Công ngh vô tuy n nh n thờ ừ ạệếậức do đó giúp nâng cao vô tuyến để theo dõi các quy chu n linh hoẩạt hơn các công ngh ệkhác trước đây.. Một định nghĩa rộng khác được đưa ra bởi Simon Ha
TỔ NG QUAN V TRUY N THÔNG NH N TH Ề Ề Ậ Ứ C
Các kh ả năng và các đặ c tính c a truy n thông nh n th c ủ ề ậ ứ
Để ối ưu sử ụ t d ng tài nguyên, các m ng th h ti p theo yêu c u các thi t b ạ ế ệ ế ầ ế ị thông minh như truyền thông nh n thậ ức để có th mô hình hóa h th ng c a chúng, ể ệ ố ủ những người dùng c a chúng, các mủ ạng và môi trường lớn hơn Dựa trên các thiết l p theo dõi c a các tham s này, truy n thông nh n th c có th thích ng v i dậ ủ ố ề ậ ứ ể ứ ớ ải t n s , các giao th c, các giao di n thích hầ ố ứ ệ ợp Các chức năng chính để thích ng các ứ tham s truy n trong nhố ề ững môi trường thay đổi thông qua m t chù k ộ ỳ nhận th c ứ Chu k ỳnhận thức sáu giai đoạn này là [3]:
- Quan sát: Bi t thông tin v ế ề môi trường hoạt động thông qua c m nh n và các ả ậ cơ chế báo hi u ệ
- Định hướng: Đánh giá thông tin này để xác định t m quan tr ng và mầ ọ ức độ liên quan c a nó ủ
- K ế hoạch: Dựa trên đánh giá này, đài vô tuyến xác định các l a ch n hoự ọ ặc thay th tế để ối ưu tài nguyên của nó
- Quyết định: M t s thaộ ự y đổi được chọn mà các đánh giá thuậ ợi hơn nhiền l u các l a chự ọn khác, bao g m hi n tồ ệ ại đang diễn ra
- Hành động: Đài phát vô tuyến thực hi n các quyệ ết định đưa đến tối ưu tài nguyên Những thay đổi này sau đó được ph n h i trong d u gây ả ồ ữ liệ nhiễu đưa ra bởi truy n thông nh n thề ậ ức trong môi trường bên ngoài
- H c h i: Trong suọ ỏ ốt quá trình, đài phát vô tuyến s d ng quan sát và quyử ụ ết định để ả c i thi n hoệ ạt động c a riêng nó, t o ra mô hình các tr ng thái m i ủ ạ ạ ớ và thay th ế
Trong công ngh ệ này, để tă ng hiệu năng phổ trong truy n thông không dây, hoề ặc là m t m ng ho c m t nút mộ ạ ặ ộ ạng thay đổi tham s truy n ho c ti p nh n các tham s ố ề ặ ế ậ ố để truy n thông hi u qu tránh can nhi u về ệ ả ễ ới người dùng được c p phép ho c ấ ặ người dùng không được c p phép Các yêu cấ ầu này đòi hỏi hoạt động giám sát các y u t ế ố trong môi trường vô tuy n bên ngoài hoế ặc bên trong, như phổ ầ t n số, hành vi người dùng, và tr ng thái mạ ạng.
M t truy n thông nh n thộ ề ậ ức đáng tin cậy có th c m nhể ả ận băng thông r ng, phát ộ hiện các h ph và s d ng các h ph này cho truy n thông và khi yêu c u h ố ổ ử ụ ố ổ ề ầ ệ thống không b can nhi u vị ễ ới người dùng chính (Primary User) Truy n thông nh n ề ậ thức trong b i cố ảnh này cũng được g i là mọ ột người dùng th c p (Second User) ứ ấGiao diện cho truy n thông nh n thề ậ ức được d a trên b n th t c chính: c m nhự ố ủ ụ ả ận phổ, qu n lý phả ổ, tính di động và chia s ph ẻ ổ
C m nh n ph là phát hi n các h ả ậ ổ ệ ố phổ ớ ự giúp đỡ ủ v i s c a các k thu t c m nhỹ ậ ả ận phổ như phát hiện bên phát hoặc năng ợlư ng, phát hi n d a trên nhi u, các b l c ệ ự ễ ộ ọ phù h p và phát hi n k t h p Kh ợ ệ ế ợ ả năng của m t m ng truy n thông nh n thộ ạ ề ậ ức để cùng t n t i v i các m ng hiồ ạ ớ ạ ện có khác là được d a vào trên kh ự ả năng cảm nh n s ậ ự t n t i c a các m ng khác Truy n thông nh n th c không ch ồ ạ ủ ạ ề ậ ứ ỉ phải phát hi n các h ệ ố phổ, liên t c giám sát ph ụ ổ mà cũng là cần thiết để giám sát v ngưề ời dùng chính (PU) quay l i Mạ ức độ chính xác th i gian và phát hi n là quan trờ ệ ọng quan tâm đến c m nh n Mả ậ ột số ấn đề v trong c m bi n là: ả ế
- C nh báo l i: Trong khi phát hi n s ả ỗ ệ ự hiện di n cệ ủa người dùng chính (PU) trong vùng lân c n, truy n thông nh n th c nh n thậ ề ậ ứ ậ ấy người dùng chính (PU) ngay c ả khi không có người dùng chính ở hiệ ại Điều này đượn t c g i là báo ọ động l i ỗ
- Quên báo động: N u có mế ột người dùng chính xuất hiện trong môi trường xung quanh c a truy n thông nh n th c và nó không quan sát s ủ ề ậ ứ ự hiện diện của người dùng chính, điều này được gọi là mất phát hiện
Quản lý ph ổ là thu được ph có s n t t nhổ ẵ ố ất để đáp ứng các yêu c u truy n ầ ề thông người dùng Các chức năng bao gồm phân tích ph ổ và sau đó lựa chọn băng t n theo các yêu cầ ầu người dùng M t truy n thông nh n thộ ề ậ ức s ẽthực hi n t t nhệ ố ất s d ng các tài nguyên có s n hoử ụ ẵ ặc người dùng người mà h ệ thống đã xác định và s có kh ẽ ả năng thích ứng v i các tài nguyên mớ ới được tìm th Truy n thông nhấy ề ận thức c n ph i miêu t , thi t lầ ả ả ế ập, lưu trữ và phân tích những thông tin đã thu thập để những th t c tủ ụ ối ưu thích hợp có th ể được đưa ra Các tham số hoạt động khác nhau và các tham s truy n cố ề ần được phân tích liên tục để ế k t h p t t nh t các ợ ố ấ thông s có th ố ể được điều chỉnh để duy trì chất lượng d ch v (QoS) M t s các k ị ụ ộ ố ỹ thu t tậ ối ưu đã được s d ng bao g m trí tu nhân t o và các k thu t tính toán ử ụ ồ ệ ạ ỹ ậ mềm.
1.3.3 Tính thay đổi của ph ổ
Tính thay đổ ủi c a ph hay chuyổ ển giao đề ập đế c n s ự thay đổ ủ ầi c a t n s ho t ố ạ động hoặc băng tần Tính thay đổ ải x y ra khi truy n thông nh n thề ậ ức thay đổi băng t n c a nó sau khi phát hi n tín hiầ ủ ệ ệu người dùng chính (PU) Truy n thông nhề ận thức c n ph i chuy n sang m t t n s khác, vi c duy trì các yêu c u truy n thông ầ ả ể ộ ầ ố ệ ầ ề liên t c trong su t quá trình chuyụ ố ển đổi để ử ụ s d ng phổ ốt hơn Đ ề t i u này được thực hiện để đạt được chất lượng d ch v (QoS) t t nh t có th Tị ụ ố ấ ể ốc độ ữ ệ d li u, thông lượng, SNR ti m tàng là m t s tham s quan tr ng cho quyề ộ ố ố ọ ết định khi chuy n giao ể được yêu c u cho duy trì kầ ết nối liên t ục.
M t khi m t truy n thông nh n th c bi t t n s phát c a nó, nó thông báo cho ộ ộ ề ậ ứ ế ầ ố ủ bên thu c a nó v ủ ề băng tầ ựn l a chọn do đó một kênh truyền thông thông thường có thể được thi t l p Bên cế ậ ạnh đó, một phương pháp lập trình ph chính xác ổ được cung c p Nó có th ấ ể được coi là tương tự ớ v i các vấn đề MAC chung trong các h ệ thống hi n có ệ
Khả năng nhận th c cung c p c m nh n ph trong khi c u hình l i cho phép các ứ ấ ả ậ ổ ấ ạ đài phát vô tuyến đượ ự độc t ng lập trình theo môi trường vô tuy n Truy n thông ế ề nhận th c có th đưứ ể ợ ập trình để phát và thu được l c trên các d i t n s và s d ng ả ầ ố ử ụ các công ngh truy c p truyệ ậ ền khác nhau được h b i thi t k ỗtrợ ở ế ếphần c ng c a nó ứ ủ
Khái ni m truy n thông nh n thệ ề ậ ức đưa ra tập trung ch y u vào ngôn ng ủ ế ữ biểu diễn thông tin vô tuy n và làm th nào truy n thông nh n th c có th ế ế ề ậ ứ ể tăng cường s ự linh ho t c a các d ch v không dây cá nhân Truy n thông nh n thạ ủ ị ụ ề ậ ức được coi là m t ph n nh cộ ầ ỏ ủa phần vật lý để ử ụ s d ng và cung c p thông tin t ấ ừ môi trường.
Mục đích cuối cùng c a truy n thông nh n thủ ề ậ ức là thu được ph s n có t t nhổ ẵ ố ất thông qua kh ả năng nhận th c và c u hình lứ ấ ại như đã mô tả trên Khi h u h t ph ầ ế ổ đã được phân chia, thách th c quan tr ng nh t là chia s ph ứ ọ ấ ẻ ổ được c p phép mà không ấ gây nhi u v i bên phát c a nhễ ớ ủ ững người dùng được c p phép Truy n thông nhấ ề ận thức cho phép vi c s d ng ph không s d ng t m thệ ử ụ ổ ử ụ ạ ời, được g i là h ph ho c ọ ố ổ ặ kho ng trả ắng Nếu băng tần này ti p tế ục được s d ng bử ụ ởi người dùng được cấp phép, truy n thông nh n th c di chuyề ậ ứ ển đến m t h ộ ố phổ khác hoặc ở ạ l i trong cùng băng tần giống nhau, thay đổi m c công su t phát ho c lứ ấ ặ ập trình điều ch tránh ế để nhiễu như trong hình 1.2
1.4 Các thách th c c a truy n thông nh n th c ứ ủ ề ậ ứ
Tùy thu c vào các ph n c a ph có sộ ầ ủ ổ ẵn cho truy n thông nh n th c, truy n thông ề ậ ứ ề nhận thức được phân bi t theo hai cách [9]: ệ
- Truy n thông nh n thề ậ ức băng tần được cấp phép: Trong đó truyền thông nhận thức có kh ả năng sử ụng các băng tầ d n phân chia t i nhớ ững người dùng được c p phép, ngoấ ại trừcácbăng tần không được c p phép ấ
Các thách th ức củ a truy n thông nh n th c ề ậ ứ
Tuy nhiên, nh ng thách th c cho vi c th c hi n c a truy n thông nh n th c là liên ữ ứ ệ ự ệ ủ ề ậ ứ quan đến giao di n ệ
Vấn đề quan tr ng c a truy n thông nh n th c c m nh n ph là trong vi c thiọ ủ ề ậ ứ ả ậ ổ ệ ết k các thi t b c m nh n ph ế ế ị ả ậ ổchất lượng cao và các thu t toán cho viậ ệc trao đổ ữi d liệu c m nh n ph gi a các nút M t phát hiả ậ ổ ữ ộ ện năng lượng đơn giản không th m ể đả b o phát hi n chính xác tín hi u hi n diả ệ ệ ệ ện, xu hướng cho các k thu t c m nh n ph ỹ ậ ả ậ ổ phứ ạp hơn và yêu cầc t u thông tin v c m nh n ph ề ả ậ ổ để được trao đổi gi a các nút ữ thường xuyên
Khi hoạt động d a trên m t kênh tín hi u duy nhự ộ ệ ất, chất lượng d ch v ị ụ giảm xuống do gián đoạn c m nh n phả ậ ổ Điều này có th ể giảm nh b i DFH (Dynamic ẹ ở Frequency Hopping), nơi mà truyền d liữ ệu được th c hi n mà không b gián đoự ệ ị ạn song song v i c m nh n ph Tuy nhiên, trong m t c m các m ng t bào lớ ả ậ ổ ộ ụ ạ ế ớn hơn, nhảy t n có th dầ ể ẫn đến các vấn đề quan tr ng n u không có k ch b n ph i h p ọ ế ị ả ố ợ đượ ử ục s d ng Vì v y, các nh n th c cậ ậ ứ ần được đưa vào cho ph i h p gi a các m ng ố ợ ữ ạ t ế bào để có được các hoạ ột đ ng chất lượng dịch v ụ (QoS) và thông lượng tốt hơn.
