Multiple Access chia theo tần số trực giao P/S Parallel-to-Serial Song song sang nối tiếp PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình QAM Quadrature
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Vô tuyến nhận thức
2.1.1 Định nghĩa vô tuyến nhận thức
Thuật ngữ “vô tuyến nhận thức” lần đầu tiên xuất hiện trong một tờ báo năm 1999, được Joseph Mitola III định nghĩa trong [9] như sau: “vô tuyến nhận thức là mô hình vô tuyến sử dụng những suy luận chặc chẽ để đạt được mục tiêu cụ thể đã thiết lập trong các miền vô tuyến liên quan”
Trong một khảo sát về vô tuyến nhận thức của một tờ báo, Simon Haykin đã định nghĩa vô tuyến nhận thức trong [10] như sau: “Vô tuyến nhận thức là một hệ thống truyền thông không dây nhận thức khả năng nhận biết về môi trường xung quanh nó, từ đó học hỏi để thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi tham số hoạt động cụ thể (ví dụ công suất phát, tần số sóng mang, phương thức điều chế) trong thời gian thực, với hai đặc tính chính: Truyền thông độ tin cậy cao tại mọi thời điểm và sử dụng hiệu quả phổ tần số vô tuyến”
FCC trong [11] cũng định nghĩa vô tuyến nhận thức dựa trên nền tản vận hành của máy phát như sau: “Vô tuyến nhận thức là hệ thống vô tuyến mà có thể thay đổi các tham số của máy phát dựa trên sự tương tác với môi trường mà nó hoạt động”
IEEE USA cũng đã đưa ra định nghĩa như sau: “Một bộ phát/thu tần số vô tuyến mà được thiết kế để phát hiện một cách nhận thức các phân đoạn riêng lẻ của phổ tần đang được sử dụng, từ đó có thể truy nhập vào các phổ tần chưa được sử dụng một cách nhanh chóng, linh hoạt, không gây nhiễu tới người dùng được cấp phép”
Tóm lại, ta có thể định nghĩa như sau: Vô tuyến nhận thức là một vô tuyến có khả năng phân tích môi trường xung quanh nó, từ đấy thay đổi các tham số truyền dẫn của nó để sử dụng phổ tần sẵn có một cách hiệu quả
2.1.2 Đặc điểm của vô tuyến nhận thức
Vô tuyến nhận thức có hai đặc điểm chính như sau:
Khả năng nhận thức: Khả năng nhận thức chỉ khả năng mà công nghệ vô tuyến nắm bắt hoặc cảm nhận các thông tin từ môi trường vô tuyến Khả năng này không đơn giản là thực hiện giám sát công suất trong một băng tần số quan tâm mà còn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt sự biến đổi của môi trường vô tuyến theo không gian và theo thời gian nhằm tránh nhiễu ảnh hưởng đến người dùng khác
Thông qua khả năng này, các phần phổ không được sử dụng tại một thời điểm hoặc vị trí nhất định có thể được xác định Từ đó, ta có thể lựa chọn được phổ tốt nhất và các thông số hoạt động phù hợp nhất
Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép thiết bị trong mạng vô tuyến nhận thức có khả năng lập trình tự động theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến Đặc biệt, vô tuyến nhận thức có thể được lập trình để truyền và nhận trên các tần số khác nhau để sử dụng các công nghệ truy nhập truyền dẫn khác nhau được phần cứng hỗ trợ Một số thông số tự cấu hình cần chú ý là: Tần số hoạt động, điều chế, công suất phát, công nghệ truyền
Hình 2.1 Minh họa hố phổ
Hình 2.2 Chu trình nhận thức
Mục tiêu cơ bản của vô tuyến nhận thức là tận dụng được phổ tần có sẵn tốt nhất thông qua khả năng nhận thức và tính tự cấu hình Vì phần lớn phổ tần đã được cấp phép sử dụng, cho nên thách thức quan trọng nhất là sử dụng chia sẻ phổ tần với các người dùng được cấp phép mà không gây nhiễu đến người dùng chính Vô tuyến nhận thức cho phép sử dụng những vùng phổ tần trống theo từng thời điểm, phổ này được gọi là hố phổ hay khoảng trắng Nếu phổ tần này được người dùng chính sử dụng, người dùng vô tuyến nhận thức phải chuyển đến hố phổ khác hoặc phải thay đổi công suất phát, sơ đồ điều chế để tránh nhiễu
Hoạt động của vô tuyến nhận thức có thể được mô tả theo chu trình nhận thức như Hình 2.2
Mạng vô tuyến nhận thức cho phép giao tiếp truyền thông nhận biết phổ Tuy nhiên, việc sử dụng phổ tần động gây ra ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của các giao thức truyền thông thông thường được thiết kế cho các băng tần số cố định.
2.1.3 Các chức năng chính của vô tuyến nhận thức [12]
Các kỹ thuật vô tuyến nhận thức cung cấp khả năng sử dụng và chia sẻ phổ theo cơ hội Các kỹ thuật truy nhập phổ tần động cho phép vô tuyến nhận thức hoạt động trong kênh tốt nhất có sẵn Cụ thể hơn, công nghệ vô tuyến nhận thức cho phép những người dùng nhận thức khả năng: (1) xác định các phần phổ sẵn có và phát hiện ra những người dùng chính khi người dùng đó hoạt động trong băng cấp phép (cảm nhận phổ), (2) lựa chọn kênh tốt nhất có sẵn (quản lý phổ), và (3) đồng truy nhập tới các kênh đó với những người dùng khác (chia sẻ phổ), và (4) bỏ kênh đó khi phát hiện đã có người dùng chính (dịch chuyển phổ)
Một yêu cầu quan trọng của mạng vô tuyến nhận thức là cảm nhận các hố phổ Như đã được đề cập, vô tuyến nhận thức được thiết kế để có thể hiểu biết và nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường xung quanh Chức năng cảm nhận phổ cho phép vô tuyến nhận thức thích ứng với môi trường xung quanh bởi việc phát hiện các hố phổ
Cách hiệu quả nhất để phát hiện các hố phổ là phát hiện các người dùng chính đang truyền nhận dữ liệu trong vùng hoạt động của nó Tuy nhiên, trên thực tế rất khó cho một vô tuyến nhận thức để có thể đo trực tiếp các thông số về kênh đang sử dụng giữa máy phát và thu của người dùng chính Do vậy, phương pháp khả thi đầu tiên là tập trung vào việc phát hiện máy phát chính dựa trên các quan sát cục bộ của các người dùng vô tuyến nhận thức
Nhìn chung, có thể phân loại các kỹ thuật cảm biến phổ là: phát hiện máy phát, phát hiện cộng tác và phát hiện dựa trên nhiễu, như thể hiện trong Hình 2.3.
