BỔ CÔNG SUẤT TRONG MẠNG VÔ TUYẾN THÔNG MINH DỰA TRÊN NỀN OFDM 66 4.1 Giới thiệu chương 66 4.2 Mơ hình hệ thống 67 4.2.1 Hệ thống vô tuyến thông minh giới hạn công suất nhiễu 67 4.2.2 Vô tuyến thông minh – OFDM ràng buộc công suất phát kênh 68 4.3 Phân bổ công suất cho hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM khơng xét tới sóng mang lân cận 70 Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 ii h 4.3.1 Phân bổ công suất hệ thống OFDM thông thường 70 4.3.2 Phân bổ công suất hệ thống Vô tuyến thông minh-OFDM 71 4.3.3 Thuật toán đổ đầy nước phân chia lặp: Điều kiện công suất phát tổng 72 4.4 Phân bổ công suất hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM có xét tới sóng mang bên 77 4.4.1 Viết lại cơng thức tốn phân bổ công suất 77 4.4.2 Phân bổ công suất trường hợp hai ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác không 80 4.4.3 Thuật tốn phân bổ cơng suất đệ quy cho trường hợp tổng quát 82 4.5 Kết mô 84 4.6 Kết luận chương 88 KẾT LUẬN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 92 Phụ lục Chứng minh định lý 92 Phụ lục Chứng minh định lý 95 Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 iii h Đồ án tốt nghiệp Đại học Các thuật ngữ viết tắt CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Tên Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng AMC Adaptive MIMO Switch Chuyển mạch MIMO thích ứng AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bít BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CINR Carrier-to-Interference Noise Ratio CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng CR Cognitive Radio Vô tuyến thông minh 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 Standards Institute Viện tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu FCC Federal Communications Commission FDM Frequency Division Multiplexing FFT Fast Fourier Transform FHDC Frequency Hopping Diversity Coding FRC Federal Radio Commission Tỷ số nhiễu sóng mang Ủy ban Truyền thơng Liên bang Ghép kênh phân chia tần số Chuyển đổi Fourier nhanh Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 Mã hóa phân tập nhảy tần Ủy ban Vô tuyến Liên bang iv h I/Q In-phase and Quadrature-phase Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 Trong pha pha vng góc v h Các thuật ngữ viết tắt Nhiễu liên sóng mang ICI Inter-Carrier Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IETF Internet Engineering Task Force Ủy ban chuyên trách Internet IFFT Inverse Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh ngược IPD Incumbent Profile Detection Bộ phát thông tin hoạt động thuê bao cấp phép Chuyển đổi Fourier rời rạc ngược Đổ đầy nước phân chia lặp IPW Iteractive Partitioned Waterfilling ISI Inter-symbol Interference Nhiễu liên ký tự ITM Interfence Temperature Model Mơ hình nhiệt nhiễu ITMA Interfence Temperature Multiple Đa truy nhập theo mơ hình nhiệt nhiễu Access JRRM Joint Radio Resource Management LAN Local Area Network Mạng vùng nội hạt MAN Metropolitan Area Network Mạng vùng trung tâm Quản lí Tài nguyên Vô tuyến chung MC-CDMA Multi-Carrier Code Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang MCM Multi-Carrier Modulation Điều chế đa sóng mang MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa đầu vào đa đầu NC-OFDM Non-Contiguous Orthogonal Frequency Division Multiplexing NTIA National Telecommunication and Information Administration Cơ quan quản lý Viễn thông OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao không liên tục Thông tin Quốc gia vi h Đồ án tốt nghiệp Đại học ngữ viết tắt Các thuật P/S Parallel-to-Serial Đồ án tốt nghiệp Đại