M t vộ ấn đề cơ bản quan tr ng trong các m ch vô tuy n là phi tuy n và th i gian ọ ạ ế ế ờ biến thiên t nhiên c a nó Vì v y, cùng v i các tín hi u mong mu n, nhi u hài và ự ủ ậ ớ ệ ố ề các d i tả ần bên cũng được sinh ra Do đó, có phát sinh một nhu cầu để giải quyết vấn đề này và đề xuất các giải pháp khác nhau Hơn nữa, kho ng tr ng s ả ắ ẽ thường không đượ ậc t p trung m t khu v c c th c a ph M t k ch b n nhi u kh ở ộ ự ụ ể ủ ổ ộ ị ả ề ả năng là m t ph , v i m t s ộ ổ ớ ộ ố phân đoạn băng trung bình tới băng hẹp tr ng M t truyắ ộ ền thông nh n th c có th ậ ứ ể chọn một phân đoạn tr ng duy nhắ ất, nhưng là sau đó giới hạn băng thông và dung lượng Các truy cập động c a ph ủ ổ không được c p phép ấ thông qua vô tuy n nh n th c yêu c u các m ch vô tuy n linh ho mà có th làm ế ậ ứ ầ ạ ế ạt ể việc ở ộ ầ m t t n s vô tuy n b t k M t giố ế ấ ỳ ộ ải pháp tác động m nh s t p trung vào s ạ ẽ ậ ử d ng nhiụ ều các phân đoạn tr ng trong song công ắ
1.4.2 Quản lý tài nguyên vô tuy n ế
Các lĩnh vực đột phá khác trong công ngh ệ này là để nh n ra các k thu t và ậ ỹ ậ thuật toán cho qu n lý tài nguyên vô tuy n bao g m gi i quy t các vả ế ồ ả ế ấn đề ủ c a thiết k m t thi t b ế ộ ế ị hoặc thu t toán cho phát hi n không s d ng ch ậ ệ ử ụ ỉ được phân b các ổ tần được c p phép hoấ ặc không được c p phép Sau khi phát hi n ph , các thu t toán ấ ệ ổ ậ cần được xác định theo dõi v kho ng tr ng Nh ng kho ng trề ả ắ ữ ả ắng được s d ng ử ụ theo thiết kế ắ s p x p phân b ế ổphổ
Thay đổi liên t c t c là dụ ứ ịch băng tần s t m t t n s t i t n s khác ngay sau ố ừ ộ ầ ố ớ ầ ố khi người dùng được c p phép mu n s d ng t n s ấ ố ử ụ ầ ố được phân b c a nó s đưổ ủ ẽ ợc xem xét Đồng th i các chuyờ ển đổ ừ ộ ứi t m t ng d ng t i ng dụ ớ ứ ụng khác cũng sẽ ph i ả liên t c Các tham s ụ ố như lưu lượng, tốc độ ữ d u, và tliệ ốc độ ử x lý là quan tr ng và ọ các tham s quan tr ng trong thiố ọ ết kế các thuật toán cho đánh giá và điều khi n ph ể ổ
Ngoài vi c này, t ệ ự đánh giá nhiễu và nhiễu ở các nút mạng khác cũng là mộ ế ốt y u t quan trọng để xem xét
Truy c p ph ng trong các mậ ổ độ ạng không dây dường như tốt hơn bên tương ứng truy nh p ph c nh cho truy n thông nh n thậ ổ ố đị ề ậ ức Nó được thực hi n r ng ph vô ệ ằ ổ tuy n nhanh sinh ra ế hiệu năng truyền và xác su t ch n tấ ặ ốt hơn tạo cho nó là lựa chọn cho các m ng th h ti p theo ạ ế ệ ế
Trong khi n n t ng ph n m m nh n di n vô tuyề ả ầ ề ậ ệ ến (SDR) được hình dung cho công ngh truy n thông nh n th c là có giá tr , s phát tri n c a công ngh truyệ ề ậ ứ ị ự ể ủ ệ ền thông nh n th c là v n còn ậ ứ ẫ ở giai đoạn d a trên khái niự ệm do đó nhiều thách thức trong vi c cung cệ ấp đảm b o chả ất lượng d ch v (QoS) cho nhị ụ ững người dùng chính, c m nh n ph và ph n hả ậ ổ ả ồi/đánh giá c a thông tin kênh/bên c nh Nhiủ ạ ều người dùng th c p phứ ấ ải độ ậc l p giám sát các hoạt động người dùng được c p phép ấ và sau đó trao đổi các đánh giá phổ có s n Tuy nhiên, ẵ ở đây đã có giới h n tìm ạ kiếm trong thi t k các giao th c phù hế ế ứ ợp cho trao đổi thông tin gi a các nút m ng ữ ạ c m nhả ận trong môi trường nh n thậ ức thay đổi
Các k thuỹ ật chọn kênh khác nhau cần được khai thác cho cơ hội truy nh p phậ ổ
L a ch n các k thuự ọ ỹ ật như nhả ầy t n s , theo dõi t n s và mã hóa t n s có th ố ầ ố ầ ố ể được s d ng Trong khi nh y t n s là tử ụ ả ầ ố ối ưu trong các k ch b n mà hoị ả ạt động người dùng chính thay đổi cao, theo dõi t n s là phù hầ ố ợp hơn cho các trường hợp tương đối tĩnh Mã hóa tần s xu t hi n không ố ấ ệ có ý nghĩa giúp thông lượng trên nh y t ả ần. 1.4.4 Các chính sách quy định
M t trong nh ng mộ ữ ối quan tâm cơ ảb n cho cùng t n t i c a các thi t b không ồ ạ ủ ế ị dây không đồng nh t là quy n t tr so vấ ề ự ị ới quy định Cấp phép được tìm th y là phù ấ h p nh t cho chu k ợ ấ ỳ lưu lượng công suất cao Do đó, cần phải xác định bao nhiêu c p phép là tấ ối ưu.
Hai yêu c u quan ầ trọng như xung đột cho tiêu chuẩn được phát tri n là s ể ựthỏa mãn các tham s ốchất lượng d ch v ị ụ (QoS) và đồng th i cung c p c m nh n ph tin ờ ấ ả ậ ổ c y mà là m t công vi c khó Gi i pháp tậ ộ ệ ả ối ưu cần được tìm cho c m nh n chính ả ậ xác trong kho ng th i gian nh ả ờ ỏ nhất có thể Cũng trễ truy cập, thông lượng và BER phải trong các gi i h n cho phép cho truy n thông thành công Ngoài ra, s lướ ạ ề ố ợng chuy n giao ph i liên t c và tể ả ụ ối ưu hóa Mặt khác, nó phải được đảm b o r ng ả ằ truyền thông người dùng chính (PU) là không r ng bu c ằ ộ can nhiễu.Do đó, cần phải t p trung vào các thông s k thu t và phân tích chi ti t h các giao th c truyậ ố ỹ ậ ế ỗtrợ ứ ền thông nh n th c (CR) và ki n trúc c a nó ậ ứ ế ủ
Các lĩnh vự ứ c ng d ng cho truy n thông nh n th c ụ ề ậ ứ
V i s ớ ự ra đờ ủi c a truy n thông nh n th c, ti m ề ậ ứ ề năng được nghiên c u cho khai thác ứ các chức năng của nó v i nhi u ứng dụớ ề ng khác nhau M t s các ng d ng sau [9]: ộ ố ứ ụ 1.5.1 C i thi n s d ng ph ả ệ ử ụ ổ
Rõ ràng v i s phát tri n c a công ngh ớ ự ể ủ ệ cũng như các thiế ị không dây tăng t b cao do đó nhu cầu ph ổ ngày càng tăng đã khuyến khích suy nghĩ do thiếu ph Tuy ổ nhiên, ph v n còn nhiổ ẫ ều nhưng sử ụ d ng kém hi u qu V i s ệ ả ớ ự giúp đỡ ủ c a các thiết
13 b ị như truyền thông nh n th c hoậ ứ ạt động trên cơ hội truy nh p ph (Opportunistic ậ ổ Spectrum Acess), s d ng ph s ử ụ ổ ẽ tăng lên khi nó chi m các kho ng tr ng b ng cách ế ả ố ằ s d ng các h ử ụ ốphổ
Những cách có th đưể ợc nghiên c u cho qu n lý tài nguyên vô tuy n tứ ả ế ốt hơn cho phát tri n d a trên trể ự ạng thái được cho rằng tăng cường s d ng d ng ph và trong ử ụ ụ ổ khuynh hướng gi i quy t vả ế ấn đề khan hiếm phổ
Trao đổi thông tin gi a các m ng khác nhau ho c các nút m ng v i hoữ ạ ặ ạ ớ ạt động truy n thông nh n thề ậ ức như một đường d n gi a chúng là m t kh ẫ ữ ộ ả năng như vậy Điều này đã mở đường cho các ng d ng không dây m i mà có th khai thác các ứ ụ ớ ể khả năng của các ki n trúc truy n thông nh n thế ề ậ ức khác nhau để tương tác, cùng tồn t i và làm vi c v i nhau liên t c v i h sinh thái Kh ạ ệ ớ ụ ớ ệ ả năng tương tác cung cấp m t ộ liên k t truy n thông c n thi t v i m t h ế ề ầ ế ớ ộ ệ thống truy n thông không dây mà cho ề phép các nhóm t hai hay nhiừ ều hơn các thực th ể khác nhau để tương tác với nhau và để trao đổi thông tin theo một phương pháp đã quy định để đạt được các k t qu ế ả d ự đoán được.