Hình 2.3 Phân loại các kỹ thuật cảm nhận phổ
Phát hiện dựa trên máy phát:
Vô tuyến nhận thức phải phân biệt giữa các băng tần chưa sử dụng và các băng tần đã được sử dụng Bởi vậy, vô tuyến nhận thức cần có khả năng xác định xem tín hiệu từ máy phát người dùng chính có đang tồn tại trong một băng tần cụ thể hay không
Công nghệ Long Term Evolution (LTE) [13]
2.2.1 Giới thiệu về công nghệ LTE
LTE là thế hệ thứ tư của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối
Các đặc điểm chính của công nghệ LTE được tóm tắt trong Bảng 2.1:
Bảng 2.1 Các đặc điểm chính của công nghệ LTE
Song công FDD, TDD, bán song công FDD
Di động 350Km/h Đa truy cập Đường xuống OFDMA Đường lên SC-FDMA
MIMO Đường xuống 2*2, 4*2, 4*4 Đường lên 1*2, 1*4 Tốc độ dữ liệu đỉnh trong
20MHz Đường xuống: 173Mb/s và 326Mb/s tương ứng với cấu hình MIMO 2*2 và 4*4 Đường lên: 86Mb/s với cấu hình 1*2 Điều chế QPSK, 16QAM và 64QAM
Mã hóa kênh Mã tubo
Các công nghệ khác Lập biểu chính xác kênh, liên kết thích ứng, điều khiển công suất, ICIC và ARQ hỗn hợp
Mục tiêu của LTE là cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao, độ trễ thấp, các gói dữ liệu được tối ưu, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triển khai Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói cùng với tính di động linh hoạt, chất lượng của dịch vụ, thời gian trễ tối thiểu
Các tính năng nổi bật của công nghệ LTE:
Tốc độ dữ liệu cao
Hiệu suất dịch vụ cao
Cùng tồn tại với các thế hệ mạng trước đấy
Để đạt được các mục tiêu hiện tại, một kiến trúc mạng phẳng tối ưu sẽ tập trung vào việc giảm số nút tham gia,從而降低延迟并提升性能。Chiến lược này đã được áp dụng từ phiên bản 7, với sự ra đời của Đường hầm trực tiếp cho phép loại bỏ SGSN trong mặt phẳng người dùng (UP).
Hình 2.12 Phát triển kiến trúc 3GPP hướng tới kiến trúc phẳng hơn
Kiến trúc mạng LTE được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói với tính di động linh hoạt, chất lượng dịch vụ (QoS) và độ trễ tối thiểu Một phương pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm cả thoại thông qua các kết nối gói Kết quả là trong một kiến trúc phẳng hơn, rất đơn giản chỉ với 2 loại nút là nút B phát triển (eNB) và phần tử quản lý di động /cổng (MME/GW) Điều này hoàn toán trái ngược với nhiều nút mạng trong kiến trúc mạng phân cấp hiện hành của hệ thống 3G Một thay đổi lớn nữa là phần điều khiển mạng vô tuyến (RNC) được loại bỏ khỏi đường dữ liệu và chức năng của nó hiện nay được tích hợp vào eNB Một số ưu điểm của việc sử dụng một nút duy nhất trong mạng truy nhập là giảm độ trễ và phân phối của việc xử lý tải RNC vào nhiều eNB Việc loại bỏ RNC ra khỏi mạng truy nhập có thể một phần do hệ thống LTE không hỗ trợ chuyển giao mềm
2.2.2.1 Tổng quan về cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống
Hình 2.13 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc nơi chỉ có một E-UTRAN tham gia Hình này cũng cho thấy sự phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính: thiết bị người dùng (UE), UTRAN phát triển (E-UTRAN), mạng lõi gói phát triển (EPC) và các vùng dịch vụ
UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở lớp kết nối Đây là một phần của hệ thống được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS) Chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP và nó được tối ưu hóa cao cho mục tiêu duy nhất Tất cả các dịch vụ được cung cấp dựa trên IP, tất cả các nút chuyển mạch và các giao diện được nhìn thấy trong kiến trúc 3GPP trước đó không có mặt ở E-UTRAN và EPC Công nghệ IP chiếm ưu thế trong truyền tải, nơi mà mọi thứ được thiết kế để hoạt động và truyền tải trên IP
Hình 2.13 Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN
Sự phát triển của E-UTRAN tập trung vào một nút đấy là nút B phát triển (eNode B)
Tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc ở đó, tức là eNB là điểm kết thúc cho tất cả các giao thức vô tuyến có liên quan E-UTRAN chỉ đơn giản là một mạng lưới của các eNodeB được kết nối tới các eNodeB lân cận với giao diện X2
Một trong những thay đổi kiến trúc lớn trong khu vực mạng lõi là EPC không chứa một vùng chuyển mạch mạch, và không có kết nối trực tiếp tới các mạng chuyển mạch mạch truyền thống như ISDN và PSTN Chức năng của EPC tương đương với vùng chuyển mạch gói của mạng 3GPP hiện tại
Cả hai Hình 2.12 và Hình 2.13 cho thấy phần tử SAE GW, như Hình 2.13 cho thấy đó là sự kết hợp của hai cổng: cổng phục vụ (S-GW) và cổng mạng dữ liệu gói( P-GW), gộp chúng lại với nhau thành SAE GW Cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống và chức năng của nó được ghi trong 3GPP TS 23.401
Thiết bị người dùng (UE)
UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc Thông thường nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại nhận thức, một thẻ dữ liệu như mọi người vẫn đang sử dụng hiện tại trong mạng 2G và 3G hoặc nó có thể được nhúng vào các thiết bị điện tử khác, ví dụ một máy tính xách tay UE cũng có chứa các mođun nhận dạng thuê bao toàn cầu (USIM) Nó là một mođun riêng biệt với phần còn lại của UE, thường được gọi là thiết bị đầu cuối (TE) USIM là một ứng dụng được đặt vào một thẻ nhận thức có thể tháo rời được gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu (UICC) USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyền tải trên giao diện vô tuyến
Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, mà có tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin người dùng cần Điều này bao gồm các chức năng quản lý tính di động như chuyển giao, báo cáo vị trí của thiết bị, và các UE phải thực hiện theo hướng dẫn của mạng Quan trọng nhất là UE cung cấp giao diện người sử dụng cho người dùng cuối để các ứng dụng như VoIP có thể được sử dụng để thiết lập một cuộc gọi thoại
Nút duy nhất trên E-UTRAN là E-UTRAN NodeB (eNodeB) Đơn giản đặt eNB là một trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất cả các chức năng vô tuyến liên quan trong phần cố định của hệ thống Các trạm gốc như eNB thường phân bố trên toàn khu vực phủ sóng của mạng Mỗi eNB thường cư trú gần các anten vô tuyến hiện tại của chúng
Chức năng của eNB hoạt động như một cầu nối giữa 2 lớp là UE và EPC, nó là điểm cuối của tất cả các giao thức vô tuyến về phía UE, và tiếp nhận dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và các kết nối IP cơ bản tương ứng về phía EPC Trong vai trò này các EPC thực hiện mã hóa/giải mã các dữ liệu UP, và cũng có thể nén/giải nén tiêu đề IP, tránh việc gửi đi lặp lại giống nhau hoặc dữ liệu liên tiếp trong tiêu đề IP eNB cũng chịu trách nhiệm các chức năng của mặt phẳng điều khiển (CP) và chịu trách nhiệm về quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), tức là kiểm soát việc sử dụng giao diện vô tuyến, bao gồm: phân bổ tài nguyên dựa trên yêu cầu, ưu tiên và lập lịch trình lưu lượng theo yêu cầu QoS và liên tục giám sát tình hình sử dụng tài nguyên
eNodeB đóng vai trò quản lý tính di động (MM), điều phối eNB và đánh giá tín hiệu vô tuyến từ UE Quá trình này bao gồm truyền tải tín hiệu chuyển giao mạng giữa eNB với MME Khi UE mới được kết nối, eNB sẽ định tuyến đến MME đã quản lý UE trước đó, nếu không khả dụng thì sẽ lựa chọn MME mới.
Hình 2.14 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính
Hình 2.14 mô tả kết nối với eNB phát tới các nút logic và tổng hợp các chức năng chính trong giao diện này Tất cả kết nối eNB có thể là mối quan hệ một - nhiều hoặc nhiều - nhiều eNB có thể phục vụ nhiều UE trong vùng phủ sóng của mình nhưng mỗi UE chỉ được kết nối đến một eNB tại một thời điểm Các eNB cần kết nối với các eNB lân cận trong khi chuyển giao có thể thực hiện được.
