Ở bài viết này, một kịch bản phân bổ công suất theo mô hình lớp phủ được đề xuất dựa trên thuật toán IPW (Iterative Partitioned Water-filling) truyền thống. Kịch bản này áp dụng với điều kiện băng tần được bảo vệ và đặt hợp lý giữa các sub-channel nơi mà người dùng chính PU (Primary User) và người dùng thứ cấp SU (Secondary User) được đặt liền kề. Kịch bản này không những làm tăng tối đa hóa dung lượng kênh của người dùng thứ cấp SU mà còn làm giảm sự rò rỉ công suất của các sub-carrier của người dùng chính PU gây ra.
ISSN 2354-0575 NÂNG CAO DUNG LƯỢNG KÊNH Ở HỆ THỐNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DỰA TRÊN OFDM Nguyễn Văn Vinh, Đỗ Ngọc Ước Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 22/01/2018 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 01/03/2018 Ngày báo chấp nhận đăng: 09/03/2018 Tóm tắt: Mơ hình truy cập chia sẻ phổ tần số hệ thống vơ tuyến nhận thức bao gồm hai mơ hình mơ hình lớp phủ (Overlay) mơ hình lớp lót (Underlay) Ở báo này, kịch phân bổ cơng suất theo mơ hình lớp phủ đề xuất dựa thuật toán IPW (Iterative Partitioned Water-filling) truyền thống Kịch áp dụng với điều kiện băng tần bảo vệ đặt hợp lý sub-channel nơi mà người dùng PU (Primary User) người dùng thứ cấp SU (Secondary User) đặt liền kề Kịch làm tăng tối đa hóa dung lượng kênh người dùng thứ cấp SU mà cịn làm giảm rị rỉ cơng suất sub-carrier người dùng PU gây Từ khóa: Vơ tuyến nhận thức; Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao; Phân bổ cơng suất; Rị rỉ cơng suất sóng mang Giới thiệu Sự phát triển nhanh truyền thông không dây so với nguồn tài nguyên phổ tần chênh lệch, dẫn đến tình trạng khan phổ tần hạn chế truyền thơng khơng dây ví nút thắt cổ chai cho phát triển tương lai Tuy nhiên, việc tái tạo sử dụng lại phổ tần hồn tồn đặc điểm phổ tần Cụ thể, phép đo phổ tần cho thấy người dùng PU sử dụng cịn nhiều lỗ hổng để giải vấn đề này, gần nhiều học giả giới thiệu đề xuất người sử dụng thứ cấp SU hệ thống ủy quyền có Cơ hội truy cập phổ tần PU đạt nhằm mục đích nâng cao hiệu việc truy cập phổ tần [1] Xem xét việc bảo vệ hiệu suất thông tin cho người dùng PU, đời SU cần phải đảm bảo tiền đề truyền dẫn phải đáp ứng hạn chế can nhiễu PU Hệ thống vơ tuyến nhận thức kỹ thuật để đạt chức Trong hệ thống vơ tuyến nhận thức, SU coi môi trường xung quanh phổ tần; lỗ hổng phổ tần tìm thấy nhờ cảm biến, cách điều chỉnh thông số truyền tạo hội truy cập cho PU đảm bảo tính ủy quyền hợp pháp [2, 3] Kỹ thuật OFDM có cấu trúc tái phân bổ điều chỉnh tham số; mơ hình (modul) biến đổi Fourie nhanh (FFT, Fast Fourier Transformation) sử dụng cho cảm biến phổ tần Với ưu điểm lợi trên, kỹ thuật OFDM trở thành cơng 44 nghệ có ứng dụng lý tưởng cho hệ thống vô tuyến cảm nhận [4] Công nghệ chủ chốt áp dụng phân bổ công suất cho hệ thống tương tự hệ thống OFDM truyền thống, với nguyên tắc hạn chế công suất truyền tải tối đa hệ thống máy phát dựa thông tin trạng thái kênh (CSI, Channel State Information) sub-carriers để tối ưu hóa khả liên kết chúng Trong hệ thống vô tuyến nhận thức dựa OFDM, SU hoạt động băng tần số bao gồm nhiều băng tần PU cấp phép, PU cấp phép coi sub-channel SU Để bổ sung cho kịch này, đề án phân bổ công suất đáp ứng hạn chế công suất máy phát mà đáp ứng hạn chế can thiệp PU sub-channel Ở tài liệu tham khảo số [5], thơng qua phân tích nhiễu PU rị rỉ cơng suất subcarriers, vấn đề phân bổ công suất hệ thống vô tuyến nhận thức dựa OFDM xây dựng toán tối ưu hóa lồi Ở báo này, tác giả đề án phân bổ công suất tối ưu nhằm mục tiêu tối ưu hóa cơng