The Institute of Electrial and Electronic Engineers (IEEE) đưa ra định nghĩa tổng quát được ch p nh n cấ ậ ủa khả năng tương tác như sau [10]:
Khả năng của hai hay nhi u h th ng ho c các thành phề ệ ố ặ ần để trao đổi thông tin và s dử ụng thông tin mà đã được trao đổi
Có hai cách trong đó khả năng tương tác có thể đạt được là: a Khả năng tương tác bằng cú pháp
N u hai ho c nhi u m ng/h ế ặ ề ạ ệthống có kh ả năng truyền thông và trao đổ ữi d liệu mà không yêu c u b t k nút/h ầ ấ ỳ ệthống trung gian nào, chúng được chọn để thểhiện khả năng tương tác bằng cú pháp Các định d ng d liạ ữ ệu được ch nh, các giao ỉ đị thức truyền thông và như là cơ bản Toàn b , các tiêu chu n Extensive Markup ộ ẩLanguage (XML) ho Structured query Language (SQL) cung c p kh ặc ấ ả năng tương
14 tác b ng ký t Kh ằ ự ả năng tương tác bằng ký t ự được yêu c u cho b t k n l c cầ ấ ỳ ỗ ự ủa khả năng tương tác hơn nữa b Khả năng tương tác ằb ng ngữ nghĩa
N u hai hay nhi u h ế ề ệ thống/m ng không có kh ạ ả năng trao đổi thông tin của riêng chúng, chúng yêu c u m t n n t ng chung b sung cùng t n t i Kh ầ ộ ề ả ổ ồ ạ ả năng tươngtác ng ng bằ ữ nghĩa là khả năng để ự độ t ng hiểu thông tin trao đổ có ý nghĩa i và chính xác để đưa ra những k t qu hế ả ữu ích theo định nghĩa bởi những người dùng đầu cu i c a c hai h thố ủ ả ệ ống Để đạt được kh ả năng tương tác bằng ng ữ nghĩa, c hai bên ph i theo mả ả ột mô hình liên quan đến s ự trao đổi thông tin thường xuyên
N i dung c a các yêu cộ ủ ầu trao đổi thông tin s đưẽ ợc xác định rõ ràng
Ngoài hai lĩnh vự ức ng d ng trên c a truy n thông nh n th c, có r t nhi u ng ụ ủ ề ậ ứ ấ ề ứ d ng g n li n v i truy n thông nh n th c do các lụ ắ ề ớ ề ậ ứ ợi ích thu đượ ừc t các công ngh ệ có sẵn như MIMO, beam forming, OFDM, tự thi t l p ho c thích ế ậ ặ ứng… Một cải thi trong s ện ố này như sau:
Các chính sách ph : Vì các l i ích c a vi c s d ng ph tổ ợ ủ ệ ử ụ ổ ốt hơn, nó sẽ có xu hướng mang l i nh ng c i cách trong các chính sáạ ữ ả ch quy định c a phân b ủ ổphổ
Chất lượng liên k t: Nh ng truy n thông nh n th c thích ng v i công su t ế ữ ề ậ ứ ứ ớ ấ phát, các lập trình điều ch ếhoặ ử ỗc s a l i và nh n th c t h c h i t ậ ứ ừ ọ ỏ ừnhững thông tin có t ừ trước giúp cung c p chấ ất lượng liên kế ốt hơn.t t
Kết luận chương
Chương này đã giới thiệu các đặc tính và các ng d ng cho truy n thông nh n ứ ụ ề ậ thức Nh ng l i ích mà công ngh truy n thông nh n thữ ợ ệ ề ậ ức đem lạ ẽi s gi m thi u ả ể được tình tr ng kham hi m phạ ế ổ, cũng như sử ụ d ng ph hi u qu ổ ể ả hơn Tuy nhiên, công ngh này có nh ng thách thệ ữ ức đòi hỏi các gi i pháp hi u qu V i nh ng tính ả ệ ả ớ ữ năng nổi tr i và linh ho t, công ngh này s là l a ch n cho các m ng th h ti p ộ ạ ệ ẽ ự ọ ạ ế ệ ế theo trong tương lai.
OFDM CHO TRUY N THÔNG NH N TH C Ề Ậ Ứ
Gi i thi u ớ ệ
V i nh ng công ngh m i và s ớ ữ ệ ớ ố lượng ngày càng tăng của thi t b không dây, ế ị phổ vô tuyền đang trở nên khan hi m Mế ặt khác, đo lường cho th y nh ng vùng ph ấ ữ ổ rộng ít khi đượ ử ục s d ng trong h u h t th i gian trong khi nhầ ế ờ ững băng khác đượ ửc s d ng nhi u [1] Tuy nhiên, nh ng ph n c a ph không s d ng ụ ề ữ ầ ủ ổ ử ụ được c p phép và ấ do đó không th ể đượ ử ục s d ng b i nhở ững người dùng khác V yậ , đây là nhu cầu cho m t công ngh m i mà có th có l i t ộ ệ ớ ể ợ ừnhững ph ổ ít đượ ử ụng đó Truyềc s d n thông nhận th c là m t gi i pháp t t cho bài toán chèn ph b ng cách ứ ộ ả ố ổ ằ đưa ra những cơ hội s d ng nhử ụ ững băng tần mà không s d ng nhi u b i nhiử ụ ề ở ều dùng được c p phép ấ
Nó có th ể được xác định như là hệ thống không dây thông minh, nh n thậ ức được môi trường xung quanh thông qua c m nh n ả ậ và đo lường
M t h ộ ệ thống s dử ụngthông tin đã có để ậ l p k ếhoạch những hoạt động tương lai và thích ứng để ả c i thi n toàn b ệ ộ chất lượng truyền thông và đáp ứng nhu cầu người dùng M t trong nh ng khía c nh chính c a truy n thông nh n th c là kh ộ ữ ạ ủ ề ậ ứ ả năng khai thác các phổ không s dử ụng để cung c p cách th c m i cho truy n thông ấ ứ ớ ề
Do đó, truyền thông nh n th c có kh ậ ứ ả năng nhận th c và có kh ứ ả năng cảm nh n ậ được môi trường hoạt động c a nó và t ủ ự động điều ch nh các tham s vô tuy n phù ỉ ố ế hợp Đố ới v i truy n thông nh n thề ậ ức để đạt được m c tiêu này, t ng v t lý (PHY) ụ ầ ậ c n ph i r t linh ho t và thích ng Mầ ả ấ ạ ứ ột trường hợp đặc bi t cệ ủa truyền đa sóng
16 mang được biết như là OFDM, là một trong nh ng công ngh ữ ệ được s d ng r ng ử ụ ộ rãi trong h ệthống không dây hi n nay và nó có tiệ ềm năng thỏa mãn các yêu c u nói ầ trên c a truy n thông nh n th c B ng cách chia quang ph ủ ề ậ ứ ằ ổ thành băng con mà được điều ch vế ới nhưng sóng mang trực giao, OFDM lo i b s c n thi t cho b ạ ỏ ự ầ ế ộ cân bằng và do đó làm giảm s ựphứ ạc t p c a bên thu Bủ ởi vì các tính năng nổi trội của nó, OFDM đã được s d ng thành công trong nhi u công ngh không dây bao ử ụ ề ệ
Mô hình h ệ th ống OFDM cơ bả n
Một sơ đồ khối đơn g ải n c a h ủ ệ thống OFDM trong hình 2 trong m t kênh 1 ộ fading đa đường, do ch n l c t n s , m i sóng mang có th có s suy gi m khác ọ ọ ầ ố ỗ ể ự ả nhau Công su t trên m t vài sóng mang có th b mấ ộ ể ị ất đáng kể hơn so với công suất trung bình b i fading ở sâu K t qu là, tế ả ổng BER có th b gây ra b i m t vài sóng ể ị ở ộ mang v i m c công su t thớ ứ ấ ấp Để giảm s suy gi m c a hiự ả ủ ệu năng hệ thống do vấn đề này, mã hóa kênh có th ể được s dử ụng trước khi điều ch các bit Mã hóa kênh ế có th ểgiảm đáng kể BER ph thu c vào tụ ộ ốc độ mã hóa, b ộgiải mã ph c t p và mứ ạ ức SNR trong s các y u t khác ố ế ố Chèn cũng được áp d ng cho s ụ ựxuất hi n c a bit lệ ủ ỗi ngẫu nhiên và đưa vào hệ ố th ng mi n nhi m v i l i t c thì Mã hóa và chèn d li u ễ ễ ớ ỗ ứ ữ ệ là ánh x t i nhạ ớ ững điểm chòm sao để thu được nh ng ký t d ữ ự ữ liệu Bước này được th c hi n b i khự ệ ở ối điều ch trong hình 2 Chuế 1 ỗi ký t d liự ữ ệu được chuy n ể đổi sang ký t d liự ữ ệu song song mà được dẫn đên khối biến đổi Fourier r i r c ờ ạ ngược (IDFT) để thu được nh ng ký t OFDM mi n th i gian Các m u mi n th i ữ ự ề ờ ẫ ề ờ gian là 1]: [1
- X(k) là ký t ự được phát trên sóng mang th ; ứk
Hình 2 1 Sơ đồkhối của một máy thu phát t ng quát [11] ổ
Tín hi u mi n thệ ề ời gian được m r ng chu k tránh nhi u liên ký t ở ộ ỳ để ễ ự (ISI) dư thừ ừa t các ký t ự OFDM trước Tín hi u s ệ ố băng tần cơ sở được chuy n thành tín ể hiệu tương tự thông qua b chuyộ ển đổ ố sang tương tựi s (DAC) Tiếp đó, tín hiệu được đưa tới đầu vào t n s vô tuy n (RF) Tín hi u chuyầ ố ề ệ ển đổi tăng lên tạ đầi u vào t n s vô tuyầ ố ến bằng cách s dử ụng b ộ trộn t n, b khuầ ộ ếch đại tín hi u s dệ ử ụng khuếch đại công su t (PA), và phát tín hiấ ệu thông qua ăng-ten
Phía bên thu, tín hiệu thu được thông qua b l c lo i b nhiộ ọ ạ ỏ ễu băng thông và chuyển đổi tín hi u v ệ ề băng tần cơ sở ởi đầ b u vào RF B chuyộ ển đồi tương tự sang s (ADC) s hóa tín hiố ố ệu tương tự và l y m u l i tín hiấ ẫ ạ ệu Sau đó, đồng b t n s ộ ầ ốvà thời gian, ti n t tu n ề ố ầ hoàn (Cyclic Prefix) được lo i b và tín hiạ ỏ ệu được biến đổi sang mi n t n s s d ng b ề ầ ố ử ụ ộbiến đổi Fourier r i r c (DFT) Mờ ạ ột mô hình băng tần cơ sở đơn giản c a các ký t ủ ự thu được trong mi n t n s [11]: ề ầ ốlà
- Y(k) là ký t ự thu được trên sóng mang th ứk;
- H(k) là đáp ứng t n s c a kênh trên sóng mang gi ng nhau; ầ ố ủ ố
- W(k) là nhiễu, được gi s là nhi u Gaussian ng u nhiên v i giá tr trung ả ử ễ ẫ ớ ị bình không
Biến đổi OFDM b ng phép cu n trong mi n th i gian thành phép nhân trong ằ ộ ề ờ miề ần t n số, và do đó bộ cân b ng mi n t n s có th s dằ ề ầ ố ể ử ụng để khôi ph c nh ng ụ ữ ký t ự đã truyền Sau khi biến đổi Fourier r i r c, các ký t ờ ạ ự được giải điều ch , loế ại b ký t chèn và giỏ ự ải mã để thu những bit thông tin đã truyền
Hình 2.2 biểu di n m t d ng sóng OFDM trong mi n t n s Hình bi u diễ ộ ạ ề ầ ố ể ễn những sóng mang tr c giao tín hiự ệu đã điều ch Cho mế ột băng thông, kênh truyền thông ảnh hưởng t i các tham s thi t k c a h ớ ố ế ế ủ ệthống OFDM Các tham s chính ố c a m t h ủ ộ ệ thống OFDM là kho ng ký t , kho ng cách sóng mang, chi u dài ti n t ả ự ả ề ề ố tuần hoàn (CP)
