Luận văn đề xuất áp dụng cửa sổ Turkey cho CRS đơn người dùngdựa trên OFDM; đề xuất giải thuật Full-filling cho phân bổ công suất sóng mang con nhằm làm giảm độ phức tạp tính toán; đề xuất áp dụng cửa sổ Turkey cho CRS đa người dùng dựa trên OFDM; đề xuất giải thuật phân bổ sóng mang con Q-IIA cho CRS đa người dùng.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ VĂN TUẤN NÂNG CAO DUNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN CĨ NHẬN THỨC DỰA TRÊN OFDM Chun ngành: Kỹ thuật Viễn thơng Mã số: 62.52.70.05 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG Hà Nội – 2017 - Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN THÀNH HIẾU PGS TS NGUYỄN VIẾT KÍNH Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Tổng quan Vơ tuyến có nhận thức (CR) xem hướng nhằm nâng cao hiệu sử dụng tài nguyên tần số thông qua việc tận dụng phần băng tần cấp cho hệ thống (PU) sử dụng.Kỹ thuật OFDM thừa nhận rộng rãi để dùng cho hệ thống vơ tuyến có nhận thức (CRS) Bài toán đặt Do sử dụng băng tần PU nên CRS không phép gây mức nhiễucho PU cao ngưỡng Ith Vậy làm để nâng cao dung lượng truyền CRS điều kiện này, giữ độ phức tạp tính tốn thấp để phù hợp với CRS? Hướng nghiên cứu nghiên cứu sinh Giải pháp sử dụng kỹ thuật cửa sổ (windowing) xem xét để hạn chế mức phát xạ băng (mức nhiễu sang PU) sóng mang OFDM, từ tăng cơng suất phát để tăng dung lượng truyền cho CRS Bên cạnh đó, giải pháp phân bổ cơng suất cho sóng mang nghiên cứu để làm giảm độ phức tạp tính tốn Phương pháp nghiên cứu Phương pháp kết hợp giải tích với mơ Monte-Carlo sử dụng máy tính sử dụng phục vụ nghiên cứu luận án Các đóng góp Các kết nghiên cứu luận án (nằm chương 2,3 4) đạt mục đích đề ra, bao gồm: (i) Đề xuất áp dụng cửa sổ Turkey cho CRS đơn người dùng dựa OFDM; (ii) Đề xuất giải thuật Full-filling cho phân bổ công suất sóng mang nhằm làm giảm độ phức tạp tính toán; (iii) Đề xuất áp dụng cửa sổ Turkey cho CRS đa người dùng dựa OFDM; (iv) Đề xuất giải thuật phân bổ sóng mang Q-IIA cho CRS đa người dùng Bố cục luận án Bố cục luận án gồm phần mở đầu, chương phần kết luận Chương tổng quan vô tuyến có nhận thức giới thiệu tốn nâng cao dung lượng điều kiện có giới hạn nhiễu cho PU Chương đề xuất áp dụng kỹ thuật cửa sổ Turkey, vốn sử dụng phổ biến cho WLAN 802.11, cho CRS Chương đề xuất giải thuật Full-filling phân bổ cơng suất sóng mang CRS nhằm làm giảm độ phức tạp tính tốn Chương cải tiến giải pháp phân chia nghịch đảo theo nhiễu (IIA) đề xuất giải pháp phân bổ sóng mang Q-IIA cho người dùng CRS Chương 1: Tổng quan vơ tuyến có nhận thức toán nâng cao dung lượng Tổng quan hệ thống thơng tin có nhận thức Hệ thống thơng tin có nhận thức (CRS) hình thành dựa nhu cầu khai thác, tận dụng khoảng trống tần số - phần phổ tần ấn định cho người sử dụng (PU) khơng sử dụng địađiểm khoảng thời gian xác định Các đặc tính CRS bao gồm khả có nhận thức (nhận biết mơi trường vơ tuyến xung quanh để phát khoảng trống tần số để xác lập tham số hoạt động tốt nhất), khả cấu hình lại (tự lập trình lại cách linh hoạt, phù hợp với điều kiện mơi trường xung quanh) Ngồi ra, CRS hoạt động phải đảm bảo không gây mức nhiễu cao ngưỡng cho phép người sử dụng Về ứng dụng, vơ tuyến có nhận thức (CR) dự báo ứng dụng nhiều