học Song song sang nối tiếp PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh công suất trung bình PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha PU Primary User Người dùng QAM Quadrature Amplitute Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương RAN Radio Access Network Mạng truy nhập Vô tuyến RE Radio Equipment 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 S/P Serial-to-Parallel Nối tiếp sang song song SDR Software defined Radio Vô tuyến định nghĩa phần Điều chế biên độ cầu phương Bộ thị mức tín hiệu thu mềm SIR Signal-to-Interfence Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu SM Spatial Multiplexing Ghép kênh khơng gian SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu STC Space-Time Coding Mã hóa khơng gian-thời gian SU Secondary User Người dùng vô tuyến thông minh TPC Transmit Power Control Điều khiển công suất phát UWB Ultra Wide Band Băng siêu rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng vô tuyến nội hạt WMAN Wireless Metropolitan Area Networks Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 Mạng vô tuyến nội thị vii h Các thuật ngữ viết tắt WPAN Wireless Personal Area Networks WRAN Wireless Regional Area Network Mạng vô tuyến cá nhân Mạng vô tuyến nội vùng Wireless World Research Forum Diễn đàn nghiên cứu không dây WWRF giới Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 viii h Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, Công nghệ thông tin Truyền thông phát triển với tốc độ chóng mặt, kéo theo gia tăng không ngừng ứng dụng vô tuyến thiết bị vơ tuyến mới, địi hỏi phải sử dụng nguồn tài nguyên phổ tần tiết kiệm hiệu Trái lại, với sách phân bổ phổ tần vô tuyến cố định việc sử dụng phổ tần cấp phép lại tùy thuộc vào nhu cầu người dùng nên tình trạng sử dụng hiệu phổ tần cấp phép diễn phổ biến Như vậy, sách gán phổ tần cố định trước khơng cịn phù hợp nữa, cần có cơng nghệ truy nhập phổ tần tận dụng hiệu phần phổ tần chưa sử dụng Công nghệ truy nhập phổ tần Vơ tuyến thơng minh (CR - Cognitive Radio) Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) phương thức truyền dẫn đáng tin cậy cho hệ thống Vô tuyến thông minh Thứ nhất, OFDM công nghệ truyền dẫn xuất sắc ứng dụng nhiều công nghệ mạng vô tuyến tương lai Nên việc áp dụng OFDM Vô tuyến thông minh khiến cho trình đồng hoạt động Vô tuyến thông minh mạng vô tuyến khác trở nên dễ dàng hết Thứ hai, việc phân bổ tài nguyên vô tuyến cách linh động thách thức lớn hệ thống Vô tuyến thông minh OFDM cung cấp phương pháp linh hoạt việc phân bổ tài ngun vơ tuyến mơi trường động Nó đảm bảo việc khơng có can nhiễu kênh vơ tuyến liền kề hệ thống Công suất cần phân bổ hợp lý tới tất người sử dụng nhằm đảm bảo cho hệ thống vận hành cách tối ưu nhất, đáp ứng yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) nâng cao hiệu tồn hệ thống Vơ tuyến thơng minh Do vậy, cần có nghiên cứu đắn tồn diện vấn đề phân bổ cơng suất mạng vơ tuyến nói chung Vơ tuyến thơng minh nói riêng Được định hướng hướng dẫn tận tình giáo ThS Lê Tùng Hoa, em thực đồ án “Phân bổ công suất mạng Vô tuyến thông minh dựa tảng OFDM” Đồ án bao gồm bốn chương, cụ thể sau: Chương 1: Tổng quan vô tuyến thông minh Giới thiệu chung cấu trúc hoạt động mạng Vơ tuyến thơng minh Trong nêu rõ khái niệm liên quan Vô tuyến thông minh, đồng thời phân tích đặc điểm hoạt động Vơ tuyến thông minh bao gồm cảm nhận phổ, định phổ, linh hoạt phổ chia sẻ phổ Chương 2: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời nói đầu Trình bày tổng quan kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Nội dung chương bao gồm nguyên lý truyền