Tín hi u bên phát truy n t i bên thu bệ ề ớ ằng đường truyền theo t m nhìn ầ thẳng(Line- -Sight) hoof ặc đường truyền b tán x , ph n x b i môi ị ạ ả ạ ở trường được g i là ọ không theo t m nhìn th ng (№ne-Line- -Sight) Tín hi u b ầ ẳ of ệ ị phản x , tán x bạ ạ ởi môi trường, tín hiệu thu được là t ng c a tín hi u phát v i nhổ ủ ệ ớ ững độ ợ l i và nh ng ữ trễ khác nhau b i tín hiở ệu kênh đa đường
Hình 2 3 Minh h ọa fading đa đường [11] Ảnh hưởng chính của kênh đa đường trên tín hi u thu là fading ch n l c t n s ệ ọ ọ ầ ố và nhi u liên ký t (ISI) Fading ch n l c t n s là kênh không ễ ự ọ ọ ầ ố ảnh hưởng đế ấ ản t t c các thành ph n t n s c a cân b ng tín hi u mà là k t qu trong s ầ ầ ố ủ ằ ệ ế ả ựbiến d ng c a tín ạ ủ hiệu thu được M t khác, nhi u liên ký t (ISI) là nhi u gi a các ký t OFDM Do ặ ễ ự ễ ữ ự thu được nhi u b n sao c a tín hi u v i nh ng tr khác nhau, m t ký t có th phát ề ả ủ ệ ớ ữ ễ ộ ự ể x ạ năng lượng c a nó vào ký t theo sau N u không x lý, c fading ch n l c tủ ự ế ử ả ọ ọ ần s và nhi u liên ký t (ISI) có th dố ễ ự ể ẫn đến gi m hiả ệu năng của h th ng ệ ố
Cân b ng thông ằ thường được s dử ụng để làm cân b ng hiằ ệu năng đa đường B ộ cân b ng có th ằ ể xem như làm tăng độphứ ạc t p h ệthống, do độphứ ạc t p của nó tăng lên ph thu c vào s ụ ộ ố lượng các kênh đa đường Trong h ệ thống OFDM, b cân ộ b ng là c n thiằ ầ ết Để tránh nhi u liên ký t (ISI), kho ng ký t ễ ự ả ự được m r ng b ng ở ộ ằ cách thêm băng tần b o v u m i ký t ả ệ ở đầ ỗ ự như ở ề ố ầ ti n t tu n hoàn (CP) N u xác ế định tr lan truy n (ho c tr ễ ề ặ ễ đa đường) của kênh như là độ ễ tr gi a nhữ ững đường
20 thu được đầu tiên và cu i cùng trên kênh, ti n t tuố ề ố ần hoàn (CP) nên dài hơn độ ễ tr đó Mặt khác, fading ch n l c t n s ọ ọ ầ ố tránh được b ng cách gi m kho ng cách sóng ằ ả ả mang hoặc tăng số lượng sóng mang Xác định kênh k t hế ợp băng thông có thể được xem là kênh phẳng Khi đó, tín hiệu OFDM có th ểđược xem như là nhóm các tín hiệu băng hẹp, bằng cách tăng số lượng sóng mang, băng thông của m i sóng ỗ mang (khoảng cách sóng mang) tr nên hở ẹp hơn Bằng vi c ch n kho ng cách sóng ệ ọ ả mang nh ỏ hơn băng thông mỗi kênh, m i sóng mang s b ỗ ẽ ị ảnh hưởng b i kênh ở phẳng và do đó không có cân bằng kênh clà n thi t ầ ế
Hiệu năng của kênh cần được xem xét trong thi t k h th ng OFDM ế ế ệ ố di động Đố ới v i các h th ng truy n thông c nh, kênh có th đưệ ố ề ố đị ể ợc xem là không đổi theo thời gian Tuy nhiên, n u bên phát hoế ặc bên thu là di động, thì kênh s ẽ thay đổi theo thời gian trong fading nhanh c a tín hi u thu Th i gian củ ệ ờ ủa kênh được xem như là không đổi Để tránh ảnh hưởng fading nhanh, th i gian ký t ờ ự OFDM đượ ực l a ch n ọ ngắn hơn thời gian c a kênh Trong mi n t n s , ủ ề ầ ố tính di động dẫn đến m t tr i ph ộ ả ổ c a tín hi u là ph thu c vào t n s ủ ệ ụ ộ ầ ốhoạt động và tốc độ tương đối gi a bên phát và ữ bên thu, cũng coi là trải Doppler Tr i Doppler c a các tín hi u OFDM dả ủ ệ ẫn đến nhiễu liên sóng mang (ICI) mà có th ểgiảm được bằng cách tăng khoảng cách sóng mang
Tóm lại, khi tăng thời gian ký t làm giự ảm ảnh hưởng nhi u liên ký t (ISI), thễ ự ời gian ký t ựngắn hơn thỏa mãn để tránh fading nhanh c a tín hi u Khi gi m kho ng ủ ệ ả ả cách sóng mang làm gi m nhi u liên sóng mang (ICI), kho ng cách sóng mang hả ễ ả ẹp hơn giúp tránh chọ ọ ần l c t n số Như mộ ấn đề ự ế ở đây tồ ạt v th c t , n t i m t giá tr t i ộ ị ố ưu của các tham s s đưố ẽ ợ ử ụng để ảc s d c i thi n hiệ ệu năng hệ ố th ng
Trong ph n này, m t h ầ ộ ệ thống một người dùng đã trình bày, ở đây giá trị kênh đượ ử ục s d ng b i mở ột người dùng Mà OFDM c a h th ng không ph i là k thu t ủ ệ ố ả ỹ ậ đa truy nhập Tuy nhiên, nó có th ể được k t h p v i nhiế ợ ớ ều phương pháp truy nhập để cho phép nhiều người dùng để truy nh p vào kênh có s n M t s nh ng k thu t ậ ẵ ộ ố ữ ỹ ậ đa truy nhập ph bi n có th đưổ ế ể ợc s d ng b i h thử ụ ở ệ ống OFDM là TDMA, đa truy
21 nhập c m biả ến sóng mang (CSMA), đa truy nhập phân chia theo t n s (FDMA) và ầ ố CDMA Ngoài ra, m t k t hộ ế ợp TDMA và FDMA được biết như là đa truy nhập phân chia theo t n s ầ ốtrực giao (OFDMA) cũng có thể Trong các mô hình h ệthống trên, nhi u t ễ ừ những người dùng khác và các công ngh ệ khác (như nhiễu cùng kênh, nhiễu kênh li n k , nhiề ề ễu băng hẹp…) ợc cho thành các điềđư u ki n nhiệ ễu đơn giản Tuy nhiên, trong th c t khi tín hiự ế ệu thu được b ị giảm b i nhi u, m t mô hình chính ở ễ ộ xác hơn cần phải đượ ử ụng, trong đó điềc s d u ki n nhi u s b ệ ễ ẽ ị ảnh hưởng méo trên m i sóng mang khác nhau ỗ
Truy n thông nh n th ề ậ ứ c d ự a trên OFDM
Ứng d ng c a OFDM t i truy n thông nh n thụ ủ ớ ề ậ ức mang đến nh ng khía c nh ữ ạ m i và thách th c cho thi t k h ớ ứ ế ế ệ thống Mô hình d a trên OFDM nh n th c xét ự ậ ứ trong hình 2.4 Mục đích của nhận th c là ứ thực hi n nh ng quyệ ữ ết định thông minh và c u hình vô tuy n và các tham s t ng v t lý H ấ ế ố ầ ậ ố phổ được nh n bi t b i khậ ế ở ối quyết định d a trên thông tin t b ự ừ ộ chính sách cũng như bộ ữ d u c m bi n ph liệ ả ế ổ m ng và khu vạ ực [11]
Hình 2 4 Sơ đồkhố ệi h thống truyền thông nh n thậ ức dựa trên OFDM [11]
B chính sách cung c p thông tin t i b ộ ấ ớ ộ nhận thức liên quan đến nh ng chính ữ sách hi n tệ ại được xem như phụ thu c vào v trí c a h ộ ị ủ ệ thống Điều này đảm bảo r ng truy n thông nh n th c s không s d ng nh ng sóng b t h p pháp hoằ ề ậ ứ ẽ ử ụ ữ ấ ợ ặc vi phạm các chính sách M t khác, kh i c m nh n ph khu v c x lý thông tin ph và ặ ố ả ậ ổ ự ử ổ nhận d ng nhạ ững người dùng được cấp phép đang truy nhập ph , ổ những đặc điểm k thu t tín hiỹ ậ ệu như là băng thông và mức công su t và ấ nhận d ng h ạ ố phổ mà có thể khai thác b i truy n thông nh n th c M t ở ề ậ ứ ộ thông tin đã yêu cầu có hi u l c, khệ ự ối quyết định có th t o m t ti n trình t t nh t cho h ể ạ ộ ế ố ấ ệ thống Quyết định bao g m lồ ựa chọn mã hóa kênh thích hợp, điều ch , t n s hoế ầ ố ạt động và băng thông Công ngh ệ OFDM được đưa ra với những đặc điểm thích ng và r t linh ho t B i không ch ứ ấ ạ ở ỉ thay đổi nh ng tham s c u hình cữ ố ấ ủa OFDM (như trong bảng 2.1) và vô tuy n, h ế ệ thống nh n th c có th giao ti p v i nhi u công ngh truy nh p vô tuy n trong môi ậ ứ ể ế ớ ề ệ ậ ế trường, mà còn có th tể ối ưu đường truy n ph thuề ụ ộc vào đặc tính môi trường
M ch vô tuyạ ến được chia thành m t ph n s (IF s , ADC và DAC) và m t phộ ầ ố ố ộ ần tương tự (vô tuyến tương tự ế ợ k t h p ph n m m) C hai phầ ề ả ần đều được c u hình l i ấ ạ b i b ở ộ nhận thức để tăng tính linh ho t c a h ạ ủ ệ thống Bao gồm điều khi n t n s ể ầ ố hoạt động, băng thông, các bộ ọ l c và b tr n Các tham s ộ ộ ố ăng-ten (s ố lượng ăng- ten, t o chùm) có th ạ ể được cấu hình để ả c i thi n hiệ ệu năng hệ ố th ng
B ng 2 1 Tiêu chu n không dây d a trên OFDM [11] ả ẩ ự
20 1,75 t i 20 ớ 6, 7, 8 8 Đa truy nhập CSMA OFDMA/TDMA OFDMA/TDMA N/A
OFDM là phù h p v i truy n thông nh n th c ợ ớ ề ậ ứ
Những kh ả năng cảm nhận cơ bản và s p x p ph cùng v i tính m m d o và tính ắ ế ổ ớ ề ẻ thích ng làm cho OFDM phù h p nh t cho nh ng h ứ ợ ấ ữ ệ thống truy n thông nhề ận thức [11]
2.4 C m nh n và nh n th c ph 1 ả ậ ậ ứ ổ
Truy n thông nh n th c có th phân tích ph ề ậ ứ ể ổ và đo những đặc tính kênh khác nhau như công suất, can nhi u và nhi u nhi t H th ng có th nh n bi t tín hi u ễ ễ ệ ệ ố ể ậ ế ệ c a nhủ ững người dùng khác nhau trong ph ổ và cũng nhận bi t nế ếu chúng là người dùng được c p phép hoấ ặc người dùng mượn ph t n Nh ng kh ổ ầ ữ ả năng này cho phép h ệ thống truy n thông nh n th c nh n bi t nh ng ph không s d ng và nhề ậ ứ ậ ế ữ ổ ử ụ ững thích h p ợ phổ
Tuy nhiên, v i h ớ ệ thống đi mượn điều đó là quan trọng không để can nhi u vễ ới những h thệ ống được cấp phép khác đang sử ụ d ng ph , nhổ ững đo ờ lư ng khác s c n ẽ ầ phải đảm b o m t thông báo nhi u thông su t gi a nhả ộ ễ ố ữ ững người dùng mượn ph ổ
M t cách ti p cộ ế ận là để chia s thông tin c m nh n ph ẻ ả ậ ổ giữa các thi t b truyế ị ền thông nh n th c phậ ứ ức tạp đểgiảm ho c lo i b ặ ạ ỏ khả năng của nhi u v i nhễ ớ ững người được c p phép M t khác, nh ng thu t toán ph c tấ ặ ữ ậ ứ ạp hơn có thể được s d ng cho ử ụ c m nh n ph ả ậ ổ
B ng 2 2 Truy n thông nh n th c OFDM [11] ả ề ậ ứ
Những yêu c u truy n ầ ề thông nh n th c ậ ứ Điểm m nh c a OFDM ạ ủ
C m nh n ph ả ậ ổ Hoạt động FFT c a OFDM d dàng c m nh n ph trong ủ ễ ả ậ ổ miề ần t n s ố
T n d ng ph ậ ụ ổhiệu qu ả D ng sóng có ạ thể được định hình d ng bễdà ằng cách đơn giản là t t m t s ắ ộ ố sóng mang, nơi người dùng chính t n ồ t ại.
