DSpace at VNU: Kết hợp điều khiển công suất và phân bố bit cho trường hợp hệ FDD-DMT đa người dùng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ THỊ THU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ PHÂN BỐ BIT CHO TRƯỜNG HỢP HỆ FDD-DMT ĐA NGƯỜI DÙNG LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội - 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ THỊ THU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ PHÂN BỐ BIT CHO TRƯỜNG HỢP HỆ FDD-DMT ĐA NGƯỜI DÙNG Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: LUẬN VĂN THẠC SỸ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Viết Kính Hà Nội - 2007 MỤC LỤC Bảng ký hiệu viết tắt………………………………………………………………….i Mở đầu…………………………………………………………………………… iii CHƯƠNG HỆ ĐA SÓNG MANG, ĐA NGƯỜI DÙNG 1.1 Giới thiệu 1.2 Nguyên lý kỹ thuật điều chế đa sóng mang 1.2.1 Lịch sử phát triển 1.2.2 Nguyên tắc điều chế đa sóng mang Error! Bookmark not defined 1.2.3 Tính chất hàm sở không gian pha (thời gian, tần số) .Error! Bookmark not defined 1.2.4 Các loại truyền dẫn đa sóng mang Error! Bookmark not defined 1.2.5 Hiệu suất phổ hệ điều chế đa sóng mang Error! Bookmark not defined 1.3 Truyền dẫn đa kênh x.DSL Error! Bookmark not defined 1.4 Kỹ thuật đa âm rời rạc (DMT) Error! Bookmark not defined 1.4.1 Tối ưu kiểu “rót nước” Error! Bookmark not defined 1.4.2 Thuật tốn rót nước với bit thông tin rời rạc, [4] Error! Bookmark not defined 1.4.3 Mã hóa độc lập kênh con, [4] Error! Bookmark not defined CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT, PHÂN BỐ BIT Error! Bookmark not defined 2.1 Môi trường DSL Error! Bookmark not defined 2.1.1 Phương pháp tần số tham chiếu (Reference Frequency Method) .Error! Bookmark not defined 2.1.2 Phương pháp chiều dài tham chiếu (Reference Length Method) Error! Bookmark not defined 2.1.3 Phương pháp làm FEXT (Equalized-FEXT Method) Error! Bookmark not defined 2.1.4 Phương pháp nhiễu tham chiếu (Reference Noise Method) .Error! Bookmark not defined 2.2 Tối ưu cạnh tranh Error! Bookmark not defined 2.3 Điều khiển công suất phân bố Error! Bookmark not defined 2.3.1 Mơ tả thuật tốn Error! Bookmark not defined 2.3.2 Hiệu hệ thống Error! Bookmark not defined 2.4 Phân bổ bit đa người dùng Error! Bookmark not defined 2.4.1 Phân bố công suất bit đa người dùng Error! Bookmark not defined 2.4.2 Thuật toán điều khiển công suất tốc độ Error! Bookmark not defined CHƯƠNG KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ PHÂN BỐ BIT CHO HỆ FDD-DMT ĐA NGƯỜI DÙNG Error! Bookmark not defined 3.1 Phát biểu toán Error! Bookmark not defined 3.2 Thuật tốn lặp tốc độ chuẩn hóa Error! Bookmark not defined 3.3 Cài đặt chương trình hội tụ thuật tốn Error! Bookmark not defined 3.4 Các kết mô Error! Bookmark not defined Kết luận chung………………………………………………………………………75 Tài liệu tham khảo………………………………………………………………….77 Phụ lục……………………………………………………………………………….79 i BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT 2B1Q Binary, Quaternary Hai bit nhị phân mã hóa thành bốn mức biên độ 4B3T Binary, Ternary Mã hóa bit nhị phân thành nhóm ba ký hiệu tam phân (+, 0, -) Asymmetric Digital Subscriber Đường dây thuê bao số không đối Line xứng AMI Alternative Mark Inversion Mã đảo dấu luân phiên AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng tính BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit CO Central Office Trạm trung tâm COFDM Orthogonal Frequency Division Hợp kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao CP Customer Premises Nhà khách hàng DAB Digital Audio Broadcasting Hệ thống quảng bá âm số DFE Decision Feed-back Equalizer Bộ cân phản hồi định DFT Discrete Fourier Transform Phép biến đổi Fourier rời rạc DMT Discrete Multi-Tone Đa âm rời rạc DS DownStream Đường xuống DVB-T Digital ADSL Video Broadcasting- Truyền hình số mặt đất Terrestrial FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDM Frequency Division Multiplexing Hợp kênh phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Phép biến đổi Fourier nhanh ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu xuyên sóng mang IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược ISDN Integrated Service Digital Network Mạng số tích hợp đa dịch vụ ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký hiệu ii Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt LMS Least Mean Square Bình phương trung bình tối thiểu LPF Low-Pass Filter Mạch lọc thông thấp LT Line Termination Đầu cuối đường dây MC-CDMA MultiCarrier Code Devision Đa truy cập phân chia theo mã đa Multiple Access sóng mang MCM MultiCarrier Modulation Điều chế đa sóng mang MSE Mean-Squared Error Sai số trung bình bình phương NRIA Normalized-Rate Iterative Thuật tốn lặp tốc độ chuẩn hóa Algorithm Đầu cuối mạng NT Network Termination OFDM Orthogonal Frequency Division Hợp kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao ONU Optical Network Unit PAR Peak to Average power Ratio Tỉ số công suất đỉnh cơng suất trung bình PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ trực giao RSMP Rate Sum Maximum Problem Vấn đề tối đa hóa tổng tốc độ SMC Spectrum Manage Center Trung tâm quản lý phổ SMC Spectrum Management Center Trung tâm quản lý phổ SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín tạp UPBO UpStream Power Back Off Giảm công suất hướng lên US UpStream Đường lên VDSL Very high speed Digital Đường dây thuê bao số tốc độ Subscriber Line cao Wireless Local Area Network Mạng cục không dây Weight Power Sum Maximum Vấn đề tối thiểu hóa tổng cơng suất Problem có trọng số x-type Digital Subscriber Line Các kiểu đường dây thuê bao số WLAN WPSMP x.DSL iii MỞ ĐẦU Hiện nay, nhu cầu thông tin ngày cao, truyền thông đa phương tiện kênh vô tuyến mở rộng không ngừng, yêu cầu ngày cao tốc độ chất lượng phục vụ Đối với dịch vụ có tốc độ truyền liệu lớn môi trường vô tuyến chịu nhiều ảnh hưởng môi trường (fading, di động, đa đường, chọn lọc tần số, ) làm giảm chất lượng dịch vụ Để khắc phục tượng người ta sử dụng phương pháp điều chế đa sóng mang(MCM) Kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang kỹ thuật truyền thơng chia luồng liệu thành số kênh độc lập truyền nhiều sóng mang khác nhau, kênh có băng tần nhỏ tốc độ liệu tổng cộng Kỹ thuật mang lại nhiều ưu điểm cho hệ thống có dây khơng dây sử dụng nhiều hệ thống thực tế Một ưu điểm kỹ thuật có khả chống lại nhiễu ký hiệu (ISI) gây kênh đa đường tốt Nếu kênh chọn lọc tần số, tỷ lệ lỗi kênh khác Một sơ đồ truyền thông để khắc phục tính chọn lọc tần số đa âm rời rạc (DMT) Trong hệ thống DMT, mức công suất cấp phát bit cho kênh tối ưu sử dụng kỹ thuật rót nước (water-filling) Tuy nhiên, với kênh có đáp ứng xung