dẫn sử dụng OFDM, mơ hình hệ thống thu phát OFDM, phương pháp điều chế sử dụng OFDM… giới thiệu tổng quan kỹ thuật truyền dẫn OFDM không liên tục (NC-OFDM), kỹ thuật áp dụng trực tiếp vào Vô tuyến thông minh Chương 3: Vô tuyến thông minh dựa OFDM Trình bày kiến trúc mạng Vơ tuyến thơng minh dựa tảng công nghệ OFDM - bao gồm mơ hình hệ thống hoạt động, thách thức tồn chuẩn áp dụng Chương 4: Phân bổ công suất mạng Vô tuyến thông minh – OFDM Nội dung chương sâu phân tích vấn đề tối ưu phân bổ công suất mạng Vô tuyến thông minh – OFDM Cụ thể ta đưa thuật tốn phân bổ cơng suất tối ưu hệ thống OFDM thơng thường, từ phát triển chung cho hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM Dưới quan tâm, giúp đỡ, bảo tận tình nghiên cứu cung cấp tài liệu cô giáo Ths Lê Tùng Hoa nỗ lực thân, đồ án hoàn thành với nội dung đăng ký mức độ phạm vi định Tuy nhiên, trình độ thời gian có hạn nên đồ án chắn khơng tránh khỏi có sai sót, kính mong thầy giáo bạn đọc đóng góp ý kiến cho nội dung đồ án hoàn thiện định hướng cho nghiên cứu Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo ThS Lê Tùng Hoa, người trực tiếp định hướng em lựa chọn đồ án đồng thời người tận tình hướng dẫn em suốt trình thực hoàn thành đồ án Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo môn Vô tuyến – khoa Viễn thông I, bạn bè giúp đỡ em trình học tập làm đồ án Hà nội, ngày 05 tháng 12 năm 2011 Người làm đồ án Nguyễn Tiến Tĩnh Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Phân bổ công suất Vô tuyến thông minh Nếu Cl thỏa mãn (4.21), tức (4.22) (4.21) lời giải (4.22) Bởi vậy, phân bổ công suất tối ưu (4.22) dễ dàng thực hai trường hợp suy biến trên, tức (4.20) (4.22) thỏa mãn 4.4.2.2 Thuật toán cho trường hợp tổng quát Để có lời giải trường hợp mà (4.20) (4.22) không thỏa mãn, trước hết ta đưa Bổ đề sau Bổ đề Định nghĩa tốn tối ưu hóa lồi (OP0) với hàm đối tượng khác ràng buộc bất đẳng thức thỏa mãn điều kiện Slater: (4.23) đặt x0 điểm tối ưu hóa OP0 Giả sử xk điểm tối ưu toán OP0 (OP-k) với n-1 ràng buộc bất đẳng thức hi(x) …, n Sau đó, hk(xk) 0, i = 1,…, k-1, k+1, 0, ta có hk(x0) = Dựa vào Bổ đề 3, lời giải tối ưu (4.18) phải thỏa mãn hai ràng buộc Ck Cl với đẳng thức trường hợp (4.20) (4.22) thay đổi Bởi vậy, việc giải (4.18) trường hợp tương đương với giải tốn sau: Với Pi i=1,2,…,N (4.24) Để tìm lời giải, ta lập phương trình Lagrange: Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 81 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Phân bổ công suất Vô tuyến thông minh (4.25) i=1,2,…,N Phân bổ cơng suất tối ưu đạt cách giải điều kiện KKT với điều kiện Pi >0, cho (4.26) xác định phương trình sau: Việc kết hợp dẫn xuất trên, thuật toán phân bổ cơng suất cho tốn với hai ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác khơng Bảng 4.3 Bảng 4.3 Thuật thuật toán phân bổ cơng suất cho tốn với hai ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác khơng Bước 1: Tính tốn phân bổ cơng suất tối ưu P* loại bỏ Ck dựa vào (4.19); Bước 2: Kiểm tra P* thỏa mãn Ck Nếu Ck thỏa mãn, thốt; Bước 3: Tính tốn phân bổ công suất tối ưu P* loại bỏ Cl dựa vào (4.21); Bước 4: Kiểm tra P* có thỏa mãn Cl khơng Nếu Cl thỏa mãn, thốt; Bước 5: Tính tốn phân bổ cơng suất tối ưu P* dựa vào (4.26) 4.4.3 Thuật tốn phân bổ cơng suất đệ quy cho trường hợp tổng quát Thuật toán mở rộng cho toán (4.18) gồm M+1 ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác khơng Tương tự, ta xem xét M+1 trường hợp suy biến với trường hợp loại bỏ ràng buộc Mỗi M+1 toán tối ưu hóa suy biến giải thuật toán cho toán với M ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác khơng Nếu lời giải M+1 trường hợp suy biến thỏa mãn ràng buộc loại bỏ tương ứng, ta đạt phân bổ cơng Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 82 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Phân bổ công suất Vô tuyến thông minh suất tối ưu Trong trường hợp khác, lời giải tối ưu toán ban đầu phải thỏa mãn M+1 ràng buộc với đẳng thức dựa Bổ đề Bảng 4.4 Thuật toán RPA cho toán với M+1 ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác không Khởi tạo: Gọi M+1 ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khơng C0, C1, …, CM m=M+1, A={C0, C1, …, CM} Begin P*=PAA(m,A) end function:PAA (m,A) begin Case m=1: Return f(A) Case m>1: Khởi tạo: Đặt n = Xác định tập B Begin: Bước 1: B=A/an,P*=PAA(m-1,B); Bước 2: Nếu P* thỏa mãn điều kiện an, tới Bước 5; Bước 3: N=n+1 Nếu n m, tới Bước 1; Bước 4: P*= f (A); Bước 5: trả lại P* end end Tương tự Mục 4.3.2.2, ta viết biểu thức Lagrange: (4.27) i=1,2,…,N Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 83 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Phân bổ công suất Vô tuyến thơng minh Sự phân bổ cơng suất tối ưu đạt giải điều kiện KKT với Pi > 0, cho (4.28) xác định M+1 phương trình sau: Vì thuật toán toán gồm hai ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác khơng đạt Mục 4.4.2.2, nên toán trường hợp tổng quát gồm nhiều ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác khơng giải phương pháp đệ quy, tức thuật toán phân bổ công suất đệ quy (RPA) Để dễ dàng suy luận, ta định nghĩa hàm f (A) A tập bao gồm toàn ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác khơng tốn tối ưu hóa với dạng (4.17) Hàm f (A) trả lại lời giải tối ưu thỏa mãn tất điều kiện chứa A Ví dụ, f (A) trả lại giá trị xác định (4.19) A = {Ck} giá trị xác định (4.26) A = {Ck, Cl} Ta giả sử phần tử thứ i A Thuật toán phân bổ công suất cho trường hợp tổng quát Bảng 4.4 4.5 Kết mô Trong phần ta đưa hai kết mô để chứng minh cho thuật toán phân bổ công suất cho hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM mà đề xuất Phần A: Thuật tốn IPW khơng xét tới sóng mang bên Trong phần này, ta đặt N = 16, M = 4, tức kênh có bốn sóng mang Quá trình thực IPW Hình 4.6 Hình 4.6(a) minh họa cho nghịch đảo độ lợi kênh kênh fading chọn lọc tần số, tức đáy vùng để đổ đầy nước Kết phân bổ công suất sau Bước II-1 Bảng 4.1 lần lặp thứ Hình 4.6(b), phân bổ cơng suất kết đổ đầy nước thông thường với có ràng buộc cơng suất phát tổng Tại Bước II-2 Bảng 4.1, ta thấy công suất phân bổ tới Kênh vượt điều kiện cơng suất phát kênh Gj Bởi vậy, Kênh lấy từ tập A thực đổ đầy nước thông thường sóng mang Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 84 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Phân bổ cơng suất Vơ tuyến thơng minh sóng mang cịn lại tập A với cơng suất Pt – G1 cho kết phân bổ công suất Hình 4.6(c) Cuối điều kiện cơng suất Kênh bị loại bỏ Bước II-2 Bảng 4.1 Kết quả, ta thực lại Bước II-3 II-4 Bảng 4.1 sau vào vịng lặp thứ Hình 4.6(d) minh họa phân bổ cơng suất sau Bước II-1 Bảng 4.1 vịng lặp thứ mà lại kênh tập A Tại Bước II-2 điều kiện công suất phát kênh thỏa mãn ta kết thúc lặp với C = Cuối cùng, phân bổ công suất Hình 4.6(d) tối ưu mà tối đa tốc độ tổng thỏa mãn điều kiện công suất phát kênh điều kiện cơng suất phát tổng Hình 4.6 Q trình đổ đầy nước phân chia lặp (a) Minh họa nghịch đảo độ lợi kênh kênh fading chọn lọc tần số; (b), (c) (d) kết phân bổ công suất sau Bước II-1 (Bảng 4.1) lần lặp 1, 2, ba tương ứng Thuật toán hội tụ sau ba lần lặp Phần B: Thuật toán RPA xét tới sóng mang bên Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 