Thích ng/kh ứ ả năng mở rộng
Những h th ng OFDM có th ệ ố ểđược thích ng v i nh ng ứ ớ ữ môi trường truy n khác nhau và nh ng tài nguyên có s n ề ữ ẵ Các tham s bao gố ồm: kích thước FFT, kho ng cách ả sóng mang, kích thước CP (Cyclic Prefix), điều ch , mã ế hóa, công su t sóng mang ấ
Các k thuỹ ật ăng-ten tiên ti n ế
Các k thuỹ ật MIMO thường được s d ng v i OFDM ử ụ ớ b i giở ảm độ phứ ạc t p b cân bộ ằng OFDM cũng hỗ trợ ăng-ten thông minh
Khả năng tương tác V i WLAN (IEEE 802.11), WMAN(IEEE 802.16), ớ
WRAN (IEEE 802.22), WPAN (IEEE 802.15.3a) t t c ấ ả s dử ụng OFDM như những k thu t t ng v t lý, kh ỹ ậ ầ ậ ả năng tương tác trở nên d ễ dàng hơn so với các công ngh khác ệ Đa truy nhập và phân b ổphổ
H ỗ trợ cho truy nh p nhiậ ều người dùng được k ế thừa trong thi t k h ế ế ệ thống b ng vi c phân chia các nhóm ằ ệ sóng mang t i nhớ ững người dùng khác (OFDMA)
Miễn nhi m nhi u ễ ễ băng Ảnh hưởng nhiễu băng hẹp ch m t vài sóng mang trong ỉ ộ
25 h p ẹ h ệ thống OFDM Các sóng mang đó có thể đơn giả ắt n t đi
Trong khi đó, hiệu qu c a c m nh n ph và quá trình phân tích là quan tr ng ả ủ ả ậ ổ ọ cho m t tri n khai thành công c a truy n thông nh n th c, th i gian x lý có th ộ ể ủ ề ậ ứ ờ ử ểlà quan trọng hơn Tính chu kỳ ủ c a c m nh n ph ả ậ ổ nên được rút ngắn đủ để cho phép phát hi n ph m i ệ ổ ớ và cùng lúc để phát hi n nhệ ững người dùng được c p phép truy ấ cập những thành phần trước đó đã xác định như chưa sử d ng c a ph M t khác, ụ ủ ổ ặ n u c m nh n ph ế ả ậ ổ được làm như vậy thường xuyên, chi phí c a vi c chia s thông ủ ệ ẻ tin đó sẽ tăng, giảm hi u qu ph c a toàn h th ng mà không c p n s gia ệ ả ổ ủ ệ ố đề ậ đế ự tăng độ ph c t p h th ng Trong h th ng OFDM, chuyứ ạ ệ ố ệ ố ển đổ ừi t mi n th i gian ề ờ sang mi n t n s ề ầ ố đạt được v n b ng cách s d ng DFT ố ằ ử ụ Do đó, tất c ả các điểm trong h ệ thống th i gian-t n s có th ờ ầ ố ể được phân tích mà không c n nhi u phầ ề ần c ng và tính toán b i dùng l i ph n c ng c a biứ ở ạ ầ ứ ủ ến đổi nhanh Fourier (FFT) S ử d ng h ụ ệthống th i gian-t n s , vi c l a ch n s d ng s n có (nh ng h ờ ầ ố ệ ự ọ ử ụ ẵ ữ ốphổ) có th ể đượ ử ục s d ng nghiên c u gi thuyứ ả ết đơn giản K t qu u ra DFT có th ế ả đầ ể đượ ọc l c qua phương diện th i gian và t n s giờ ầ ố để ảm tính thay đổi trong phát hi n Vi c gi i ệ ệ ả quyết hệthống t n s là ph thu c vào kho ng cách sóng mang ầ ố ụ ộ ả
Sau khi m t h ộ ệ thống truy n thông nh n th c phân tích ph ề ậ ứ ổ và xác định nh ng ữ người dùng được c p phép và nhấ ững cơ hội có th dùng, tiể ếp đến là s p x p ph ắ ế ổ Theo lý thuy t, h ế ệthống được yêu c u phân b ầ ổnhững người dùng nh n thậ ức được t do s dự ử ụng những ph n cầ ủa ph s n có không s d ng ổ ẵ ử ụ
Những người dùng nh n th c có th linh ho t s p x p ph tín hiậ ứ ể ạ ắ ế ổ ệu được truy n ề
H ệthống được yêu c u phầ ải điều khiển các tham s ố như là băng thông tín hiệu, mức công su t, t n s trung tâm, và h u h t các m t n ấ ầ ố ầ ế ặ ạ phổ linh ho H ạt ệ thống OFDM có th cung c p tính linh hoể ấ ạt như vậy là do đặc tính c a tín hi u OFDM B ng cách ủ ệ ằ vô hi u hóa m t t p các sóng mang, ph c a các tín hi u OFDM có th ệ ộ ậ ổ ủ ệ ể được sắp
26 x p thích ế ứng để phù h p vào m t n ợ ặ ạ phổ được yêu c ầu Giả ử s m t n ặ ạ phổ hoàn toàn đã được bi t h th ng truy n thông nh n th c, vi c l a ch n nh ng sóng ế ở ệ ố ề ậ ứ ệ ự ọ ữ mang không th s dể ử ụng được là một xử lý tương đối đơn giản
Các tham s chính c a m t h ố ủ ộ ệ thống OFDM có th ể đượ ử ụng để ắc s d s p x p ph ế ổ tín hi u là s ệ ố lượng sóng mang, công su t, và các b lấ ộ ọc xung Tăng số lượng băng thông có một băng thông c nh cho phép h ố đị ệthống OFDM có quyết định cao hơn trong mi n t n s Tuy nhiên, ề ầ ố những k t qu ế ả này làm tăng độ phức t p c a hoạ ủ ạt động FFT và do đó tăng độ ph c t p trên toàn h th ng ứ ạ ệ ố
Công su t sóng mang có th ấ ể đượ ử ụng để ắc s d s p x p tín hi u vào m t n ế ệ ặ ạ đã yêu c u Mầ ột lý do để gán nh ng sóng mang nh ng công suữ ữ ất khác nhau là để phù hợp tốt hơn với đáp ứng kênh Lý do khác là đểgiảm nhi u kênh li n k t m t h ễ ề ề ừ ộ ệthống OFDM b ng cách gi m công suằ ả ất gán t i nh ng sóng mang biên ớ ữ
Hình 2 5 C m nh n ph và s p x p s d ng OFDM [11] ả ậ ổ ắ ế ử ụ
M t ví d v c m nh n ph và nh ng th t c s p x p trong h ộ ụ ề ả ậ ổ ữ ủ ụ ắ ế ệ thống truyền thông nh n th c dậ ứ ựa trên OFDM được minh h a trên hình 2.5ọ Hai người dùng được cấp phép được xác định s dử ụng đầu ra c a kh i FFT, và nh ng sóng mang ủ ố ữ mà có th gây can nhi u tể ễ ới người dùng được c p phép b ấ ị loạ ỏ Bên phát sau đó i b
27 s d ng t do nh ng ph n ph cho truy n tín hi u Ngoài ra, nh ng b l c xung có ử ụ ự ữ ầ ổ ề ệ ữ ộ ọ th ể cũng được sử ụng để d giảm can nhi u t i nhễ ớ ững băng liền k ề
2.4.3 Thích ng vứ ới môi trường
Thích ng là m t trong các yêu c u quan tr ng cho truy n thông nh n th c ứ ộ ầ ọ ề ậ ứ
B ng cách k t hằ ế ợp đo thông tin (cảm nh n) v i tham s ậ ớ ốhiệ ại n t có th và gi i h n ể ớ ạ c a h ủ ệ thống, truy n thông nh n th c có th thích ng nh ng d ng sóng cùng hoề ậ ứ ể ứ ữ ạ ạt động v i nh ng thi t b truy n thông khác, ch n các kênh truy n thông ho c m ng ớ ữ ế ị ề ọ ề ặ ạ thích h p nhợ ất để truy n t i, phân b t n s thích h p truy n trong m t vùng ph ề ả ổ ầ ố ợ để ề ộ ổ trống, thích ng v i dứ ớ ạng sóng để cân b ng cho m t tín hi u kênh fading và b ng ằ ộ ệ ằ không
OFDM cung c p m s linh ho t trong vấ ột ự ạ ấn đề này như là số lượng các tham s ố cho thích ng khá l n Các tham s truy n t i có th ứ ớ ố ề ả ể được thay đổi d a trên cự ảm nhận ph bao gổ ồm băng thông, kích thước FFT, b l c, c a sộ ọ ử ổ, điều ch , công su t ế ấ phát và sóng mang hoạt động đượ ử ụng đểc s d truyền Hơn nữa, các tham s có th ố ể được điều ch nh tùy thuỉ ộc vào đặc tính của môi trường để ối ưu việ t c truy n bao ề gồm: kích thước ti n t ề ố tuần hoàn, tốc độ ể/ki u mã hóa, kiểu điều chế, phương pháp chèn, m u dẫ ẫn đường, phương pháp ghép kênh.
Trong h ệthống không dây cũ, thường các tham s c a nh ng thuố ủ ữ ật toán như là tốc độ mã hóa, đã thích ứng để ối ưu đườ t ng truy n Tuy nhiên, trong h ề ệ thống OFDM nh n th c, ki u thuậ ứ ể ật toán như là phương pháp mã hóa kênh có thể cũng được điều chỉnh để đạt được kh ả năng tương tác ớ v i các h th ng khác hoệ ố ặc để ố t i ưu đường truyền Để đạt được như vậy, một nề ản t ng ph n cầ ứng đầy đủlà cần thi ết. 2.4.4 Các k thuỹ ật ăng-ten tiên ti n ế
Thách th ứ c đ ố i với hệ thố ng OFDM nh n th c ậ ứ
Như là mộ ệ ốt h th ng thông minh v i nhớ ững đặc tính như là cảm nh n, thích ng, ậ ứ và h c h i, truy n thông nh n th c miêu t ọ ỏ ề ậ ứ ảnhững đặc tính c a h ủ ệthống không dây v i h a h n cung c p các gi i pháp cho nhi u bài toán truy n thông khác nhau Tuy ớ ứ ẹ ấ ả ề ề nhiên, v i công ngh m i này, nh ng thách th c m i xu t hi n Nh ng thách thớ ệ ớ ữ ứ ớ ấ ệ ữ ức này được chia thành ba lo i Loạ ại đầu tiên bao g m nh ng thách thồ ữ ức đối v i h ớ ệ thống OFDM là t l công suỷ ệ ất đỉnh-trung bình (PAPR), c m nh n bù t n s và ả ậ ầ ố nhiễu pha, đồng bộ… Nhóm thứ hai bao g m nh ng vồ ữ ấn đề đố i v i t t c truy n ớ ấ ả ề thông nh n thậ ức như là cảm nh n ph , thích ng ậ ổ ứ giữa các t ng, tránh can nhi u ầ ễ Nhóm th ba là nh ng thách th c mà xu t hi n khi công ngh ứ ữ ứ ấ ệ ệ OFDM đượ ử ụng c s d bởi hệthống truy n thông nh n th c [11] ề ậ ứ
Thách th c ch y u trong h ứ ủ ế ệ thống truy n thông nh n th c OFDM là s p xề ậ ứ ắ ếp phổ Trong h th ng d a trên OFDM, s p x p ph ệ ố ự ắ ế ổ là xác định nh ng sóng mang ữ đượ ử ục s d ng v i h th ng OFDM trong khi v n gi can nhi u t i và t ớ ệ ố ẫ ữ ễ ớ ừ người dùng chính m t m c th p M t khi thông tin c m nh n ph ở ộ ứ ấ ộ ả ậ ổ đã thu được, thông tin này s ẽ đượ dùng để ực l a chọn các sóng mang để được s d ng b i nhử ụ ở ững người dùng thứ ấ c p/nh n th c Vậ ứ ấn đề này còn thêm bởi xác định năng lượng trên m i sóng ỗ
31 mang Hơn nữa, m t tiêu chuộ ẩn xác định được s dử ụng để quyết định s d ng ử ụ những sóng mang C m nh n ph liên quan tr c ti p t i vả ậ ổ ự ế ớ ấn đề ả c m nh n v i nh n ậ ớ ậ d ng h ạ ốphổ Tuy nhiên, truy n thông nh n th c có th b a ề ậ ứ ể ỏqu nhiều ph ng ph ổtrố ụ thu c vào yêu công suộ ất và lưu lượng m ng ạ
2.5.2 Ki u thu t toán làm gi m hiể ậ ả ệu năng