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp lại trên một chu kì tín hiệu Vì vậy, phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của sóng mang khác trong hệ thống Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang con
2.3.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM
Nguyên lý cơ bản của hệ thống OFDM là phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao (băng thông W) thành N luồng dữ liệu tốc độ thấp và sau đó truyền chúng đồng thời qua nhiều sóng mang con Một giá trị đủ lớn của N tạo ra băng thông của các kênh con (W/N) hẹp hơn băng thông nhất quán của kênh Các sóng mang con đơn lẻ chỉ có fading phẳng và điều này được bù đắp cho việc sử dụng một bộ cân bằng phân nhánh đơn lẻ miền tần số thông thường Sự lựa chọn sóng mang con đơn lẻ sao cho chúng trực giao với nhau cho phép các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau bởi tính trực giao đảm bảo sự riêng lẻ của sóng mang con tại đầu cuối máy thu Phương pháp này đem lại hiệu quả phổ tần tốt hơn so với các hệ thống FDM – không cho phép chồng lấn giữa các sóng mang con
Hiệu quả phổ tần của hệ thống OFDM được chỉ ra trong Hình 2.19, trong đấy minh họa sự khác nhau giữa kỹ thuật đa sóng mang không chồng lấn thông thường (FDMA) và kỹ thuật điều chế sóng mang chồng lấn (OFDM) Như chỉ ra trong Hình 2.19 việc sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang chồng lấn có thể đạt được hiệu quả phổ tần cao hơn Tuy nhiên việc chấp nhận các lợi ích của kỹ thuật đa sóng mang chồng lấn đồng nghĩa với yêu cầu phải giảm xuyên nhiễu giữa chúng, đó là lý do ta sử dụng tính trực giao giữa các sóng mang con đã điều chế
Thuật ngữ “trực giao” chỉ một quan hệ toán học đặc biệt giữa các tần số của các sóng mang con trong hệ thống OFDM cơ sở Trong hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số thông thường, các sóng mang được tách biệt về mặt không gian sao cho các tín hiệu có thể thu được bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thông thường
Trong các máy thu như vậy, các băng tần bảo vệ được đặt giữa các sóng mang con khác nhau trong miền thời gian, dẫn tới sự lãng phí hiệu quả phổ tần Tuy nhiên, có thể sắp xếp các sóng mang con trong một hệ thống OFDM sao cho các cạnh bên của phổ chồng lấn lên nhau và các tín hiệu vẫn nhận được mà không có nhiễu sóng mang lân cận Máy thu OFDM vì thế có thể được cấu trúc như một tập các bộ giải điều chế, chuyển mỗi sóng mang xuống bộ DC và sau đó tích phân trong một chu kì kí hiệu để khôi phục dữ liệu được phát Những sóng mang con này có thể được tạo ra độc lập tuyến tính nếu khoảng cách sóng mang là bội số của 1/T (T là chu kì kí hiệu)
Hình 2.19 Đa sóng mang thông thường (a) và đa sóng mang trực giao (b)
Tính trực giao của các sóng mang con được duy trì cả trong trường hợp kênh phân tán bằng cách sử dụng tiền tố vòng (CP) CP là phần cuối cùng của một hệ thống OFDM
Hình 2.20 mô tả phổ của một sóng mang đơn lẻ và Hình 2.21 mô tả phổ của một kí hiệu OFDM Tín hiệu OFDM được ghép kênh bởi các phổ riêng lẻ với một khoảng cách tần số tương đương với băng thông truyền dẫn của mỗi sóng mang con như Hình 2.20 Hình 2.21 chỉ ra tại tần số trung tâm của mỗi sóng mang con không có xuyên nhiễu từ các kênh khác Bởi vậy, nếu máy thu hoạt động tương quan với tần số trung tâm của mỗi sóng mang con, nó có thể khôi phục lại dữ liệu truyền mà không bị nhiễu
Thêm vào đó, việc sử dụng kĩ thuật đa sóng mang dựa trên DFT, ghép kênh phân chia theo tần số được thực hiện bởi việc xử lý băng gốc đơn giản hơn xử lý thông tin dài tốn kém
Hình 2.20 Phổ của một sóng mang con OFDM đơn lẻ
Hình 2.21 phổ của kí hiệu OFDM
2.3.3 Mô hình hệ thống OFDM
Hình 2.22 trình bày sơ đồ máy phát thu tín hiệu OFDM điển hình Trong đấy, bao gồm hai phần chính là máy phát và máy thu
Máy phát: Chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang con Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng là các điểm rời rạc
Sau đấy sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) chuyển phổ của các sóng mang con mang dữ liệu vào miền thời gian Tuy nhiên các hệ thống trong thực tế dùng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) vì tính hiệu quả của nó Tín hiệu OFDM trong miền thời gian được trộn nâng tần lên tần số truyền dẫn vô tuyến
Hình 2.22 sơ đồ khối tổng quát của một bộ thu phát OFDM
Máy thu: Thực hiện hoạt động ngược lại của phía phát Theo đó, trước hết trộn hạ tần tín hiệu RF thành tín hiệu băng tần cơ sở, sau đó sử dụng FFT để phân tích tín hiệu vào miền tần số Cuối cùng thông tin ở dạng biên độ và pha của các sóng mang con được giải điều chế thành các luồng số và chuyển trở lại thành dữ liệu số ban đầu
2.3.4 Ưu nhược điểm của OFDM
Từ những gì đã trình bày ở trên, ta có thể rut ra một vài ưu và nhược điểm như sau:
Sử dụng băng tần hiệu quả
Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu giữa các kí hiệu ISI và giữa các sóng mang con ICI bằng cách chèn thêm khoảng bảo vệ
Phù hợp với hệ thống băng rộng, do ảnh hưởng của phân tập về tần số đối với chất lượng hệ thống được giảm nhiều so với hệ thống truyền dẫn đơn sóng mang
Sử dụng việc mã hóa kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại các kí hiệu bị mất do hiện tượng chọn lựa tần số
Ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu hơn so với hệ thống đơn sóng mang
Hệ thống có cấu trúc thu đơn giản
Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng Điều này gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất phía phát và thu
Sử dụng khoảng bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng lại giảm đi một phần hiệu suất đường truyền, do bản thân khoảng bảo vệ không mang thông tin
Do yêu cầu về trực giao giữa các sóng mang phụ, hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler cũng như sự dịch tần và thời gian do sai số đồng bộ.