85 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Phân bổ công suất Vô tuyến thông minh Trong phần này, kênh fading chọn lọc tần số khởi tạo dựa theo mơ hình kênh Typical Urban (TU), bao gồm đường có tham số trễ [0.0 0.2 0.5 1.6 2.3 5.0] β s công suất [0.189 0.375 0.239 0.095 0.061 0.037] Băng thông SU MHz chia thành M = kênh cân Số sóng mang giả sử N = 64 kênh có 16 sóng mang Ta cho Pt = 640, tức tỷ số tín hiệu nhiễu khoảng 10 dB cơng suất nhiễu sóng mang thiết lập Bốn điều kiện công suất kênh 80, 480, 1.6 480 Điều kiện công suất Kênh khoảng 25 dB thấp kênh bên cạnh, ý nói SU gần bên vùng bảo vệ PU Do đó, điều kiện công suất phát Kênh nghiêm ngặt để thỏa mãn giới hạn công suất nhiễu PU3 Sự phân bổ công suất tối ưu Hình 4.7 kênh TU Hình 4.7 Phân bổ công suất tối ưu RPA Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 86 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Phân bổ công suất Vô tuyến thơng minh Hình 4.8 Phân bổ cơng suất tối ưu IPW khơng xét tới sóng mang cạnh bên Kết phân bổ cơng suất sử dụng thuật tốn IPW loại bỏ ảnh hưởng sóng mang bên Hình 4.8 để so sánh Trong Hình 4.8 ta thấy cơng suất phân bổ kênh thấp so với điều kiện công suất phát kênh tương ứng, công suất phát thực Kênh 3, bao gồm công suất phân bổ Kênh công suất thêm vào từ kênh lân cận, khoảng sáu lần điều kiện công suất phát nó, dẫn tới phá hoại nghiêm trọng tới điều kiện nhiễu PU3 Bởi vậy, thuật toán IPW khơng thích hợp cho kênh Kênh kênh lân cận trường hợp Trái lại, thuật toán RPA Hình 4.7 tối đa dung lượng thỏa mãn điều kiện công suất phát kênh So sánh Hình 4.7 với Hình 4.8, ta thấy công suất phân bổ tới sóng mang gần Kênh bị triệt tiêu trạng thái kênh tốt cơng suất phân bổ nhiều tới sóng mang cách xa Kênh Mặt khác, thấy phân bổ cơng suất Kênh giống với không xét tới sóng mang bên cạnh, ý nói loại bỏ sóng mang bên cạnh hợp lý có băng tần bảo vệ hiệu hai kênh Bởi vậy, thuật tốn IPW áp dụng với kênh Kênh với hiệu cao so với thuật toán RPA Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 87 h Đồ án tốt nghiệp Đại học 4.6 Chương Phân bổ công suất Vô tuyến thông minh Kết luận chương Trong chương ta nghiên cứu toán phân bổ công suất hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM Trong môi trường vô tuyến thông minh, hạn chế nhiễu người dùng tạo điều kiện công suất kênh cho truyền dẫn SU Bởi vậy, phân bổ cơng suất sóng mang phải thỏa mãn điều kiện công suất phát tổng, hệ thống OFDM thông thường, điều kiện công suất phát kênh con, lý khiến thuật toán đổ đầy nước tiếng áp dụng hệ thống OFDM thông thường không áp dụng trường hợp Để tìm phân bổ công suất tối ưu, ta đưa thuật toán đổ đầy nước phân chia lặp IPW (Iteractive Partitioned Water-filling), đơn vị tính tốn đổ đầy nước truyền thống Thuật toán chứng minh hội tụ tới phân bổ công suất tối ưu, tối đa tốc độ tổng cho điều kiện công suất phát tổng tối thiểu cơng suất u cầu cho tốc độ đích, sau số vòng lặp định Hơn nữa, ta xem xét ảnh hưởng sóng mang bên cạnh phân bổ công suất hệ thống thực tế Công suất phát thực tế kênh bao gồm công suất phân bổ cơng suất sóng mang bên từ kênh lân cận Thuật tốn phân bổ cơng suất đệ quy RPA (Recursive Power Allocation) đề xuất cho trường hợp Thuật tốn tìm kiếm phân bổ công suất tối ưu đệ quy cách tách điều kiện công suất kênh theo pha Các kết mơ thuật tốn IPW khơng áp dụng băng tần bảo vệ kênh khơng đủ lớn, thuật tốn RPA áp dụng trường hợp Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 88 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Kết luận KẾT LUẬN Đồ án “Phân bổ công suất mạng Vô tuyến thông minh dựa tảng