Khi những sóng mang được s dử ụng đã được xác định, ở đây có thể nhiều sóng mang b ị loạ ỏi b Trong trường hợp như vậy, hiệu năng của thu t toán FFT có th ậ ể tăng và/hoặc th i gian th c hi n có th ờ ự ệ ể được gi m b i lo i b các hoả ở ạ ỏ ạt động t ừ những giá tr u vào b ng không, x ị đầ ằ ử lý đã biết như là giảm b t Ki u nh ng thu t ớ ể ữ ậ toán gi m hiả ệu năng là quan trọng cho h ệthống OFDM nh n thậ ức để đạt được hiệu năng cao
2.5.3 Các tham s tín hi u phát ố ệ
H ệthống OFDM có th ể điều ch nh d ng sóng b i tỉ ạ ở ắt đi một vài sóng mang trong thứ ự ự t th c hi n nh ng h ph s n có ệ ữ ố ổ ẵ như hình 2.5 Tuy nhiên, bên thu s ẽ được biết v ề những sóng mang mà b ị loại b ỏ và được s d ng Tín hi u c a thông tin này ử ụ ệ ủ được th c hi n c n th n trong th t ự ệ ẩ ậ ứ ự ngăn ặch n can nhi u tễ ới người dùng chính trong khi v n gi ẫ ữ băng thông mất mát nh ỏnhất Xác định nh ng sóng mang không ữ đượ ử ụng cũng có thểc s d khó th c hi n Tuy nhiên, thông tin t t nh t là không làm ự ệ ố ấ việc trong khu vực chưa biết Một phương pháp để ạ h n ch ế là đầu tiên là nh ng ữ sóng mang hoạt động/không hoạt động được th c hi n trên m t kh i các sóng mang ự ệ ộ ố thay vì m i sóng mang riêng lỗ ẻ Do đó, phụ thu c vào chộ ất lượng kênh và tài nguyên có s n, các tham s ẵ ố như kích thước FFT, kích thước CP… có thể được thay đổi và thông tin này cũng được truy n t i bên thu ề ớ
2.5.4 Đồng b ộ Đồng b là vộ ấn đề quan tr ng c n ph i quan tâm trong h th ng OFDM Nhi u ọ ầ ả ệ ố ễ băng hẹp có th nhi u v i phể ễ ớ ần đầu, là m t trong nhộ ững khó khăn Hơn nữa, t p ậ hợp sóng mang không đầy đủ có th là vể ấn đề cho phần đầu và b n tin dả ẫn đường có th ể rơi vào những sóng mang không đượ ử ục s d ng nếu được s dử ụng Hơn nữa,
32 nếu đa truy nhập người dùng được s d ng, nh ng sóng mang có th ử ụ ữ ể được phân chia t i nhớ ững người dùng khác nhau Để đả m b o tr c giao gi a các sóng mang và ả ự ữ tránh can nhi u, tễ ất cả người dùng được đồng b v i bên thu ộ ớ Như vậy, phần đầu dài hơn là cần thi t trong h th ng truy n thông nh n th c OFDM so v i h th ng ế ệ ố ề ậ ứ ớ ệ ố thông thường
Nhiễu tương hỗ được xem xét k khi thi t k h ỹ ế ế ệ thống truy n thông nh n thề ậ ức Những búp bên c nh cạ ủa các sóng mang OFDM được điều ch là lế ớn như hình 2 7
Do đó, công su t phát x t nhấ ạ ừ ững sóng mang được s d ng t i nh ng sóng mang ử ụ ớ ữ b ng không là nguyên nhân nhi u tằ ễ ới người dùng được c p phép Nhiấ ều phương pháp được đề xuất để ả gi m phát x này và cho phép cùng t n t i c a h th ng nh n ạ ồ ạ ủ ệ ố ậ thức OFDM v i nh ng h ớ ữ ệthống người dùng c p phép chính ấ
Hình 2 7 M ậ ột đ phổ công suất của một sóng mang OFDM đơn [11]
2.5.6 OFDM đa băng tần Đối v i nh ng h th ng s dớ ữ ệ ố ử ụng các băng phổ ầ t n r ng, tín hi u ộ ệ đa băng tần giống như là tổng băng thông được chia thành các băng nhỏ hơn có thể ch ng minh ứ là tốt hơn sử ụ d ng tín hiệu băng tần đơn Trong khi sử ụ d ng một băng tần đơn thì đơn giản hóa thi t k h th ng, x lý m t tín hiế ế ệ ố ử ộ ệu băng rộng yêu c u xây d ng ầ ự
33 m ch RF ph c tạ ứ ạp hơn cho phát/thu tín hiệu Ngoài ra, ADC tốc độ cao được yêu cầu để ấ l y m u và s hóa tín hiẫ ố ệu Hơn nữa, cân b ng kênh ph c tằ ứ ạp cao hơn cũng là c n thiầ ết để thu được đủ năng lượng tín hiệu đa đường cho x lý ti p M t khác, ử ế ặ tín hiệu đa băng tần suy gi m yêu c u trên ph n c ng h ả ầ ầ ứ ệthống là chia ph ổnhỏ hơn được x lý t i m t thử ạ ộ ời điểm Hơn nữa, phân chia ph ổ thành các băng nhỏ hơn cho phép phân b ổphổ ốt hơn Hệ t thống có th ểloạ ỏ ột vài băng sẵn có để đạt được i b m các mục tiêu khác (như tránh can nhi u, ti t ki m công su t, cho phép truy cễ ế ệ ấ ập nhiều người dùng) Đố ới v i truy n thông nh n th c d a trên OFDM, khi nào thích hề ậ ứ ự ợp để ử ụ s d ng đa băng tần và khi nào s dử ụng đơn băng tần Đưa ra mộ ắt s p x p ph ki m tra ch c ế ổ ể ắ chắn, l a ch n s ự ọ ố lượng băng tần phụ thu c vào các tham s ộ ố thay đổi Yêu cầu thông lượng, gi i h n ph n c ng, tính toán ph c t p, s lướ ạ ầ ứ ứ ạ ố ợng các h ph ố ổ và băng thông c a chúng, và m c ủ ứ can nhi u là nh ng ví d v ễ ữ ụ ề những gì có th ể ảnh hưởng đến s l a ch n c a h th ng nh n thự ự ọ ủ ệ ố ậ ức.
Kết luận chương
Truy n thông nh n th c là m t công ngh y h a hề ậ ứ ộ ệ đầ ứ ẹn để giải quy t vế ấn đề khan hi m ph M t khác, k thuế ổ ặ ỹ ật OFDM được s d ng trong nhi u h ử ụ ề ệ thống không dây và được chứng minh như là một phương pháp truyền tin c y và hi u qu ậ ệ ảOFDM được s d ng cho truy n thông nh n th c b i vì kh ử ụ ề ậ ứ ở ả năng của h th ng ệ ốOFDM phù h p B ng cách s d ng truy n OFDM trong các h ợ ằ ử ụ ề ệthống truy n thông ề nhận th c, các h th ng thích ng, c m nh n và linh ho t có th ứ ệ ố ứ ả ậ ạ ể tương tác với các công ngh ệhiệ ạn t i có th ể được thực hi n ệ
BÀI TOÁN PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN CHO H TH NG Ệ Ố
Mô hình h ệ th ố ng
Xét mô hình h ệthống truy n thông nh n th c-Femtocell trong nhà ph c v ề ậ ứ ụ ụcho nhi u ề người dùng chia s cùng ph t n s vẻ ổ ầ ố ới người dùng chính trong k ch b n ị ả truyền đường xuống
Hình 3 2 Mô hình nh n th c Femtocell trong không gian ậ ứ
Hình 3 3 Phân b ổ người dùng chính và người dùng thứ ấ c p trong mi n t n s [ ] ề ầ ố 16
Gi s h ả ử ệthống đã cảm nhận được các h ốphổ và có L người dùng chính v i các ớ băng thông của những người dùng chính lần lượt là B B 1 , 2 , , B L H ệ thống CR phục v ụ cho K người dùng Gi s r ng giá tr ả ử ằ ị băng thông cho máy phát CR được chia thành N sóng mang, mỗi sóng mang có băng thông là f Hz Độ tăng ích công suất kênh: giữa máy phát người dùng CR và máy thu PU th ứ l làH k i sp l , , giữa máy phát CR và sóng mang th cứi ủa người dùng CR thứ klàH k, ss i , giữa máy phát PU và sóng mang th cứi ủa người dùng CR thứ k làH k i ps l , , trạng thái thông tin kênh hoàn toàn được biết trướ ởc máy phát người dùng CR
Mô hình kênh như sau [18]:
H k là độ tăng ích công suất kênh c a sóng mang th củ ứ i ủa người dùng th ứ k, X k i , được dùng miêu t ả ảnh hưởng c a fading PL là thành ph n path loss ủ ầ được tính như sau [18], [19]:
+ Path loss trong t m nhìn th ng: ầ ẳ PL LOS dB 18.7log(d) 46.8 20log f c / 5
+ Path loss không trong t m ầ nhìn:
Trong đó: d là kho ng cách (m) gi a máy phát và máy thu, ả ữ f c là t n s sóng mang (GHz), ầ ố
L Wlà mất mát khi đi qua tường (dB) với L W 5n W đối với tường m ng và ỏ
L n đố ới v i tường dày, n W là s ố lượng tường gi a máy phát và máy thu ữ
Tốc độ truyền cho người dùng CR th c a sóng mang th theo thu t toán ứ k ủ ứ i ậ Shannon là [ ]: 16
- 2 là nhi u Gauss trễ ắng.
- H ss k i , là độ tăng ích của kênh giữa máy phát người dùng CR và máy thu người dùng CR t i sóng mang th cạ ứi ủa người dùng CR th ứk
- P k i , là công suất của sóng mang th cứi ủa người dùng CR th ứk.
là tổng can nhiễu t t t c ừ ấ ả người dùng PU t i sóng mang th cớ ứ i ủa người dùng CR th ứk
D cùng t n to ồ ại những người dùng CR và người dùng PU có những băng tần bên c nh nhau, nên h ạ ệthống có các kiểu can nhi u là t CR t i PU, t PU t i CR [20]ễ ừ ớ ừ ớ
Ta có các mô hình toán đố ới v i các kiểu can nhiễu trong h thệ ống như sau:
A Can n u t CR sang PU hiễ ừ
Giả ử s ph mổ ật độ công su t (PDS) trên sóng mang th i c a CR th [15 ấ ứ ủ ứklà ]:
- P k i , là công su t phát t i sóng mang th ấ ạ ứi của người dùng CR th ứk
Khi đó can nhiễu c a sóng mang th củ ứi ủa người dùng CR thứ sang băng tầ k n PU thứ l là I k i l , Can nhiễu là tích phân c a hàm mủ ật độ công su t c a sóng mang th ấ ủ ứi của người dùng CR th tứk ới băng tần PU th [ ], [ ]: ứllà 15 16
- d k i , l là kho ng cách ph t sóng mang th cả ổ ừ ứ i ủa người dùng CR th tứ k ới băng tần th cứl ủa PU,
- B l là băng thông của băng thứ c a PU, l ủ
- H k,i sp l là độ tăng ích công suất kênh gi a sóng mang th cữ ứi ủa người dùng CR thứ tk ới băng thứ cl ủa người dùng PU;
- F k i , l là h s can nhi u t sóng mang th cệ ố ễ ừ ứi ủa người dùng CR th tứk ới băng
Mậ ột đ phổ tín hi u PU sau khi biệ ến đổi Fourier nhanh (M-FFT) như sau 5], [20]: [1
- PU e j là ph mổ ậ ột đ công suất của tín hi u PU ệ
Can nhiễu b i tín hi u PU th t i sóng sang th c a CR th là tích phân cở ệ ứ l ớ ứ i ủ ứk ủa phổ ậ ộ m t đ công su t cấ ủa tín hi u PU ệ thứ ớ tl i sóng mang th c a CR thứi ủ ứ k là 15 [ ], [ ]: 16
- H k, ps l i là độ tăng ích công su t c a kênh t ấ ủ ừ người dùng PU th tứ ớl i sóng mang thứ ci ủa người dùng CR th ; ứk
- P PU ( ) l là công su t phát cấ ủa băng tần PU th ứl.