thay đổi theo thời gian hiệu DMT giảm nghiêm trọng kênh không chọn lọc tần số trễ thông tin phản hồi Mặt khác, công nghệ đường dây thuê bao số (DSL) cho phép truyền liệu tốc độ cao đường dây điện thoại truyền thống Trước số lượng thuê bao ít, thuê bao nối đến tổng đài trung tâm đường dây riêng khơng cần quan tâm đến đường dây thuê bao khác Tuy nhiên, với tốc độ tăng trưởng nhanh sản phẩm Công nghệ Thông tin Truyền thông Việt Nam toàn giới nên số lượng thuê bao sử dụng ngày nhiều lên Do đó, tổng đài phải phục vụ hàng trăm nghìn thuê bao khác nên đường dây thuê bao thường bó lại với đường đến tổng đài trung tâm Các đường dây đặt cạnh nên chúng tạo điện từ trường gây nhiễu lên Khi tăng cơng suất phát ảnh hưởng điện từ trường lên trở nên mạnh mẽ giảm cơng suất phát tốc độ bị giảm theo Điều lại trở thành thách thức cơng nghệ, phải biết dung hòa lượng công suất phát cho nhiễu chấp nhận tốc độ không thấp Đứng mặt kỹ thuật, ảnh hưởng nhiễu người dùng bó cáp hình dung môi trường đa người dùng truyền thông không dây Điểm khác biệt môi trường DSL đa người dùng, tín hiệu mã hóa truyền đường dây xem kênh truyền biết cố iv định Do đó, hệ thống DSL áp dụng kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang sử dụng DMT để tránh nhiễu Có thể thấy, suy giảm đường dây khác khác nhau, xuyên âm gây đường dây có thuê bao gần trạm trung tâm lấn áp tín hiệu liệu đến từ đầu dây thuê bao xa trạm trung tâm Do hiệu suất mạch dài bị ảnh hưởng nghiêm trọng đường truyền mạch ngắn Vì vậy, thuê bao gần trạm cần phải có cơng suất phát nhỏ cơng suất phát thuê bao xa trạm Việc giảm mật độ công suất hướng lên (được gọi UPBO) bao gồm phương pháp tần số tham chiếu, phương pháp chiều dài tham chiếu, phương pháp cân FEXT, phương pháp nhiễu tham chiếu, … Tuy nhiên, phương pháp ln đòi hỏi tác nhân điều khiển trung tâm Điều thường khó thực có nhiều nhà cung cấp dịch vụ nên thơng thường bó cáp đường dây thuê bao nhiều nhà cung cấp dịch vụ khác Để khắc phục điều này, Yu đưa giải pháp tối ưu sử dụng thuật tốn rót nước Phương pháp khơng mang lại hiệu phân bổ cơng suất tốt mà cho phân bố lượng tồn dải thơng truyền dẫn Tuy nhiên, thuật tốn khơng xem xét tốn phân bổ sóng mang đường lên đường xuống mà coi biết cố định Hơn nữa, hội tụ thuật toán đảm bảo biết trước tốc độ mục tiêu sau thực thuật tốn phải đạt tập tốc độ mục tiêu cho người dùng Nhưng thông thường biết trước tốc độ bit mục tiêu nên thuật toán gặp phải hạn chế định Một phương pháp khác cải tiến thuật toán thuật toán lặp tốc độ chuẩn hóa (NRIA) Trong đó, thực điều khiển cơng suất, phân bổ bit thích nghi hướng đường lên đường xuống, tốc độ bit ban đầu đặt vơ lớn, sau vòng lặp tính tốn tốc độ bit mục tiêu lại tính tốn lại Thơng qua mơ phỏng, thấy thuật toán hội tụ nhanh đạt tốc độ bit như thuật tốn tìm kiếm chặt cho phân bổ sóng mang Trong luận văn tìm hiểu phương pháp truyền dẫn đa sóng mang, hệ thống DSL phương pháp tránh xuyên âm hệ thống Cuối tập trung nghiên cứu thuật tốn phân bổ cơng suất, phân bổ bit cho hệ thống FDD-DMT tiếp cận thuật tốn NRIA cho hệ thống thơng qua mơ MatLab 7.0 Các kết nghiên cứu mô thêm lần khẳng định ưu điểm thuật toán v Trong thời gian thực luận văn tơi nhận giúp đỡ, khuyến khích, động viên nhiều người Trước hết, xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Viết Kính, người thầy giúp đỡ, bảo