hệ thống vô tuyến tương lai Hiện IEEE xây dựng hai tiêu chuẩn 802.22,802.11afcó sử dụng CR Chuẩn 802.22 cho mạng WRAN, thông qua vào tháng năm 2011 Chuẩn 802.11af(“White-Fi”, “Super-Fi”) tiêu chuẩn họ 802.11 WLAN, thông qua vào tháng năm 2014 Khác với chuẩn 802.22 sử dụng OFDMA, chuẩn 802.11af sử dụng OFDM 1.2 Một số hướng nghiên cứu vơ tuyến có nhận thức Vơ tuyến có nhận thức cơng nghệ q trình hình thành hồn thiện nêncịn có hàng loạt thách thức, tốn đặt để nghiên cứu Trong đó, kỹ thuật nhận dạng phổ tần, giải pháp nhằm giảm nhiễu sóng mang nhiễu từ CRS sang PU chủ đề thu hút quan tâm nghiên cứu nhiều tác giả Bên cạnh đó, tốn nâng cao dung lượng CRS chủ đề thu hút quan tâm nghiên cứu thời gian gần Luận án tổng hợp, tóm tắt số nghiên cứu nhận dạng phổ tần (nhận dạng dựa phát lượng tín hiệu, nhận dạng qua đặc tính dừng vịng tín hiệu, dựa dạng sóng, nhận dạng qua lọc hịa hợp, nhận dạng phân tán, nhận dạng ngoài); Quản trị phổ tần; Phân chia chia sẻ phổ tần 1.3 Bài toán nâng cao dung lượng CRS 1.3.1 Tổng quan Với toán dung lượng CRS, luận án nghiên cứu trường hợp tổng quát, có hệ thống PU sử dụng L đoạn phổ tần số có độ rộng B1, B2, …BL (Hz) có L đoạn băng tần nằm xen kẽ chưa sử dụng nên CRS tìm thấychiếm dụng chia thành N sóng mang OFDM, sóng mang có độ rộng ∆Hz Hình 1.1: Nhiễu hai chiều qua lại CR PU Về khía cạnh nhiễu, tín hiệu phát OFDM CRS nguồn nhiễu máy thu PU ngược lại biểu diễn hình 1.2, hệ số suy hao máy phát CRS máy thu PU viết tắt hsp, máy phát PU máy thu CR viết tắt hps, máy phát CR máy thu CR hss Trong CRS hoạt động với diện PU, tốc độ truyền dẫn tối đa CRS sau: hiss Pi N C max Pi với điều kiện: L f log i L l (1.1) Jl i N Iil dil , Pi I th (1.2) l i Pi (1.3) i 1, 2, , N Trong đó, C dung lượng CRS, N tổng số sóng mang OFDM CRS, Ith mức nhiễu tối đa mà PU chấp nhận từ CRS, sóng mang con, CR, nhiễu Gauss, ∆f độ rộng phổ tần hệ số suy hao kênh người dùng nhiễu từ băng thứ l PU vào sóng mang OFDM thứ i CRS, nhiễu từ sóng mang thứ i vào băng l PU, Pi công suất phát sóng mang thứ i Cơng thức (1.1) cho thấy, tốc độ truyền phụ thuộc không vào công suất phát Pi mà vào mức nhiễu máy phát PU gây phía thu CRS 1.3.2 Các nghiên cứu nâng cao dung lượng CRS Trong toán nâng cao dung lượng CRS, số nghiên cứu trước đưa phương án phân bổ công suất tối ưu, số phương án phân bổ công suất cận tối ưu Với phân bổ công suất tối ưu, CRS dùng OFDM đạt tốc độ truyền dẫn cao nhất, đảm bảo tổng mức công suất nhiễu gây cho PU ≤ Ith, cơng suất phân bổ cho sóng mang xác định theo công thức sau: * Pi max 0, L l Kl i L J l l i ss i (1.4) h | Nhược điểm phân bổ công suất tối ưu độ phức tạp tính tốn cao, khó khả thi cho hệ thống bị giới hạn công suất hay độ phức tạp CRS Một số giải pháp cận tối ưu đề xuất: - Phân bổ cơng suất, sóng mang phân bổ mức công suất P nhau: PiU Ith N L i l (1.5) K l Pi i - Phân bổ cơng suất theo hình bậc thang với hai giải pháp Scheme A Scheme B, dựa ý tưởng phân bổ công suất tỷ lệ nghịch với mức nhiễu sóng mang CRS gây cho PU Đối với Scheme A, sóng mang CRS nằm kề PU phân bổ mức công suất P, sóng mang nằm cách xa dần PU phân bổ mức công suất tăng đồng biến 2P, 3P, Trong Scheme B bước nhảy công suất bậc thang liền kề xác lập theo hướng nằm cách xa PU, bước