Các bài toán phân b công su t ổ ấ
Bài toán là xác định sao cho tổng dung lượng truy n c a nhề ủ ững người dùng CR là l n nh t trong khi vớ ấ ẫn đảm bảo các điều ki n c a c a h ệ ủ ủ ệthống CR và PU Giả ử s
40 r ng mằ ỗi người dùng CR đã được phân b sóng mang v i s ổ ớ ố sóng mang được phân b ổlà N k Bài toán phân b công suổ ất tối ưu sẽ [ ]: là 16
(3.7) Điều ki n v công su t: t ng công su t c a t t c các sóng mang nh ệ ề ấ ổ ấ ủ ấ ả ỏ hơn hoặc b ng ằ quỹ công su t cấ ủa hệ thống 16 [ ]:
(3.9) Điều ki n can nhi u t CR t i PU: t ng nhi u t t t c các sóng mang c a t t c ệ ễ ừ ớ ổ ễ ừ ấ ả ủ ấ ả người dùng trong h th ng CR sang PU th ệ ố ứl nh ỏ hơn hoặc b ng mằ ột ngưỡng nhi u ễ [ ]: 15
(3.10) Để ả gi i bài toán tối ưu giá tr l n nhị ớ ất của hàm lõm ở phương trình (3.7 tương ) đương vớ ối t i thi u hóa giá tr âm cể ị ủa nó như sau [21]:
Thiết lập phương trình Lagrangian với các điều ki n bài toán và điềệ u ki n Karush ệ –Kuhn Tucker (KKT) cùng các h– ệ ố s nhân Lagrange k i , , , l là [21]:
v ớ i l 0 , m ọi l (g) Để tìm nghi m tệ ối ưu P k i * , thỏa mãn các điều ki n và cùng các h s Lagrangianệ ệ ố
, ta đạo hàm phương trình (3.12a) theo P k i * , ta được:
Theo [21] k i , hoạt động như giá trị bù suy bi n, nó có th ế ể được lo i b ạ ỏ k i , như sau:
thì bất phương trình (3.14f có th ) ể đạt được n u ế P k i * , 0b i theo ở điều kiện (3.14 ) thấ ằng:g y r
,khi t đó ừ phương trình (3.14g) ta được:
B i vì không th a mãn vì: ở ỏ
nên P k i * , 0 vi phạm điều kiện phương trình (3.14g), do đó P k i * , 0
Vậy phương trình công suất tối ưu là:
Vậy , l không th ng th i b ng 0 ể đồ ờ ằ nên ta đưa j và c j v i mớ ọi j = {1, 2,…,
L, L+1}, j j v i m ớ ọi j = {1, 2,…, L} và L 1 , và c j F k i , j v i mớ ọi j {1,2,…,L}, c L 1 1 [ ] 16 Khi đó,
Ta thi t l p hai ế ậ t p A và B sao cho nậ ếu j 0thì j A và nếu j 0thì j B Mà , l không đồng th i b ng 0 nên t p A là tờ ằ ậ ập không r ng ỗ Để tính j gi ả ử ằ s r ng j 0v i mớ ọi j = {1, 2,…, L+1}, khi đó B là tập r ng và ỗ giải (L+1) phương trình với (L+1) j điề u ki n ệ như sau:
Nếu P k i * , thỏa mãn h ệ phương trình trên thì P k i * , là nghiệm tối ưu N u không gi ế ả s ử j 0chỉ đúng một giá tr ị j1, 2, , , 1 , L L giả ử ố s s giá tr c a t p B là 1 ị ủ ậ
B 1 Giải tương ứng với L phương trình ềđi u kiên v i ớ j và tìm th y giá tr ấ ị P k i * , t n t i và th a mãn h ồ ạ ỏ ệ phương trình (3.16 , lưu ý giá trị ủ ậ) c a t p B có th là mể ột trong (L+1) phương trình điều ki n ệ j (bởi vì xét t t c (L+1) c a ấ ả ủ j là b ng 0 ằ đúng mộ ầt l n) và t t c ấ ả các trường h p s đượ ẽ ợc tính toán N u bài gi i vế ả ẫn chưa tìm được thì s l p l i cho t i khi s giá tr c a t p B là ẽ ặ ạ ớ ố ị ủ ậ B Lvà A 1 Do đó tính lõm c a hàm (3.7) s ủ ẽ là đáp án duy nh t Bài toán ch ng miấ ứ nh hoàn thành
v ớ i , l thỏa mãn các điều kiện
B Các k ch b n phân bị ả ổ công su t g n tấ ầ ối ƣu
là t ng h s can nhi u t sóng mang th cổ ệ ố ễ ừ ứi ủa người dùng th tứ k ới tất cả băng người dùng PU
Trong ki u phân b công su t này, can ể ổ ấ nhiễu c a m i sóng mang t i t t c ủ ỗ ớ ấ ả băng PU là bằng nhau và b ng [15]: ằ
Khi đó để đả m bảo ngưỡng can nhiễu lên mỗi băng PU th thì: ứl
- P k i , là công suất của sóng mang th cứi ủa người dùng CR th ; ứk
- N là t ng s sóng mang cổ ố ủa hệthống CR Để đả m b o t ng qu công su t c a h th ng thì: ả ổ ỹ ấ ủ ệ ố
(3.19) Để pth a mãn t t c ỏ ấ ả các điều ki n thì: ệ
- N là t ng s sóng mang cổ ố ủa hệthống CR;
- P T là tổng qu công suỹ ất của hệthống CR phân b cho các sóng mang; ổ
- K k i , là t ng h s can ổ ệ ố nhiễu c a sóng mang th củ ứi ủa người dùng CR th tứk ới tất cả các băng PU.
47 Ở đây ta phân b công su t trên mổ ấ ỗi sóng mang là như nhau và thỏa mãn các điều kiện nhi u Ta có t i công suễ ả ấ ều như sau:t đ Để đả m b o t ng công su t thì công su t trên m i sóng mang sả ổ ấ ấ ỗ ẽ [16]: là
N Để đả m bảo ngưỡng can nhi u lên mễ ỗi băng PU thì công suất trên m i sóng ỗ mang s bẽ ằng giá tr trung bình cị ủa ngưỡng nhiễu băng PU thứ chia cho t ng h s l ổ ệ ố can nhi u c a t t c các sóng mang c a h ễ ủ ấ ả ủ ệ thống CR lên toàn b ộ các băng PU như sau [16]:
Vậy đểthỏa mãn các điều kiện thì công suất của mỗi sóng mang CR s [16]: ẽlà
- N là t ng s sóng mang cổ ố ủa hệthống CR;
- P T là quỹ công suất của h ệthống CR phân b cho các sóng mang; ổ
- I th l là ngưỡng can nhi cễu ủ băng PU ứa th ; l
- F k i , l h s can là ệ ố nhiễu c a sóng mang th củ ứ i ủa người dùng CR th tứ k ới băng PU thứ l
Phân b u nhóm các sóng mang ổ đề
Một băng tần ph ổtrống không đượ ử ục s d ng s ẽ được phân b ổ cho K người dùng
CR v i t ng s sóng mang c a h ớ ổ ố ủ ệthống là N Mỗi người dùng s k ẽ được phân chia
48 với N k sóng mang Khi không có yêu cầu đặc bi t t CR, ta s ệ ừ ẽ chia đều t ng s ổ ố sóng mang cho những người dùng CR Khi đó:N k N K/
Mô hình mô phỏng và đánh giá
Do h ệ thống nh n th c-Femtocell là h ậ ứ ệ thống trong nhà nên thi t b ế ị người dùng hầu như là cố đị nh Giả ử ệ s h thống CR c m nhả ận được h ố phổ trống là 20 MHz, v i hai ớ người dùng chính s dử ụng các băng thông là 5MHz và 15 MHz, các băng
PU đều phát m c công suở ứ ất là 1w, ngưỡng can nhi u tễ ại các băng PU là như nhau
H ệ thống nh n th c ph c v cho hai ậ ứ ụ ụ người dùng với các sóng mang chia đều cho hai người dùng Nhi u Gaussian tr ng làễ ắ 2 10 w 8 , kho ng ký t ả ự T s 3,2s, băng thông mỗi sóng mang f 0.3125MHz, t n s sóng mang 2,4GHz Khoầ ố ảng cách của người dùng nh n th c th ậ ứ ứnhất và người dùng th hai t i máy phát CR lứ ớ ần lượt là 10m và 5m, kho ng cách cả ủa người dùng nh n th c th nh t và th hai t i ậ ứ ứ ấ ứ ớ máy phát PU lần lượt là 25m và 20m Ph m vi ph c a h ạ ủ ủ ệ thống nh n th c-ậ ứ Femtocell tối đa là 10m Các h ệ thống CR và PU đều dùng trong tòa v i máy phát ớ
PU gây nhi u t i h ễ ớ ệthống CR qua m t bộ ức tường m ng, h ỏ ệthống người dùng nhận thức truy n trong t m nhìn th ng v i h s Ricean K=4,7dB [19], không trong tề ầ ẳ ớ ệ ố ầm nhìn th ng là các giá tr ẳ ịngẫu nhiên phân b Rayleigh v i trung bình b ng 1 ố ớ ằ
K t qu mô ph ng và nh n xét: ế ả ỏ ậ
Hình 3 5 Tổng tốc độ truy n cề ủa các người dùng CR khi qu công suỹ ất của hệ thống CR tăng lên.
Hình 3 6 Tổng can nhi u c a h ễ ủ ệthống CR tớ các băng PU khi quỹi công suất của h ệthống CR tăng lên.
Hình 3 7 Tổng công su t phân b cho các CR khi qu công suấ ổ ỹ ất của hệthống CR tăng lên. Ở hình 3.5, hình 3.6 và hình 3.7, ngưỡng can nhi u lên mễ ỗi băng PU là
I th x và người dùng PU thứnhất và th hai n m cách máy phát CR lứ ằ ần lượt là 2m và 3m Trong hình 3.5 ta thấ ằy r ng phân b công su t tổ ấ ối ưu có tốc độ truyền lớn hơn so với ki u phân b theo k ch b n A và phân b k ch b n B là do s d ng ể ổ ị ả ổ ị ả ử ụ quỹ công su t hi u qu ấ ệ ảnhấ nhưng vẫn đảt m bảo ngưỡng can nhi u tễ ới các băng PU trong hình 3.6 và hình 3.7 Kiểu phân b công su t theo k ch b n A có t ng tổ ấ ị ả ổ ốc độ truyền g n b ng v i ki u phân b tầ ằ ớ ể ổ ối ưu khi quỹ công su t bấ ắt đầu tăng d n và tầ ốt hơn so với ki u phân b k ch b n B do s d ng qu công su t hi u qu ể ổ ị ả ử ụ ỹ ấ ệ ả hơn như hình 3.7 và có m c can nhi u tứ ễ ới các băng PU là khá tốt Kiểu phân b theo kổ ịch b n B có tả ốc độ truy n nh ề ỏnhất do s d ng qu công su t kém hi u qu và m c can ử ụ ỹ ấ ệ ả ứ nhiễ lên các băng PU lạ ấu i x u so v i khi có cùng m c công su t vớ ứ ấ ớ ớ ịi v i k ch b n tả ối ưu và kịch b n A Vả ậy trong trường h p này, k ch b n phân b tợ ị ả ổ ối ưu có tốc độ truy n l n nh t và s d ng qu công su t hi u qu ề ớ ấ ử ụ ỹ ấ ệ ả nhưng vẫn đảm b o m c can ả ứ nhiễ ới các băng PU ịu t K ch b n A l i có tả ạ ốc độ truy n, m c can nhi u và s d ng ề ứ ễ ử ụ quỹ công su t là khá tấ ốt Trong khi đó kịch b n B có tả ốc độ truy n, m c can nhiề ứ ễu và s d ng qu công suử ụ ỹ ất là xấu nh ất.