Vô tuyến nhận thức trên nền OFDM [12]
2.4.1 Vô tuyến nhận thức – OFDM Ứng dụng của OFDM vào vô tuyến nhận thức đem lại nhiều xu hướng cũng như nhiều thách thức mới trong việc thiết kế hệ thống Mô hình vô tuyến nhận thức trên nền OFDM được minh họa như trong Hình 2.23 Phần máy nhận thức chịu trách nhiệm tạo các quyết định nhận thức và cấu hình các tham số vô tuyến cũng như các tham số tầng vật lý (PHY) Các cơ hội phổ được nhận dạng bởi đơn vị quyết định dựa trên thông tin từ bộ máy chính sách cũng như dữ liệu cảm nhận phổ cục bộ và mạng
Bộ máy chính sách cung cấp thông tin liên quan tới các chính sách hiện tại tới bộ máy nhận thức để xem xét dựa trên vị trí của hệ thống Điều này đảm bảo vô tuyến nhận thức sẽ không sử dụng bất hợp pháp các dạng sóng hoặc bất kỳ chính sách nào vi phạm Mặt khác, đơn vị cảm nhận phổ tần cục bộ xử lý thông tin phổ tần và xác định các người dùng cấp phép đang truy nhập phổ, các đặc tả tín hiệu cũng như băng thông hay mức công suất của chúng và các cơ hội phổ phát hiện được có thể được khai thác bởi vô tuyến nhận thức
Khi các thông tin yêu cầu đã có, đơn vị quyết định có thể tạo một quyết định hành động tốt nhất cho hệ thống Quyết định bao gồm việc lựa chọn mã hóa kênh, phương thức điều chế, các tần số hoạt động, và băng thông phù hợp Tại giai đoạn này, công nghệ OFDM tỏ ra hiệu quả hơn so với các công nghệ truyền dẫn khác với các đặc tính thích ứng và mềm dẻo của nó Chỉ cần thay đổi các tham số của OFDM (Bảng 2.2 chỉ ra một vài tham số ví dụ) và các tham số vô tuyến, hệ thống nhận thức có thể liên lạc với nhiều công nghệ truy nhập vô tuyến khác trong môi trường, hoặc nó có thể tối ưu sự truyền dẫn dựa vào các đặc điểm của môi trường
Mạch vô tuyến được chia thành một phần số (IF số, ADC, và DAC số) và một phần tương tự (vô tuyến tương tự điều chỉnh được bằng phần mềm) Cả hai phần đều có thể cấu hình lại bởi bộ máy nhận thức để tăng sự linh hoạt của hệ thống Điều này bao gồm việc điều khiển tần số hoạt động, băng thông, các bộ lọc, và các bộ trộn Ngay cả các tham số anten (như số anten, tạo búp) cũng có thể được cấu hình để cải thiện hiệu năng của hệ thống
Hình 2.23 Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến nhận thức dựa trên OFDM
Bảng 2.2 Các chuẩn vô tuyến dựa trên OFDM
CSMA OFDMA/TDMA OFDMA/TDMA N/A
2.4.2 Tại sao OFDM thích hợp với vô tuyến nhận thức
Với khả năng cảm nhận và tạo dạng phổ cùng với sự linh hoạt và thích ứng khiến cho OFDM là lựa chọn tốt nhất cho hệ thống vô tuyến nhận thức Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ đề cập tới các yêu cầu đối với một hệ thống vô tuyến nhận thức đồng thời giải thích tại sao OFDM có thể hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu này
2.4.2.1 Khả năng nhận biết và cảm nhận phổ
Hệ thống Vô tuyến nhận thức (CR) có khả năng quét dải tần và đo lường các đặc tính của kênh như công suất khả dụng, nhiễu và nhiễu nhiệt Ngoài ra, CR còn có thể xác định các tín hiệu người dùng trong phổ và phân biệt chúng là tín hiệu được cấp phép hay không được cấp phép Nhờ những khả năng này, hệ thống CR có thể xác định các phần phổ chưa sử dụng và các cơ hội phổ thích hợp.
Tuy nhiên, với một hệ thống cấp phép thì việc đảm bảo không gây nhiễu với các hệ thống cấp phép khác rất quan trọng do đó cần phải thực hiện nhiều đo đạc cần thiết để đảm bảo một truyền thông không nhiễu giữa các người dùng Một phương pháp có thể sử dụng là chia sẻ thông tin cảm nhận phổ giữa các thiết bị vô tuyến nhận thức để giảm hoặc thậm chí loại bỏ xác suất nhiễu với các người dùng cấp phép Mặt khác, các thuật toán tinh vi hơn có thể được sử dụng cho việc cảm nhận phổ tần
Trong thực hiện vô tuyến nhận thức yếu tố quan trọng quyết định đến thành công của quá trình ngoài hiệu quả của việc cảm nhận và phân tích phổ, thì thời gian xử lý cần nhanh chóng Chu kỳ cảm nhận phổ phải đủ ngắn để cho phép quyết định các cơ hội truy nhập phổ mới đồng thời phát hiện các người dùng cấp phép đang truy nhập vào các phần phổ chưa được sử dụng đã phát hiện trước đó Mặt khác, nếu cảm nhận phổ được thực hiện thường xuyên quá thì các phần mào đầu chia sẻ như thông tin sẽ tăng dẫn đến giảm hiệu quả phổ tần của toàn bộ hệ thống, cũng như tăng độ phức tạp của hệ thống Trong hệ thống OFDM, sự chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số đạt được bằng cách sử dụng DFT Do đó, toàn bộ các điểm trong lưới thời gian-tần số có thể được quét mà không cần các tính toán và mở rộng phần cứng nào vì có thể sử dụng lại các lõi FFT Việc sử dụng lưới thời gian-tần số, sự lựa chọn các hố phổ có thể thực hiện được bằng việc sử dụng các giả thiết kiểm tra đơn giản Các đầu ra DFT có thể được lọc trong các miền thời gian và tần số cũng như để giảm sự không chắc chắn trong phát hiện phổ tần Chú ý rằng độ phân giải trong lưới tần số là phụ thuộc vào khoảng cách các sóng mang con
Sau khi hệ thống vô tuyến nhận thức quét phổ và xác định được các người dùng cấp phép hoạt động và các cơ hội phổ có sẵn, thì bước tiếp theo là “tạo dạng phổ” Về mặt lý thuyết, tạo dạng phổ cho phép các người dùng nhận thức sử dụng các phần phổ chưa được dùng một cách tự do
Các hệ thống Nhận thức phổ (CR) yêu cầu khả năng tạo tín hiệu có phổ linh hoạt Hệ thống OFDM đáp ứng được nhu cầu này do tín hiệu OFDM vốn có tính linh hoạt Bằng cách hủy kích hoạt một tập hợp các sóng mang con, phổ của tín hiệu OFDM có thể được định hình theo mặt nạ phổ mong muốn Quá trình lựa chọn các sóng mang con cần hủy kích hoạt trở nên đơn giản nếu hệ thống CR biết trước mặt nạ phổ.