nhảy lớn Mức cơng suất phân bổ cho sóng mang thứ i CRS phương án xác định sau: Pi B I th N L l (1.6) Kl i Giải pháp phân bố công suất theo hàm mũ (Scheme C D), phát triển từ Scheme A Scheme B Trong Scheme C, công suất nhiễu Ith phân chia cho sóng mang CRS, cơng suất tối đa mà sóng mang thứ ith phân bổ PCi = p x i1.5 với i= 1,2, ,N (N số sóng mang con) Trong Scheme D, việc phân bổ tương tự, số hàm mũ có thay đổi, PCi = p x i3 Hình 1.2: Phân bổ cơng suất theo hình bậc thang Một số nghiên cứu ảnh hưởng tắt (nulling) sóng mang để giảm nhiễu cho thấy CRS tắt sóng mang nằm kề băng PU,hiệu giảm nhiễu tốt Cũng dùnggiải thuật Max-Min để phân bổ bit cho cặp sóng mang con/trạm gốc CRS để đạt hiệu dung lượng Kết mô phỏng, CRS đạt tốc độ liệu gần mức giới hạn trường hợp tối ưu (sự khác biệt nhỏ 5%) Giải thuật phân bổ phổ tần số cho người dùng CRS dựa kết giám sát nhiễu tạp âm mức nhiễu PU tạo ra, từ tính mức cơng suất tối đa phân bổ kênh truyền đề xuất gần Bằng cách hệ thống xác định tất đường truyền tiềm người dùng CRS để tối ưu hóa dung lượng hệ thống đảm bảo ngưỡng bảo vệ Ith cho PU Chương 2: Giải pháp nâng cao dung lượng CR kỹ thuật windowing 2.1 Đặt vấn đề Theo (1.1), dung lượng C CRS tăng tỷ lệ thuận với công suất sóng mang Pi Pităng nhiễu từ CRS sang PU tăng công suất búp phụ (sidelobe) sóng mang tăng Vì vậy, cần giải pháp giảm búp phụ từ CRS sang PU, để tăng Pi qua tăng C Một kỹ thuật để làm giảm công suất búp phụ kỹ thuật cửa sổ lọc(windowing) Kỹ thuật dùng phổ biến WLAN chuẩn 802.11 dựa OFDM Vì lý nêu trên, nghiên cứu sinh lựa chọn kỹ thuật windowing nghiên cứu, đề xuất cho toán nâng cao dung lượng CRS dựa OFDM 2.2 Hiện tượng dị phổ tín hiệu q trình FFT, DFT Tín hiệu OFDM có mức phát xạ băng cao búp phụ cao tạo trình xử lý lấy mẫu tín hiệu miền thời gian làm cho tín hiệu không liên tục khác so với ban đầu, qua biến đổi DFT sang miền tần số tạo dải tần số rộng, làm cho phổ tín hiệu sau FFT bị kéo rộng, tạo hiệu tượng dò phổ tần làm giảm SNR, đồng thời tăng gây nhiễu cho băng tần liền kề Hình 2.1 mơ tả khác biệt tín hiệu gốc (tín hiệu sin) tín hiệu mà DFT sử dụng cho phép biến đổi Phổ tín hiệu sin chuẩn vạch tần số miền tần số Tuy nhiên, qua biến đổi DFT, tính khơng liên tục tín hiệu miền thời gian nên biến đổi qua miền tần số tạo phổ gồm chuỗi tần số (hiện tượng dò phổ tần) (b) (a) Hình 2.5: Phân bổ cơng suất sóng mang CRS với trường hợp Ith = σ2 (hình a) = 5σ2 ( hình b) (a) (b) Hình 2.6: tốc độ CRS có khơng có window, hệ số uốn 0,3 (hình a) = 0,6 (hình b) = 2.3.2 Nhận xét Về tốc độ truyền CRS: Tốc độ truyền CRS tăng lên đáng kể, từ 28 Mbps lên 40 Mbps(với α=0.3, Ith =σ2), áp dụng windowing Điều cửa sổ giúp làm giảm phát xạ không mong muốn sóng mang CRS, tức làm giảm nhiễu từ CRS sang PU, qua giúp CR tăng cơng suất phát tăng tốc độ truyền dẫn Từ hình 2.5, 2.6, điều kiện nhiễu nới lỏng (Ith cao hơn), CRS đạt tốc độ truyền cao ngược lại Điều giải thích Ith tăng, tức PU chấp nhận mức nhiễu cao hơn, 11 nên công suất phân bổ cho sóng mang CRS tăng lên, qua làm tăng tốc độ truyền CRS Từ hình 2.6, hệ số uốn lớn tốc độ truyền CRS cao ngược lại Khi hệ số uốn cao mức phát xạ không mong muốn giảm, tức mức gây nhiễu cho PU thấp, CRS phát cơng suất lớn hơn,làm cho tốc độ truyền cao Ngược lại hệ số uốn 0, tương đương với trường hợp khơng áp dụng kỹ thuật windowing, mức nhiễu lớn Tuy nhiên, hệ số uốn tăng, kéo theo kéo dài ký tự miền thời gian Trong thực tế, giá trị hệ số uốn nằm khoảng 0-0,3 Về phân bố mức công suất cho sóng mang CRS: Các sóng mang có tần số nằm nằm gần tần số PU có mức cơng suất thấp, có khoảng cách tần số xa PU phân bổ cơng suất cao, nhiều sóng mang cịn phân bổ mức cơng suất tối đa Kỹ thuật windowing có tác động rõ rệt lên mức cơng suất phân bổ cho sóng mang con, cơng suất phát sóng mang tăng lên đáng kể so với khơng sử dụng windowing (hình 2.3), sóng mang nằm xa PU (≥ ∆f) phân bổ mức công suất tối đa mà CRS phân bổ Khi Ith tăng lên (hình 2.5), mức cơng suất sóng mang CRS tăng lên.Khi sử dụng windowing, với Ith= 5σ2và Ith= σ2 sóng mang có vị trí số 7-14 có mức cơng suất phân bổ tối đa Điều có nghĩa mức nhiễu mà sóng mang gây không đáng kể với PU Như vậy, với Ith băng thông B xác định, xác định trước sóng mang có có 12 thể phân bổ mức công suất tối đa mà không cần phải dùng phép tốn tối ưu hóa cơng suất để tính tốn, giảm độ phức tạp tính tốn Trường hợp sử dụng windowing, số lượng đáng kể sóng mang phân bổ mức công suất tối đa (mức công suất biết trước),chỉ số sóng mang nằm gần PU có mức cơng suất nhỏ cơng suất tối đa.Điều dẫn đến logic áp dụng kỹ thuật windowing, khơng cần phải tính tốn mức cơng suất cần phân bổ cho sóng mang CRS nằm xa PU mà phân bổ mức công suất tối đa cho chúng Như vậy, kỹ thuật windowing không giúp làm tăng tốc độ truyền CRS mà mở hội làm cho tốn phân bổ cơng suất sóng mang trở nên đơn giản hơn, độ phức tạp tính tốn giảm xuống Cụ thể 8/20 ( tương đương 40%) số sóng mang mơ phân bổ cơng suất tối đa mà khơng cần phải thực phép tính tối ưu 13 Chương Nâng cao dung lượng giải thuật Full-Filling 3.1 Giải thuật Full-filling Trên sở nhận xét từ chương 2, nghiên cứu sinh đề xuất hai giải thuật cận tối ưu với tên gọi chung Full-Filling Nội dung giải thuật tìm số lượng lớn sóng mang đểphân bổ mức cơng suất tối đa đảm bảo tổng mức nhiễu sóng mang CRS gây ≤ Ith Mục đích giải thuật làm giảm số lượng sóng mang cần tính tốn phân bổ tối ưu cơng suất(vốn phép tính phức tạp), qua làm giảm độ phức tạp tính tốn, CRS đạt dung lượng truyền tốt Hai giải thuật riêng rẽ đề xuất Full-Filling (FF) Max Filling Range (MFR) Pre-set Filling Range (PFR) 3.1.1 Giải thuật Max Filling Range Trong MFR, có hai cách để xác định số sóng mang phân bổ mức công suất tối đa: - Cách 1: tắt hết sóng mang (đặt Pi= 0), sau bật sóng mang có khoảng cách tần số lớn tới PU cách phân bổ mức công suất tối đa Pi = Pmax Nếu mức nhiễu sóng mang gây cho PU ≤Ith tiếp tục bật sóng mang nằm cách phân bổ mức công suất Pmax cho chúng, lại kiểm tra mức nhiễu gây cho PU Quá trình tiếp tục lặp lặp lại mức nhiễu sóng mang gây vượt qua mức ngưỡng Ith PU ngừng lại - Cách 2: thay tắt hết sóng mang cách lại phân bổ mức cơng suất tối đa cho tồn sóng mang CRS Bước thực kiểm tra điều kiện tổng mức nhiễu sóng mang gây cho PU, tổng nhiễu lớn Ith 14 ta lại tắt bớt sóng mang có khoảng cách tần số so với PU nhỏ lại quay lại kiểm tra tổng mức nhiễu Chu trình lặp lại đến điều kiện nhiễu thoả mãn ta thu tổng số sóng mang phân bổ mức công suất tối đa Nếu tổng nhiễu