Hình 3 8 Tổng t c truy n cố ề ủa các CR khi ngưỡng can nhi u t i mễ ớ ỗi băng PU tăng lên
Hình 3 9 Tổng can nhi u c a h ễ ủ ệthống CR lên các băng của người dùng PU khi ngưỡng can nhi u mễ ỗi người dùng tới máy phát CR tăng lên
Hình 3 T ng công su phân b 10 ổ ất ổ cho các người dùng CR khi ngưỡng can nhi u ễ tại mỗi băng người dùng PU tăng lên. Ở hình 3 , hình 3.9 và hình 3.10, qu.8 ỹ công su t c a h th ng CR là ấ ủ ệ ố P T 1wvà kho ng cách cả ủa người dùng PU thứnhất và th hai t i máy phát CR lứ ớ ần lượt là 2m và 3m hình 3 , khi Ở 8 các người dùng PU đều chịu mức ngưỡng can nhiễu tăng lên thì t ng tổ ốc độ truy n c a h ề ủ ệ thống CR cũng tăng lên, phân bổ công su t tấ ối ưu là l n nh t và phân b công su t theo k ch b n A ớ ấ ổ ấ ị ả đạt đượ ổc t ng tốc độ truy n g n tề ầ ốt như phân bổ ối ưu Trong khi đó ở t hình 3.9 thì t ng nhiổ ễu lên người dùng PU phân b công su t tổ ấ ối ưu là xấu nh t ấ nhưng vẫn trong ngưỡng can nhi u tễ ới các người dùng PU do như hình 3.10 kiểu phân b tổ ối ưu tận d ng qu công su t hi u qu ụ ỹ ấ ệ ả nhất V y trong ậ trường h p này, ki u phân b công tợ ể ổ ối ưu vẫn đạt được tốc độ truy n l n nh t và về ớ ấ ẫn đảm bảo các điều ki n, phân b công su t theo k ch b n A ệ ổ ấ ị ả cũng có tốc độ ốt và đả t m b o chả ất lượng d ch v ị ụ cho người dùng chính t t Trong ố khi đó kiểu phân b k ch b n B tổ ị ả có ốc độ truy n kém nh t do s d ng qu công su t ề ấ ử ụ ỹ ấ h ệthống cũng như có mức can nhi u tễ ới các băng PU là không tốt khi cùng s d ng ử ụ quỹ công su t ấ
Hình 3 T ng t11 ổ ốc độ truy n c a các CR v i khoề ủ ớ ảng cách người dùng PU t i máy ớ phát CR
Hình 3 T ng can 12 ổ nhiễu c a hủ ệ ống CR lên các băng của ngườ th i dùng PU khi khoảng cách người dùng tới máy phát CR tăng lên
Hình 3 13 T ng công su t phân b ổ ấ ổ cho các người dùng CR khi khoảng cách người dùng PU tới máy phát CR tăng lên Ở hình 3.11, hình 3.12 và hình 3.13, qu công su t c a h th ng CR là ỹ ấ ủ ệ ố P T 1w và ngưỡng can nhi u tễ ại các băng PU là I th 2 10 wx 8 Ở hình 3.11 và 3.12 khi t t ấ c ả người dùng PU cùng r i xa máy phát CR thì t ng tờ ổ ốc độ truy n cề ủa các người dùng nh n thậ ức tăng lên, trong kiểu phân b công su t tổ ấ ối ưu thì tốc độ truy n là lề ớn nhấ và tănt g nhanh do có t ng m c công su t phân b ổ ứ ấ ổ tăng nhanh nhấ nhưng khi hệt thống nh n thậ ức đạt đến gi i h n cớ ạ ủa điều ki n qu công suệ ỹ ất hay ngưỡng nhi u t i ễ ớ các băng PU thì tốc độ truy n theo ki u phân b theo k ch b n A là nh nh t, kiểu ề ể ổ ị ả ỏ ấ phân b tổ ối ưu và phân b k ch b n B có tổ ị ả ốc độ truy n g n b ng nhauề ầ ằ Ở hình 3.12, khi khoảng cách người dùng PU rời xa máy phát CR thì ngưỡng can nhi u tễ ới người dùng PU gi m d n và ki u phân b công su t theo k ch b n A là nh ả ầ ể ổ ấ ị ả ỏ nhất, kiểu phân b tổ ối ưu và phân bổ ịch k b n B thì có ả can nhi u tễ ới các băng PU gần b ng ằ nhau V y ki u phân b tậ ể ổ ối ưu đạt đượ ốc độ ớc t l n nhất nhưng vẫn đảm bảo được điều ki n nhi u, ki u phân b theo k ch b n A có tệ ễ ể ổ ị ả ốc độ đạ t nh ỏ hơn không đáng kể nhưng có mức can nhi u tễ ới các băng PU lại nh hỏ ơn nhiều so v i phân b tớ ổ ối ưu và phân b k ch b n B ổ ị ả giúp cho đảm bảo đảm chất lượng cho người dùng chính tốt
55 hơn Ki u phân b k ch b n B có tể ổ ị ả ốc độ truyền tăng chậm và gi m c can nhi u lên ữ ứ ễ các băng PU là khá t t ố
V y trong t t c ậ ấ ả các trường h p khi khoợ ảng cách người dùng PU r i xa máy ờ phát nh n th c, qu công su t h ậ ứ ỹ ấ ệ thống nh n thậ ức tăng lên và mức ngưỡng can nhiễ ới các băng tầ người dùng PU tăng thì kiểu t n u phân b công su t tổ ấ ối ưu có tốc độ truy n là l n nh t sề ớ ấ do ử ụ d ng hi u qu qu công su t h th ng ệ ả ỹ ấ ệ ố nhưng vẫn đảm bảo được các điều ki n c a h ệ ủ ệ thống Ki u phân b theo k ch b n A ể ổ ị ả cũng có tốc độ truy n t t g n v i ki u phân b tề ố ầ ớ ể ổ ối ưu và có m c nhi u tứ ễ ới người dùng chính là tốt hơn cả Ki u phân b công su t k ch b n B có t ng tể ổ ấ ị ả ổ ốc độ truy n kém nh t do s ề ấ ử d ng kém hi u qu ụ ệ ả quỹ công su t h ấ ệ thống nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng d ch vị ụ, hơn nữa ki u phân b ể ổ đều được xem là đơn giản tránh ph c t p h ứ ạ ệ thống nhận th c ứ
K ế t lu ận chương
Trong h ệ thống truy n thông nh n th c, viề ậ ứ ệc đảm b o chả ất lượng d ch v là ị ụ quan trọng Chương này đã trình bày các kiểu phân b công su t cho các sóng mang ố ấ c a nhủ ững người dùng CR cùng t n t i vồ ạ ới người dùng PU trong mô hình h ệthống nhận th c-Femtocell trong tòa nhà th a mãn t t c ứ ỏ ấ ả các điều ki n yêu c u trong c ệ ầ ả hai h ệthống người dùng nh n thậ ức và người dùng chính V i các k t qu mô ph ng ớ ế ả ỏ h ệthống truy n thông nh n th c-Femtocell ề ậ ứ ta đã thấy được ki u phân b công suể ổ ất tối ưu là tốt nh t c v tấ ả ề ốc độ truyền và đảm b o chả ất lượng d ch v ị ụ cho người dùng chính
K T LU N Ế Ậ VÀ HƯỚ NG PHÁT TRI N Ể
Truy n thông ngày nay có tề ốc độ phát tri n nhanh v i nh ng d ch v tể ớ ữ ị ụ ốc độ cao nên đòi hỏ ử ụng băng tầ ớn, nhưng băng tần đượi s d n l c c p phép hi n nay lấ ệ ại chưa đượ ử ục s d ng m t cách hi u qu Vì v y, công ngh truy n thông nh n th c là công ộ ệ ả ậ ệ ề ậ ứ ngh có th ệ ể đáp ứng được nhu cầu đó với kh ả năng tận d ng nh ng kho ng ph ụ ữ ả ổ trống mà không được s d ng trong kho ng th i gian nhử ụ ả ờ ất định mà vẫn đảm bảo được chất lượng d ch vị ụ, cũng như can nhiễu lên h thệ ống người dùng được c p ấ phép s dử ụng băng tần đó
V i nhi u công ngh ớ ề ệ hiện t i thì công ngh ạ ệ OFDM được cho là phù h p vợ ới công ngh truy n thông nh n th c b i v i nhệ ề ậ ứ ở ớ ững điểm m nh c a công ngh OFDM ạ ủ ệ đáp ứng được h u h t các yêu cầ ế ầu đưa ra b i công ngh ngh truy n thông nh n ở ệ ệ ề ậ thức, giúp cho truy n thông nh n th c hoề ậ ứ ạ ột đ ng hi u qu ệ ả
H ệ thống truy n thông nh n th c-Femtocell là m t k t h p tuy t không nh ng ề ậ ứ ộ ế ợ ệ ữ giúp tăng độ ph sóng trong nhà mà còn nâng cao vi c s d ng ph t n hi u qu ủ ệ ử ụ ổ ầ ệ ả thôn qua các bài toán phân b tài nguyên v i các g ổ ớ điều ki n ràng buệ ộc đảm b o ch t ả ấ lượng d ch v cho toàn h th ng ị ụ ệ ố
Hướng phát tri n nghiên cể ứu:
Trong tương lai, tôi s nghiên c u s d ng k thuẽ ứ ử ụ ỹ ật đa ăng-ten cho h th ng ệ ố truy n thông nh n th c nh m nâng cao ề ậ ứ ằ hiệu năng cho hệ thống truy n thông nhề ận thức và s d ng công ngh truy n thông nh n th c cho m ng th h ử ụ ệ ề ậ ứ ạ ế ệ tiếp theo (NGN)
1 Mishra S.M, Cabric.D, Chang C, Willkomm D, Van Schewick B, Wolisz A, Brodersen R.W (2005), “A real time cognitive radio testbed for physical and link layer experiments”, New Frontiers in Dynamic Spectrum Access Networks IEEE, pp.562-567
2 Md Manjurul Hasan Khan, Dr Paresh Chandra Barman (2014), The role of “ Cognitive Radio Technology in 4G Communications World Vision Journal, 8(1), ”, pp.142-153
3 Joseph Mitola III, Gerald Q Maguire (1999), “Cognitive radio: making software radios more personal”, Personal Communications IEEE, 6(4), pp -18 13
4 Joseph Mitola III (2001), “Cognitive radio for Flexible Mobile Multimedia Communications”, Springer Mobile Networks and Applications, 6(5), pp.435-441
5 S Haykin (2005), “Cognitive radio: Brain empowered wireless communication”, - IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 3(2), pp.201-220
6 Federal Communications Commission ET Docket (2005) №.3-108
7 Wireless Innovation Forum Sdrf cognitive radio definitions working document, sdrf- -r-0011-v1.0.0 URL http://groups.winnforum.org/d/do/1585 06
8 Ian F Akyildiz, Won-Yeol Lee, Mehmet C Vuran, Shantidev Mohanty (2006),
“Next generation/dynamic spectrum access/cognitive radio wireless networks: A survey”, The International Journal of Coputer and Telecommunications Networking, 50(13), pp 2127-2159
9 Prabhjot Kaur, Moin Uddin, Arun Khosla (2011), “Cognitive Radios: Need, Capabilities, Standards, Applications and Research Challenges , International ”
Journal of Computer Applications, 30(1), pp.31-38.
10 “IEEE Standard Computer Dictionary: A Compilation of IEEE Standard Computer Glossaries (1991), 10.1109/IEEESTD.1991.106963, pp.1-217, ” http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber"67
11 Huseyin Arslan (2007), Congitive radio, software defined radio, and adaptive wireless system, Springer, The Netherlands
12 Chandrasekhar.V, Andrews.J.G, Gatherer Alan (2008), “Femtocell networks: a survey”, IEEE Magazine, 46(9), pp.59-67
13 Siyi Wang, Weisi Guo, Tim O’Farrell (2012), “Low energy indoor network: deployment optimisation”, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2012, 2012:193, doi:10.1186/1687-1499-2013-193
14 http://www.radioaccess.eu/solutions/small-cells
15 G Bansal, M J Hossain and V K Bhargava (2008), “Optimal and suboptimal power allocation schems for ofdm-based cognitive radio systems”, IEEE Transactions on Wireless Communications, 7(11), pp.4710-4718
16 G Bansal, Ziaul Hasan, M J Hossain and V K Bhargava (2010), “Subcarrier and power adaptation for multiuser OFDM-based cognitive radio systems”, Communication (NCC), 2010 National Conference on Digital Object Identifier: 10.1109/NCC.2010.5430230, pp.1-5
17 Tien Hoa Nguyen, Van Duc Nguyen, Hung Manh Tran, Thanh Hieu Nguyen, Tuan Van Le, Viet Kinh Nguyen (2014), “Optimal resource allocation for multiusers FDMA-based cognitive radio with mutual interference threshold”, Advanced Technologies for Communications (ATC), 2014 International Conference on 10.1109/ATC.2014.7043435, pp.477-481
18 Xin Tao, Zhifeng Zhao, Rongpeng Li, Jacques Palicot, Honggang Zhang
(2013), “Downlink interference minimization in cooperative cognitive LTE- femtocell networks”, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2013, 2013:194, doi: 10.1186/1687-1499-2013-194.