tận tình tơi có nhiều đóng góp, ý kiến quý báu suốt thời gian làm luận văn Tiếp đến, xin cảm ơn Bố Mẹ anh, chị bên cạnh, tin tưởng, động viên tạo điều kiện cho hồn thành khóa học luận văn Tơi xin cảm ơn thầy cô giáo trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, trang bị kiến thức tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành luận văn cách tốt Cuối cùng, xin cảm ơn bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu hồn thành luận văn công việc 6 CHƯƠNG HỆ ĐA SÓNG MANG, ĐA NGƯỜI DÙNG 1.1 Giới thiệu Mọi hệ truyền thơng có mục đích làm cho tin tức truyền nhanh hơn, xa hơn, tin cậy hơn, rẻ Để đạt mục đích này, người ta dùng nhiều kỹ thuật khác tác động lên khối tạo nên hệ thông tin Từ kỹ thuật mã hoá (mã nguồn, mã sửa phát lỗi loại, mã bảo mật, …) đến kỹ thuật điều chế (biên độ, pha, tần số, vi sai, …) kỹ thuật làm với thuật toán như: LMS, MSE, DFE, thích nghi Các kỹ thuật kiểm chứng ưu điểm, nhược điểm hệ thơng tin đơn sóng mang Để đạt u cầu hệ truyền thơng, người ta nghĩ có cách tiếp cận khác truyền thơng đa sóng mang, có nhiều ưu điểm hệ truyền thơng đơn sóng mang Điều chế đa sóng mang chia liệu thông tin thành nhiều kênh song song Tốc độ bit kênh nhỏ nhiều tốc độ bit tổng cộng Mỗi kênh thiết kế để có băng tần nhỏ độ rộng dải kết hợp kênh Vì giả sử kênh kênh fading phẳng điều chế thực mà khơng cần cân Truyền thơng đa sóng mang thực vài hệ thống thực tế hệ thống quảng bá âm số Châu Âu (DAB) đường dây thuê bao số không đối xứng (ADSL) Các kỹ thuật truyền thơng đa sóng mang sử dụng rộng rãi Coded OFDM đa âm rời rạc (DMT) 1.2 Nguyên lý kỹ thuật điều chế đa sóng mang 1.2.1 Lịch sử phát triển Nguồn gốc điều chế đa sóng mang bắt nguồn từ năm 50  60 kỷ thứ XX với tên gọi hệ truyền dẫn liệu song song Kỹ thuật điều chế đồng sóng mang hẹp với phổ chồng dùng quân với hệ cao tần kiểu Collins Kineplex , DEFT KATHRYN, dùng tới 34 sóng mang [18] Năm 1966, Chang sử dụng kỹ thuật OFDM, tổ hợp hàm trực giao có độ rộng dải giới nội cách dùng mạch lọc Nyquist kiểu cosin tăng Các kênh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Driton Statovci, Tomas Nordstrom, “Adaptive resource allocation in multiuser FDD-DMT system” Telecommunications Research Center Vienna (ftw.), Donau City Straße , A-1220 Wien, Austria, pp 1213 – 1216 [2] Driton Statovci, Tomas Nordstrom, Rickard Nilsson, “The Normalized-Rate Iterative Algorithm: A Practical Dynamic Spectrum Management method for DSL”, EURASIP Journal on Applied signal processing, vol 2006, pp 1-17 [3] Gerhard Münz, Stephan Pfletschinger, Joachim Speidel, “An Efficient Waterfilling Algorithm for Multiple Access OFDM”, Institute of Telecommunications, University of Stuttgart Pfaffenwaldring 47, D-70569 Stuttgart, Germany [4] Hichan, “Efficient power allocation for coded OFDM systems”, The department of Electrical Engineering and the Committee on Graduate studies of Stanford University, 8/2004 [5] Hirosaki, “An orthogonally multiplexed QAM system using the discrete Fourier transform”, IEEE Transations on Communication, July 1981, pp 982-989 [6] Igal Sason, “On achievable rate regions for the Gaussian interference channel” Technion, Haifa 32000, Israel [7] Jan Vangorp, Paschalis Tsiaflaflakis, “A dual decomposition approach to partial crosstalk cancellation in a multiuser DMT-xDSL environment”, EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, Vol.2007 [8] Jan Verlinden, Etienne Van den Bogaert, Tom Bostoen,“Spectrally Compatible IterativeWater Filling”, EURASIP Journal on Applied Signal Processing Volume 2006, Article ID 58380, Pages 1–10 [9] Lan Wang, Zhisheng Niu, “Adaptive power control in multi-cell OFDM systems: A noncooperative game with power unit based unility”, IEEE Trans.Commun., Vol E89B, No.06, June 2006 [10] M H M Hàm giá trịa, “On the Gaussian Interference Channel”, IEEE Trans Inform Theory, vol IT–31, pp 607–615, Sep 1985 [11] Nobuo Yamashita and Zhi-Quan Luo, “A nonlinear complementarity approach to multiuser power control for digital Subscriber line”, Natural Sciences and Research Council, Canada, 2/2004 [12] Onur Kaya, Sennur Ulukus “Achieving the Capacity Region Boundary of Fading CDMA Channels via Generalized Iterative Waterfilling”, Department of Electrical and Computer Engineering University of Maryland, College Park [13] P.Trifonov, E.Hàm giá trịa, E.Schulz, “Adaptive user allocation, bit and power loading in multi-carrier systems”, St.Petersburg State Polytechnic University, Russia [14] Raphael Cendrillon, Wei Yu, “Optimal Multiuser Spectrum Balancing for Digital Subscriber Lines”, IEEE Transactions on Communication, Vol.54, No.5, May 2006 [15] Sriram Vishwanath, Syed Ali Jafar, “On the Capacity of Vector Gaussian Interference Channels” Electrical and Computer Engineering Univ of Texas at Austin, Austin, TX 78712 and Electrical Engineering and Comp Science Univ of California Irvine, Irvine, CA 92697 [16] Vincent M.K, “Multiuser spectrum zoptimization for discrete mutitone systems with asynchronous crosstalk”, IEEE Transaction on Signal Processing, July 31, 2006 [17] Wei Yu, “Competition and Cooperation in Multi-User Communication Environments”, the degree of doctor of philosophy, June 2002 [18] Weistein S.B, Ebert P.M, “Data transmission by frequency-division multiplexing using the discrete Fourier transform”, IEEE Trans.Commun.Tech., Oct.1971, pp.628634 [19] Wu Y., Caron B.,“Digital television Terrestial Broandcasting”, IEEE Communication Manazine, N 0.5, May 1994, pp 46-52 [20] W Yu, W Rhee, S Boyd, J M Cioffi, “Iterative water-filling for Gaussian Vector Access Channels” ISIT2001, Jun 2001 [21] W Yu, W Rhee, S Boyd, J M Ciof, ”Distributed Multiuser Power Control on Digital Subscriber Lines”, IEEE J Select Areas Commun., vol 20, pp.105.1115 Jun 2002 [22] Zhi-Quan Luo, Jong-Shi Pang, “Analysis of Iterative waterfilling algorithm for multiuser power control in digital subscriber lines”, Department of Mathematical Sciences, Department of Decision Science, New York December 3, 2004  ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ THỊ THU KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ PHÂN BỐ BIT CHO TRƯỜNG HỢP HỆ FDD-DMT ĐA NGƯỜI DÙNG Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên... khiển công suất tốc độ Error! Bookmark not defined CHƯƠNG KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ PHÂN BỐ BIT CHO HỆ FDD-DMT ĐA NGƯỜI DÙNG Error! Bookmark not defined 3.1 Phát biểu toán Error!... người dùng Error! Bookmark not defined 2.4.1 Phân bố công suất bit đa người dùng Error! Bookmark not defined 2.4.2 Thuật toán điều khiển công suất tốc độ Error! Bookmark not defined CHƯƠNG KẾT