Các tham số chính của hệ thống OFDM có thể được sử dụng để tạo dạng phổ tín hiệu bao gồm: số sóng mang con, công suất sóng mang con, và các bộ lọc tạo dạng xung
Việc tăng số sóng mang con đối với một băng tần cố định cho phép hệ thống OFDM có được phân giải cao hơn trong miền tần số Tuy nhiên, điều này sẽ làm tăng sự phức tạp trong các hoạt động của FFT và do đó tăng độ phức tạp của toàn bộ hệ thống
Hình 2.24 Cảm nhận và tạo dạng phổ dựa trên OFDM Công suất sóng mang con có thể được sử dụng để tạo dạng tín hiệu vào mặt nạ mong muốn Một lý do để gán cho các sóng mang con các công suất khác nhau là để phù hợp hơn với các đáp ứng kênh Ví dụ, các sóng mang con có SNR cao hơn có thể được gán công suất thấp hơn các sóng mang con có SNR thấp hơn để cải thiện BER toàn hệ thống Một lý do khác là để giảm nhiễu kênh lân cận từ hệ thống OFDM bằng cách giảm công suất gán cho các sóng mang con biên
Hình 2.24 là một ví dụ về các thủ tục cảm nhận và tạo dạng phổ trong các hệ thống vô tuyến nhận thức dựa trên OFDM Hai người dùng cấp phép được phát hiện đang sử dụng đầu ra của khối FFT, và các sóng mang con có khả năng gây nhiễu tới người dùng cấp phép được tắt đi Máy phát sau đó sử dụng các phần phổ trống để truyền tín hiệu Thêm vào đó, các bộ lọc tạo dạng xung cũng có thể được sử dụng để giảm nhiễu tới các băng tần lân cận
2.4.2.3 Thích ứng với môi trường
Khả năng thích ứng là một trong những yêu cầu chính của vô tuyến nhận thức Bằng việc kết hợp các thông tin đo đạc được với sự hiểu biết về các khả năng cũng như các giới hạn của hệ thống hiện tại, vô tuyến nhận thức có thể thích ứng các dạng sóng để hoạt động cùng với các thiết bị truyền thông khác, lựa chọn các kênh truyền thông hoặc các mạng thích hợp nhất cho quá trình truyền dẫn, phân bổ tần số phù hợp để truyền trong một vùng phổ mở, thích ứng dạng sóng để bù fadinh kênh, và vô hiệu tín hiệu gây nhiễu
Kênh truyền Rayleigh và kênh truyền Rician
Hình 2 28 Hàm m (http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rayleigh_distributionPDF.png) Đáp ứng kênh truy Biên độ của hàm truyền t bố Rician Nếu kênh truy bao của tín hiệu truyền qua kênh truy là kênh truyền Fading Rayleigh Khi đó tín hi các thành phần phản xạ, n chính là thành phần chính c thẳng LOS không đóng vai tr Khi này đường bao tín hi được gọi là kênh truyền F n Rayleigh và kênh truyền Rician
Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Rici (http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rayleigh_distributionPDF.png) ng kênh truyền là một quá trình phụ thuộc vào cả thờ n tại một tần số nhất định tuân theo phân bố h truyền không tồn tại LOS, người ta đã chứng minh đư n qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truy n Fading Rayleigh Khi đó tín hiệu nhận được ở máy thu là t
, nhiễu xạ và khúc xạ Nếu kênh truyền tồ n chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần không ph ng LOS không đóng vai trò quan trọng, không ảnh hưởng quá xấu đ ng bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rician nên kênh truy n Fading Rician
(http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rayleigh_distributionPDF.png) ời gian và biên độ
Rayleigh và phân ng minh được đường Rayleigh nên kênh truyền được gọi máy thu là tổng hợp của ồn tại LOS thì đây n không phải truyền u đến tín hiệu thu an nên kênh truyền
PHÂN BỔ CÔNG SUẤT VÀ QUẢN LÝ CAN NHIỄU TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM
Một mô hình hệ thống vô tuyến nhận thức được chỉ ra trong Hình 3.1 [12], trong mô hình này sẽ xét đến hai cặp người dùng chính (PU1, PU2) và một cặp người dùng vô tuyến nhận thức (SU) Trong đó, SU cảm nhận được sự có mặt của PU1 vì PU1 nằm trong vùng cảm nhận tin cậy của SU, trong khi đấy SU không thể phát hiện được sự có mặt của PU2
Hình 3.1 Mô hình hệ thống
Kênh được coi là cơ hội phổ khi nhiễu trên kênh do người dùng vô tuyến nhận thức (SU) gây ra có thể chấp nhận được đối với người dùng chính (PU) Trong trường hợp này, SU có thể truy cập kênh Mô hình hệ thống xem xét trường hợp có hai PU, một chịu ảnh hưởng của nhiễu do SU gây ra, nhưng PU còn lại thì không Công suất phát của SU trên kênh được cấp phép cho PU phải tuân thủ một ngưỡng nhất định, được ký hiệu là Ptx.
Trong đấy, d là khoảng cách giữa máy phát SU và máy phát PU không thể phát hiện gần nhất, là công suất nhiễu lớn nhất cho phép và là hệ số suy giảm đường truyền Để tận dụng hiệu quả các cơ hội phổ được tạo ra bởi các hệ thống người dùng chính khác nhau, một hệ thống vô tuyến nhận thức cần linh hoạt trong việc tạo dạng phổ của tín hiệu phát Để đạt được mục đích này, việc sử dụng điều chế OFDM là một lựa chọn hợp lý Trước khi truyền dẫn, SU cảm nhận vị trí mỗi kênh con bị chiếm giữ, bằng các phương pháp cảm nhận phổ tần thích hợp Sau đấy, dựa vào các kết quả cảm nhận được và CSI của mỗi sóng mang con trên mỗi liên kết truyền dẫn SU, SU có thể quyết định chiến lược phân bổ công suất, loại điều chế và các tham số cho truyền dẫn SU khác phù hợp
Ta sẽ lần lượt làm rõ hai trường hợp: Hệ thống không bị ảnh hưởng của các sóng mang lân cận và hệ thống có xét đến việc ảnh hưởng của các sóng mang con lân cận Nhưng trước hết ta cần xem lại bài toán phân bổ công suất trong hệ thống OFDM thông thường, được tối ưu hóa bằng thuật toán đổ đầy nước
3.1.1 Phân bổ công suất trong hệ thống OFDM thông thường
3.1.1.1 Bài toán phân bổ công suất trong hệ thống OFDM Đối với hệ thống loại này, khi cho các điều kiện về công suất phát hoặc tốc độ mục tiêu, việc tối ưu phân bổ công suất với các mục đích tối đa tốc độ tổng hoặc tối thiểu công suất yêu cầu Trong phần này, ta sẽ đề cập đến trường hợp phân bổ công suất để tối ưu tốc độ tổng trong khi công suất phát không đổi
Xét với SU: SU sử dụng phổ tần với M kênh con, mỗi kênh con tương ứng với một băng tần Tổng số sóng mang con là N, chia thành M kênh con (M ≤ N)
Khi cảm nhận có phổ tần để truyền, SU sẽ truyền tín hiệu xi phát trên sóng mang con thứ i
: ℎ ễ (0,1) (3.2) Tốc độ truyền tín hiệu với công suất “A” cho sub “i th ” gần đúng:
Trong đấy, η là hệ số Shanon, J i là can nhiễu của các sóng mang con cùng kênh con
Với giả thiết = 1 và bỏ qua vì không xét ảnh hưởng của các sóng mang con cùng kênh j th :
Vậy bài toán tối ưu: max ∑
3.1.1.2 Lời giải cho bài toán phân bổ công suất trong hệ thống OFDM
Giải bài toán tối ưu: Áp dụng phương pháp Lagrange + KKT
h i là độ lợi kênh thứ i
chính là lượng nước, được xác định dựa vào công thức:
3.1.2 Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM không xét đến ảnh hưởng của các sóng mang con [12]
3.1.2.1 Bài toán phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM không xét đến ảnh hưởng của các sóng mang con lân cận
Trong hệ thống vô tuyến nhận thức, việc tối ưu phân bổ công suất cho các kênh con không những tối đa tốc độ tổng mà còn đảm bảo việc điều kiện về công suất phát của các kênh con bởi giới hạn nhiễu cho các người dùng chính
Giả sử G j là ràng buộc công suất trên kênh con thứ j sau khi cảm nhận, ta có:
Hình 3.2 dưới đây mô tả phổ của SU trong hệ thống vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM
Hình 3.2 Phổ của SU trong hệ thống vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM Giả sử công suất phân bổ đến kênh con thứ j được xác định bởi công thức:
Trong đấy, P i là công suất tín hiệu đã phân bổ trên sóng mang con thứ i
Bài toán tối ưu hóa trong phần này có thể được viết lại như sau: max ∑ log (1 + |ℎ | ) (3.12a)
3.1.2.2 Lời giải cho bài toán phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM không xét đến ảnh hưởng của các sóng mang con lân cận Ở đây ta xem xét tới (3.12) bài toán phân bổ công suất với điều kiện công suất phát tổng Thuật toán được phát triển theo ba bước Bước đầu tiên là phân tích cấu trúc giải pháp tối ưu của (3.12) dựa trên nguyên lý tối ưu lồi, bước tiếp theo, thuật toán được đề xuất đánh giá qua thử nghiệm dựa vào các phân tích trong bước 1 Cuối cùng thuật toán được chứng minh hội tụ về điểm tối ưu a Phân tích cấu trúc giải pháp tối ưu
Trong (3.12) nếu ≥ ∑ thì điều kiện công suất phát tổng trờ nên vô nghĩa
(3.12) suy biến thành bài toán phân bổ công suất chỉ với các điều kiện công suất phát kênh con và giải pháp là thuật toán đổ đầy nước đơn giản như đã trình bày ở phần trên
Bởi vậy, ta nhấn mạnh trường hợp mà < ∑ Để miêu tả cấu trúc của vector phân bổ công suất tối ưu, ta đưa ra định lý sau: Định lý 1: Với giả sử < ∑ , vector phân bổ công suất P là lời giải cho (3.12) nếu và chỉ nếu:
Trong đấy, i=1,2,…,N và j là chỉ số kênh con mà sóng mang con thứ i thuộc vào Giả sử rằng ≜ | < , ≜ | = Sau đó mức nước w j được xác định như sau:
| | = (3.14b) b Thuật toán đổ đầy nước phân chia lặp
Bảng 3.1 Ý tưởng thuật toán IPW Giải thuật:
Chia M kênh con thành 2 phần A (F j < G j ) và B(F j = G j )
Loại bỏ B chỉ còn lại A với tổng công suất phát còn lại công thức
Áp dụng water – filling tìm
Với và { w j } ⇒ vector = { }: phân bổ tối ưu
Bảng 3.2 Thuật toán IPW dưới điều kiện công suất phát tổng
C = {i} , sub i th j th kênh con ; j A, i = 1, …, L k = P t ; k =1
B1: Water filling cho C với k , k = 1 => P i , i C B2: Tính các: = ∑ , ừ
D ≠ k = k+1 B1 B5: Mỗi kênh con trong A đều phân bổ với cùng mức nước k từ A
Mỗi kênh con trong B phân bổ với từng mức nước w i từ B c Chứng minh tính tối ưu Để chứng minh tính tối ưu của IPW, ta cần giải thích được rằng thuật toán IPW hội tụ về điểm thỏa mãn các điều kiện trong định lý 1
Chúng ta đưa ra hai bổ đề đơn giản về đổ đầy nước thông thường trước khi chứng minh Giả sử P là vector phân bổ công suất của đổ đầy nước trên N sóng mang con với công suất 1 T P và mức nước w, trong đấy 1 là vector cột của tất cả
Bổ đề 1: Nếu ta lấy ra n sóng mang con từ N sóng mang con này và vector phân bổ công suất tương ứng của n sóng mang con này là P n , thì P n cũng là vector phân bổ công suất của đổ đầy nước trên n sóng mang con với công suất 1 T P n
Bổ đề 2: Nếu đổ đầy nước được thực hiện trên N sóng mang con này với công suất P’ và mức nước tương ứng là w’ Ta có ≤ nếu , ≤ 1 và ngược lại
Dựa trên Bổ đề 1 và Bổ đề 2, ta chứng minh được Định lý 2 như sau: Thuật toán IPW hội tụ đến điểm thỏa mãn ≤ , trong đó ∈ , tức là mỗi mức nước riêng lẻ không lớn hơn mức nước chung.
Thiết kế bộ phát để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ trong kênh MIMO có can nhiễu
Xét mô hình hệ thống mạng MIMO CR như Hình 3.3[14]
Hình 3.3 Mạng MIMO CR với K người dùng vô tuyến nhận thức và một người dùng chính
Với mô hình mạng được mô tả trong Hình 3.3 bao gồm K+ 1 cặp người dùng truyền đồng thời trong cùng một tần số Không xét đến suy hao, giả sử rằng người dùng thứ ∈ = (1, … , ) là các người dùng vô tuyến nhận thức, trong khi đấy người dùng K + 1 là người dùng chính Máy phát và máy thu của người dùng thứ k được trang bị tương ứng N tk và N rk anten
Máy phát k truyền tín hiệu x k = [x k,1 , x k,2 , x k,3 , …, x k, dk ] T ϵ C dk x 1 đến máy thu thứ k, với d k ≤ min{N tk, N rk } là số lượng các luồng tín hiệu của người dùng thứ k Giả sử kí tự phát x k độc lập và thỏa mãn E[ x k x k H ] = I dk Các tín hiệu được xử lý tuyến tính bằng ma trận tiền mã hóa F k ϵ :
= (3.34) Công suất phát trung bình của máy phát được tính bằng công thức sau:
Với kênh truyền có thể xem như là khối fading ổn định không đổi trong một khung truyền và độc lập giữa các khung (frame) [15] Những kênh ngõ vào là độc lập và được phân bố Gaussian phức, hơn nữa biên độ của những kênh này sẽ theo phân bố Rician Giả sử một ma trận kênh kích thước Nrk x Ntk được cho bởi công thức sau:
Trong đấy, , ∈ là các thành phần truyền thẳng (LOS) và được xác định bởi:
, = ( ) ( ) (3.37) Ở đây, ( ) và ( ) là các mảng vector tương ứng với các mảng anten đặt cách đều nhau, tuyến tính, được xác định bởi:
Khoảng cách được ước tính theo bước sóng ăng-ten (δ) và góc truyền dẫn và nhận (θ1 và θ2) Mỗi phần tử tán xạ được phân bố theo Rayleigh (Vd: Gaussian), với các thông số có phân bố thống kê giống nhau Hệ số Rician (K) là tỷ lệ giữa công suất của các thành phần đặc trưng và công suất của các thành phần ngẫu nhiên.
Giả sử rằng máy phát PU cách xa máy thu CR, như vậy nhiễu và can nhiễu từ bộ phát PU đến bộ thu CR sẽ không đáng kể Đây là giả thuyết thường sử dụng trong mạng vô tuyến nhận thức ở [16], [17] Hơn nữa, tín hiệu thu được ở bộ thu CR thứ k được cho bởi:
Trong đó ∈ ∁ với k Є K là vector tín hiệu thu được ở bộ thu CR thứ k ∈
∁ là vector nhiễu cộng thêm vào với phân bố phức Gaussian có trung bình bằng không ~ 0, và độc lập với tín hiệu phát s k , kênh truyền H k,l tương ứng
Tín hiệu đầu ra sau quá trình xử lý bằng ma trận W k là tuyến tính, giúp triệt tiêu nhiễu và khôi phục chuỗi tín hiệu mong muốn d k Kết quả tín hiệu được viết lại như sau:
Tương tự, tín hiệu nhận được tại máy thu của PU:
= ( ),( ) + ∑ ( ), + (3.42) Sau khi được xử lý bởi ma trận tại máy thu và được viết lại như sau:
Do vậy, việc triệt bỏ can nhiễu tại máy thu không được thực hiện, can nhiễu này được xem như là nhiễu và tổng tốc độ của kênh truyền được tính bởi [18]:
= + ∑ , , , (3.45) là ma trận hiệp phương sai giữa can nhiễu và nhiễu Tốc độ bit tổng ở (3.44) không tuyến tính và không lồi trong việc thiết kế biến ma trận, do vậy, rất khó để tìm lời giải tối ưu [16] Gần đây, tổng số bậc tự do (DOF) được định nghĩa bởi:
( ) (3.46) Đó là một đại lượng khác đại diện cho tổng tốc độ bit của mạng có SNR cao Ý tưởng chính của IA (Interference Alignment) là cùng nhau tối ưu ma trận tiền mã hóa và ma trận thu sao cho tất cả các can nhiễu tại máy thu cùng thuộc không gian con có chiều thấp nhất trong khi các tín hiệu mong muốn có thể được phục hồi mà không gây ảnh hưởng lên các người dùng khác Các điều kiện liên kết có thể được mở rộng cho mạng vô tuyến nhận thức như sau:
, = ∈ (3.47c) Điều kiện (3.47a) đảm bảo can nhiễu từ các người dùng SU bị triệt tiêu trong máy thu của PU Điều kiện (3.47b) chắc chắn rằng nhiễu từ máy phát SU này không ảnh hưởng đến máy thu SU khác và điều kiện (3.47c) đảm bảo kích thước của không gian tín hiệu con phải bằng d k
Công suất can nhiễu từ máy phát SU thứ k đến máy thu PU được cho bởi công thức:
Tổng can nhiễu từ SU tác động lên các tín hiệu không gian con mong muốn của máy thu PU là:
Phần này nhằm mục đích tìm kiếm các phương pháp truyền hợp tác với các người dùng nhận thức, như vậy tất cả các tín hiệu can nhiễu được sắp xếp thành một không gian con tại mỗi bộ thu của người dùng vô tuyến nhận thức trong khi các can nhiễu tại người dùng chính được giữ dưới một mức ngưỡng cho phép
3.2.2 Phương pháp truyền tín hiệu của các người sử dụng
Trong phần này sẽ trình bày các phương pháp tối ưu của máy phát mà các SU có thể đạt được DoF cho trước trong khi can nhiễu gây ra cho PU được đảm bảo dưới một ngưỡng chấp nhận được Ta giả sử rằng các trạng thái kênh được biết bởi tất cả các người dùng vô tuyến nhận thức
3.2.2.1 Truyền tín hiệu của người dùng chính Đầu tiên, ta nghiên cứu phương pháp truyền tín hiệu của người dùng chính Trong trường hợp tổng quát, người dùng chính không biết đến sự hiện diện của các người dùng vô tuyến nhận thức, do đấy, người dùng chính có thể áp dụng mô hình truyền dẫn eigen-mode SVD của ma trận , trong (3.46) được cho bởi:
Trong đấy, ∈ ∁ ( ) ( ) và ∈ ∁ ( ) ( ) là các ma trận cột trực giao và ∈ ( ) ( ) là ma trận đường chéo Do đấy, ma trận thu của máy thu người dùng chính được chọn như sau:
Với , đại diện cho dK+1 vector của ma trận UK+1 tương ứng với dK+1 eigenvalue lớn nhất Do đó, người dùng chính dùng d K+1 eigenmodes để nó truyền tín hiệu và các máy phát SU có thể sắp xếp các tín hiệu của họ vào các eigenmodes còn lại của kênh truyền PU
3.2.2.2 Truyền tín hiệu của người dùng vô tuyến nhận thức
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM
4.1.1 Phân bổ công suất trong hệ thống OFDM thông thường
Xét hệ thống OFDM có số sóng mang con là N = 64 cần phân bổ một tổng công suất Pi dBm, giả sử công suất nhiễu là 1dBm Sử dụng mô hình kênh tổng quát indoor, không xét đến ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler với số đường đa đường bằng 7 và chuỗi CP bằng 16
Hình 4 1 Phân bổ công suất trong hệ thống OFDM với 64 sóng mang con
Kết quả mô phỏng cho thấy nghịch đảo độ lợi kênh và công suất phân bổ đến các sóng mang con như Hình 4.1
Ta thấy kết quả ở Hình 4.1 phù hợp với nguyên lý đổ đấy nước, các sóng mang con đều được đổ đầy nước tới mức nước chung , các sóng mang có vùng đổ đẩy nước vượt quá điều kiện công suất phát sẽ có lượng công suất phân bổ đến sóng mang con đó bằng không Ví dụ, trên Hình 4.1 các sóng mang con thứ 54 đến 62, do công suất cần đổ vào nó vượt quá mức nước chung, nên công suất phân bổ cho các sóng mang con này bằng 0
Tiếp đến, để chứng minh tính tối ưu phân bổ công suất khi sử dụng thuật toán đổ đầy nước trong hệ thống OFDM, ta tính dung lượng kênh trong trường hợp phân bổ công suất đều và trường hợp sử dụng thuật toán đổ đầy nước với các mức tổng công suất phân bổ khác nhau Ta sử dụng lặp Monte Carlo 50 lần
(a) Trường hợp tổng công suất là 20dBm
(b) Trường hợp tổng công suất là 40dBm
Hình 4 2 Dung lượng kênh truyền với N = 64 và tổng công suất thay đổi
Hình 4.2 so sánh dung lượng kênh đối với phân bổ công suất đều và phân bổ công suất trong hệ thống OFDM sử dụng giải thuật đổ đầy nước với N = 64 với số lần lặp MonteCarlo là 50 Trong Hình 4.2a, tổng công suất cần phân bổ là 20dBm, ta tính được dung lượng kênh trong trường hợp phân bổ công suất đều là 11bps/Hz trong khi sử dụng thuật toán đổ đầy nước sẽ cho dung lượng kênh là 16 bps/Hz Tức là khi sử dụng thuật toán đổ đầy nước giúp ta tăng dung lượng kênh lên khoảng 45% Khi ta tăng công suất lên 40dBm, như trong Hình 4.2b ta tính được dung lượng kênh khi phân bổ đều là 225 bps/Hz và sử dụng thuật toán đổ đầy nước là 226 bps/Hz, lúc này dung lượng kênh trong trường hợp phân bổ đều công suất và sử dụng thuật toán gần như là bằng nhau Điều này chứng tỏ, khi tổng công suất phát càng lớn thì hiệu quả thuật toán đổ đầy nước càng giảm, đến một lúc nào đấy, tổng dung lượng kênh khi sử dụng thuật toán đổ đầy nước sẽ giống như khi phân bổ công suất đều, việc này được lý giải khi lượng công suất đổ vào nhiều thì các kênh có độ lợi kém cũng sẽ được đổ đầy nước như các kênh còn lại
4.1.2 Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM không xét đến ảnh hưởng sóng mang con lân cận
Xét mô hình kênh indoor tổng quát với số đường đa đường bằng 7 và chuỗi CP bằng 16, có Nd sóng mang con được chia thành M = 4 kênh con, mỗi kênh con bao gồm N/M sóng mang con Cho tổng công suất cần phân bổ trong hệ thống là P t = 28dBm, công suất nhiễu P N = 1dBm Ràng buộc công suất phát trong các kênh con G [19dBm 26.8dBm 0 26.8dBm]
Công suất được phân bổ trong các kênh được trình bày bên dưới
Hình 4 3 Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức không xét ảnh hưởng sóng mang con với N = 64
Hình 4.3 minh họa sự phân bố công suất tại các kênh con theo Nd Do có sự ràng buộc về công suất phát ở từng kênh con khác nhau nên lưu lượng nước đổ vào cũng khác nhau Cụ thể, ràng buộc công suất phát ở kênh con 2 và kênh con 4 là như nhau nên lượng nước đổ vào hai kênh này là bằng nhau Kênh con số 1 có ràng buộc công suất phát thấp hơn nên lượng nước đổ vào cũng thấp hơn Kênh con số 3 có ràng buộc công suất phát bằng 0 nên không đổ công suất vào các sóng mang con trong kênh này.