OFDM” đạt số kết sau: - Giới thiệu tổng quan hệ thống Vô tuyến thông minh, khái niệm, đặc điểm mơ hình q trình hoạt động Vô tuyến thông minh đời giải pháp cho tình trạng khan phổ tần ngày trở nên nghiêm trọng - Trình bày sơ lược phương thức ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) OFDM kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang có nhiều tính ưu việt ứng dụng nhiều công nghệ mạng không dây Trong đồ án nêu khái niệm, mơ hình hệ thống thu phát, phương thức điều chế sử dụng OFDM đặc biệt kỹ thuật NC-OFDM NC-OFDM kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang OFDM khơng liên tục, dựa tảng OFDM tăng cường thêm khả tắt sóng mang khơng cần thiết để triệt nhiễu cải thiện hiệu hệ thống Chính ứng dụng môi trường Vô tuyến thông minh - Tiếp theo đồ án trình bày việc áp dụng kỹ thuật OFDM môi trường Vô tuyến thông minh Bao gồm mô hình hệ thống, hoạt động, khả đáp ứng OFDM Vô tuyến thông minh, đồng thời nêu lên số thách thức gặp phải hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM chuẩn áp dụng hệ thống - Cuối cùng, đồ án sâu phân tích q trình tối ưu hóa việc phân bổ cơng suất cho người dùng hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM Trong môi trường Vô tuyến thông minh, việc đảm bảo nhiễu người dùng người dùng thơng minh vô quan trọng Bởi vậy, việc phân bổ cơng suất sóng mang phải thỏa mãn ràng buộc công suất phát tổng, hệ thống OFDM, ràng buộc công suất kênh Để tìm phương pháp phân bổ công suất tối ưu, đưa hai thuật toán: thuật toán IPW (Iteractive Partitioned Water-filling) cho việc tối ưu phân bổ cơng suất trường hợp có băng tần bảo vệ hiệu sóng mang con, thuật toán RPA (Recursive Power Allocation) cho việc tối ưu phân bổ công suất xét tới ảnh hưởng sóng mang với Các kết mơ thuật tốn IPW không Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 89 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Kết luận thể áp dụng băng tần bảo vệ sóng mang khơng đủ rộng, thuật tốn RPA lại tỏ hiệu trường hợp Mặc dù có nhiều cố gắng đồ án khơng tránh khỏi có hạn chế định Em mong nhận ý kiến đóng góp thầy giáo để đồ án hồn thiện Cuối em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo ThS Lê Tùng Hoa, người trực tiếp định hướng em lựa chọn đồ án đồng thời người tận tình hướng dẫn em suốt q trình thực hồn thành đồ án Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô giáo môn Vô tuyến – khoa Viễn thông I, bạn bè giúp đỡ em trình học tập làm đồ án Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 90 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alexander M Wyglinski, Ph.D., Maziar Nekovee, Ph.D., Y Thomas Hou, Ph.D., “Cognitive Radio Communications and Networks Principles and Practice”, ELSEVIER Inc., 2010 [2] Hüseyin Arslan, “Cognitive Radio, Software Defined Radio, and Adaptive Wireless.”, University of South Florida, Tampa, FL, USA, Springer, 2007 [3] Ekram Hossain, Vijay Bhargava, “Cognitive Wireless Communication Network”, Springer Science & Business Media, LLC, 2007 [4] Rakesh Rajbanshi, “OFDM-Based Cognitive Radio for DSA Networks”, The University of Kansas, September 2007 [5] Lars Berlemann , Stefan Mangold , “Cognitive Radio and Dynamic Spectrum Access”, John Wiley and Sons Ltd., 2009 [6] Ian F Akyildiz, Won-Yeol Lee, Mehmet C Vuran, and Shantidev Mohanty, Georgia Institute of Technology , “A Survey on Spectrum Management in Cognitive Radio Networks”, IEEE Communications Magazine, April 2008 [7] Wei Wang, “Cognitive Radio Systems”, In-Tech, November 2009 [8] S.Boyd and L Vandenberghe, “Convex Optimization”, Cambridge University Press, 2004 [9] Peng