Tiếp đến, để chứng minh hiệu quả của thuật toán đổ đầy nước phân chia lặp được trình bày ở phần lý thuyết, ta tính dung lượng kênh sử dụng lặp Monte Carlo 50 lần với tổng công suất phân bổ là 20dBm và 30dBm
Hình 4 4 So sánh dung lượng kênh của thuật toán IPW và phân chia đều
Hình 4.4 trình bày sự so sánh dung lượng kênh trong trường hợp phân bổ công suất đều và sử dụng thuật toán đổ đầy nước phân chia lặp, ta thấy sử dụng thuật toán đổ đầy nước phân chia lặp cho kết quả dung lượng kênh tốt hơn trường hợp phân bổ công suất đều Đối với Hình 4.4, khi tổng công suất phát là 20dBm, dung lượng kênh trong trường hợp sử dụng thuật toán IPW là 15 bps/Hz, trong khi đối với trường hợp phân bổ công suất đều thì dung lượng kênh chỉ bằng 11 bps/Hz, tức là sử dụng thuật toán giúp ta tăng đến 36% dung lượng kênh Hình phía bên dưới của Hình 4.4 là kết quả khi ta tăng công suất phát lên 30dBm, ta thấy rằng dung lượng kênh khi sử dụng thuật toán IPW không khác so với trường hợp phân bổ công suất đều Nói cách khác, thuật toán IPW cũng không phát huy hiệu quả khi tổng công suất phát của ta tương đối lớn
4.1.3 Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM có xét đến ảnh hưởng sóng mang con lân cận
Cho mô hình kênh indoor tổng quát, với số đường đa bằng 7 và chuỗi CP bằng 16, có N = 64 sóng mang con, chia làm bốn kênh con Tổng công suất phát Pt = 28dBm, ràng buộc công suất phát trong bốn kênh G = [19 26.8 2 26.8] dBm Kết quả mô phỏng được thể hiện như sau:
Hình 4 5 Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức xét ảnh hưởng sóng mang con với N = 64
Hình 4.5cho thấy kết quả phân bổ công suất trong các kênh con sử dụng giải thuật RPA, giới hạn công suất phát trong kênh con thứ 3 bây giờ được cho khác 0, công suất phân bổ đến kênh con thứ 3 bằng 0, đồng thời trong các kênh con còn lại, công suất không được phân bổ theo thuật toán đổ đầy nước, mà được phân bổ sao cho các sóng mang con gần kênh con thứ 3 có công suất thấp hơn các sóng mang còn lại trong cùng kênh con Để đánh giá hiệu quả thuật toán RPA, ta chạy mô phỏng Monte Carlo 50 lần với tổng công suất phát lần lượt là 28dBm, kết quả như sau:
Hình 4 6 so sánh dung lượng kênh của thuật toán RPA và phân chia đều
Hiệu quả của thuật toán RPA vượt trội so với phương pháp phân bổ công suất đều Trong lần lặp Monte Carlo thứ 10, thuật toán RPA đạt dung lượng kênh 82 bps/Hz, tăng 82% so với phương pháp phân bổ đều (45 bps/Hz).
Kết luận: Bằng cách áp dụng các thuật toán phân bổ công suất trong mạng vô tuyến nhận thức dựa trên nền OFDM, qua các kết quả mô phỏng được trình bày ở trên đã cho ta thấy được hiệu quả của các thuật toán này Việc phân bổ công suất đến các sóng mang con trong mạng vô tuyến nhận thức phải đáp ứng được việc tối đa dung lượng kênh trong khi không gây nhiễu lên các người dùng chính Các thuật toán đổ đầy nước thông thường, IPW, RPA đã đáp ứng tốt các yêu cầu trên.
Thiết kế bộ phát để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ trong kênh MIMO có can nhiễu
Hiệu suất của phương pháp được đề xuất trong phần 3.2.2 được đánh giá thông qua mô phỏng Monte-Carlo, tất cả các mô phỏng được lấy trung bình trên 100 kênh, các thuật toán lặp kết thúc khi các giá trị mục tiêu nhỏ hơn 10 -9 hoặc số lần lặp đạt đến 200
Mô phỏng này kiểm tra hiệu suất của can nhiễu MIMO đa người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức, trong khi đấy hiệu suất của một mạng không phải vô tuyến nhận thức cũng được cung cấp để so sánh Tất cả người dùng đều được trang bị với cùng số anten phát và anten thu, Ntk = Nrk = 6, và mỗi người dùng phát dk = 2 luồng tín hiệu, giả sử không xét đến suy hao, nhiễu được xem là nhiễu được xem là có phân bố chuẩn với phương sai bằng 1 Xét các SNR ={0 5 10 15 20 25 30 35 40}dB Mức ngưỡng can nhiễu của mỗi người sử dụng thứ cấp gây ra cho người dùng chính là , = 0.25
Hình 4 7 Tổng tốc độ bit trung bình theo SNR cho mạng thứ cấp (mạng vô tuyến nhận thức)
Hình 4.7 thể hiện kết quả mô phỏng tổng tốc độ bit của mạng vô tuyến nhận thức (chỉ người sử dụng thứ cấp)
Trong mạng nhiều người sử dụng, việc tăng công suất của người sử dụng có thể làm giảm dung lượng (tốc độ bit của hệ thống) Tuy nhiên, qua Hình 4.7, ta thấy tổng tốc độ bit tăng khi SNR tăng, điều này thể hiện các can nhiễu đã được liên kết và loại bỏ trong không gian tín hiệu mong muốn
T on g to do bi t trung bi nh (bps /H z ) Rayleigh =0
Trong trường hợp kênh truyền Rician với k, nghĩa là kênh có đường truyền thẳng thống trị, lúc đó ma trận kênh tương quan nhau, và hạng của ma trận sẽ giảm, dẫn đến giảm số luồng dữ liệu truyền không bị can nhiễu, kết quả là tổng tốc độ bit của kênh Rician với k giảm so với kênh Rayleigh
Hình 4.8 Hàm mật độ phân phối tốc độ bit của mạng thứ cấp cho kênh Rayleigh
Toc do bit (bps/Hz)
Hình 4.9 Hàm mật độ phân phối tốc độ bit của mạng thứ cấp cho kênh Rician
Hình 4.8 và 4.9 minh họa xác suất dừng của mạng thứ cấp cho kênh Rayleigh và Rician tương ứng Quan sát rằng, ở cùng mức tốc độ bit yêu cầu với cùng mức SNR thì kênh Rician có xác suất dừng cao hơn Ví dụ, khi SNR@dB, với mức tốc độ yêu cầu là 50bps/Hz thì kênh Rician có xác suất dừng là 60% trong khi kênh Rayleigh có xác suất dừng thấp hơn 10% Để khảo sát sự ảnh hưởng của mạng thứ cấp lên dung lượng của người sử dụng chính, ta vẽ tốc độ bit của người sử dụng chính khi không có và có người sử dụng thứ cấp như Hình 4.10 Quan sát Hình 4.10 ta thấy dung lượng kênh của người sử dụng thứ cấp giảm không đáng kể khi có sự tham gia của người sử dụng thứ cấp Lý do như đã trình bày ở phần lý thuyết, người sử dụng thứ cấp truyền tín hiệu nằm ngoài không gian tín hiệu của người dùng chính Do đó, can nhiễu của người sử dụng thứ cấp gây ra cho người sử dụng chính là không đáng kể Hơn nữa, dung lượng của người dùng chính trong trường hợp kênh Rayleigh cũng tốt hơn kênh Rician k
Toc do bit (bps/Hz)
Hình 4 10 Tốc độ bit tổng cộng của người dùng chính khi có và không có người sử dụng thứ cấp
Kết luận: Bằng cách khai thác eigen-mode không sử dụng của người dùng chính, và áp dụng kỹ thuật liên kết các can nhiễu của người sử dụng thứ cấp vào cùng một không gian tách biệt với không gian tín hiệu, các mạng thứ cấp có thể đạt được dung lượng đáng kể mà không ảnh hưởng đáng kể đến dung lượng người sử dụng chính Do đó, kỹ thuật thiết kế các ma trận tiền mã hóa và ma trận thu đề xuất thực sự hiệu quả cho sử dụng phổ tần (được đánh giá qua tốc độ bit trên 1 đơn vị tần số)
T on g t o c do b it t rung bi nh (bp s/ H z)
Rayleigh =0 with CR Rayleigh =0 without CR Rician without CR Rician with CR 20 20.05 20.1