Wang, Ming Zhao, Limin Xiao, Shidong Zhou, Jing Wang, “Power Allocation in OFDM-based Cognitive Radio Systems”, IEEE Communications Society, 2007 Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 91 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Phụ lục PHỤ LỤC Phụ lục Chứng minh định lý Cơng thức (4.6) viết lại dạng tối ưu lồi chuẩn sau: với i=1, 2, …, N (1) Fj – G j ≤ j=1, 2, …, M Các điều kiện ràng buộc hiển nhiên thỏa mãn điều kiện Slater, điều kiện Karush-Kuhn-Tucker (KKT) hiệu cần thiết cho vectơ tối ưu P (Boyd & Vandenberghe, 2004) Hai điều kiện KKT đầu điều kiện ràng buộc (1) điều kiện khác cho (2a) (2b) (2c) Trong đó, i=1,2, , N; j=1, 2, …, M (3a) (3b) Trong i=1, 2, …, N; (3c) j=1, 2, …, M (4) Trong i=1, 2, …, N j số kênh mà sóng mang thứ i thuộc vào I Chứng minh phần nếu: Cơng thức (4) viết sau: (5) Thay (5) vào (2a) (3a) ta có Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 92 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Phụ lục (6) (7) Nếu , ta có Pi > (6) Sau (7) đưa (8) Nếu , từ (5) ta Sau dựa (6), Pt = Từ (5) ta có: j=1,2,…,M (9) Sau Có (10) Trong i=1,2,…,N j số kênh mà sóng mang thứ i thuộc vào Các kênh chia thành hai tập hợp A B Khi ta giả sử , phải tồn kênh mà Fj < Gj, tức A ≠ 1) Với tất j A, Fj < Gj, ta có thỏa mãn điều kiện (4.8a) wj= dựa (3b) Lấy Từ (9), ta có , sau Wj > Một tuần tự, (3c) dẫn tới Bởi vậy, ta đưa tới phương trình (4.8b) (11) 2) Với tất j B, điều kiện (4.9a) hiển nhiên thỏa mãn Vì , ta có (12) Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 93 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Phụ lục Bởi vậy, bất đẳng thức (4.9b) giữ nguyên Tới đây, chứng minh phần Định lý II Chứng minh phần “Nếu” Ta cần chứng minh tất điều kiện KKT nhận từ vecto phân bổ công suất định nghĩa Định lý Dễ dàng thấy hai điều kiện KKT đầu tiên, tức là, điều kiện ràng buộc (1), vốn giữ nguyên 1) Dựa (4.80b) A ≠ , ta có > Định nghĩa , > Từ (4.8b) ta có (13) = Pt Do đó, (2c) (3c) giữ nguyên 2) Định nghĩa , từ (4.8a) (4.9b), ta kết luận (14) Bởi vậy, (2b) giữ nguyên Vì j B, ta có Fj=Gj, (3b) giữ nguyên 3) Định nghĩa , j số kênh mà sóng mang thứ i thuộc vào Thì (4) vốn giữ nguyên Nếu , dựa vào (4.7), ta có (15) Vì ta suy từ định nghĩa , (15) viết sau (16) Sau đó, =0 Bởi vậy, cho , (2a) (3a) giữ nguyên Mặt khác, , Pi từ (4.7) Sau đó, ta có Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 94 h Đồ án tốt nghiệp Đại học Phụ lục (17) Do đó, cho (2a) (3a) giữ nguyên Kết luận, suy tất điều kiện KKT phần Nếu giữ nguyên Định lý chứng minh.□ Phụ lục Chứng minh định lý Giả sử lần lặp thứ k, công suất sử dụng Bước II-1, mức-nước sóng mang thuộc kênh tập A sau Bước II-1 tập tạm thời C biểu thị , wk Ck Nếu ta tìm thấy j mà , kênh j cần lấy từ tập A đặt vào tập Ck Tại Bước II-4, đổ đầy nước thông thường thực độc lập sóng mang kênh j Ck với điều kiện công suất phát kênh tương ứng Gj Kết đưa mức-nước riêng biệt wi thuật toán hội tụ Từ Bổ đề 1, đổ đầy nước thơng thường thực sóng mang kênh j mà j Ck với cơng suất Fj độc lập, ta có mứcnước wk Từ Bổ đề 2, , ta có (18) sau lần lặp thứ k Theo Bổ đề 1, kênh lại tập A thỏa mãn , đổ đầy nước thông thường thực sóng mang tương ứng với cơng suất , ta có mức-nước wh Trong lần lặp tiếp theo, ta cần thực đổ đầy nước thơng thường sóng mang với công suất kết đem lại mức-nước giả sử wh+1 Dựa vào Bổ đề 2, ta có (19) Khi thuật tốn hội tụ sau lần lặp, ta có Từ (19), ta = 1, 2, …, Tương tự, theo (18), , ta có Bởi vậy, ta đến kết luận k , , tức mức-nước riêng biệt nhỏ tương đương với mức-nước chung.□ Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 95 h