suất sub-channel liên kết thu cách giải vấn đề phương pháp số, cụ thể, tác giả đề xuất hai kịch điển hình cách thay đổi biến liên quan có tính đến rị rỉ cơng suất thay đổi biến liên quan khơng tính đến rị rỉ cơng suất sub-carriers liền kề dựa thuật tốn IPW Phần cịn lại báo tổ chức sau: phần trình bày mơ hình hóa hệ thống phổ, phần trình bày kịch phân bổ cơng suất tối ưu dựa thuật tốn IPW, phần trình bày kết Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 mô thảo luận, cuối kết luận trình bày phần Mơ hình hóa hệ thống phổ Phần chủ yếu xem xét mơ hình phổ tần số người sử dụng hệ thống vô tuyến nhận thức biểu diễn Hình [7] Hình 1, giả định băng tần cấp phép người dùng nhận thức chia thành M channels, subchannels tương ứng với dải tần cấp phép người dùng Người dùng nhận thức sử dụng kỹ thuật OFDM, tổng số sub-carriers N, khoảng cách hai sub-carrier Δf, mi định nghĩa “nhãn” sub-carrier sub-channel thứ j Đồng thời, để tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích, nhóm tác giả cịn giả định băng thông sub-channel số nguyên khoảng cách sub-carriers hệ thống này, SU yêu cầu phải biết trước thông tin trạng thái kênh (CSI, Channel State Information) PU chiến dụng thông qua cảm biến phổ với mục đích giúp PU hạn chế can thiệp sub-carriers lân cận hiệu suất truyền PU trước truyền Do vậy, tiền đề để tối đa hóa khả liên kết SU PU Hình Phổ tần SU hệ thống vô tuyến nhận thức dựa OFDM Sử dụng lược đồ mã hóa lý tưởng theo định lý Shannon, tỷ lệ truyền sub-channel thứ j người sử dụng thứ cấp biểu diễn sau: hj # pj G (1) R j _ p j , h j i = ln =1 + N0 hj kênh phức đạt sóng mang thứ j; N0 công suất nhiễu trắng (Gauss) sub-carrier; Pj biểu thị cho tổng công suất phát hạn chế Ở hệ thống vô tuyến nhận thức, cần phải đưa cơng suất phát sub-channel truyền tải người dùng thứ cấp phải đáp ứng hạn chế nhiễu người dùng chính, Hình Hình Mơ Hình hệ thống vơ tuyến cảm nhận Để đảm bảo chất lượng truyền dẫn người dùng chính, máy phát người dùng thứ cấp phát diện máy thu người dùng khoảng cách d Công suất phát truyền tải PTi người sử dụng thứ cấp thứ i phải đảm bảo cơng suất tín hiệu khoảng d không lớn ngưỡng gây nhiễu tối đa cho phép người dùng Trong tình này, theo [1] PUi định nghĩa khu vực bảo vệ có bán kính ri địi hỏi phải có can thiệp công suất đường biên (lề) khu vực thấp giá trị ηi định Vì thế, cơng suất truyền tải SU kênh phải chịu hạn chế công suất Fi, cho b (2) Fi # h i _ di - ri i i đây: di khoảng cách máy phát PUi SU; βi biểu diễn yếu tố tổn hao đường truyền Giới hạn nói làm ảnh hưởng đến cơng suất can thiệp PUi chuyển đổi sang SU, làm hạn chế công suất truyền sub-channel Sau đây, giả sử Gi biểu thị hạn chế công suất truyền kênh thứ i, khó để tìm thấy khoảng cách máy phát SU PUi nhỏ, chí khu vực bảo vệ PUi , SU sub-channel truyền hạn chế cơng suất tương ứng nghiêm ngặt Đối với SU sử dụng điều chế OFDM, công suất phân bổ truyền tải thực tế subchannel hệ thống không bao gồm subchannel phụ thuộc vào công suất subcarriers mà bao gồm cơng suất rị rỉ subchannel ngồi subcarriers Với mơ tả ngắn gọn, định nghĩa đây, ma trận J bao gồm phần tử hàng i, cột thứ j viết (Ji,j); (Ji,j) đại diện cho đơn vị phân bổ công suất subcarriers thứ j, subchannels truyền thứ i Theo [6], ta có: J N2 r mi + - Df K KK sin Df _ f - jDf i OOO OO df # KKK r Ji, j = Df OO _ i f j f D K (3) mi - Df Df L P mi + - Df sin r _ x - j i f p dx Ji, j = # r_ x - ji mi - Df Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology 45 ISSN 2354-0575 đây: i dùng biểu diễn cho subchannels, i = 1, 2, …, M; mi biểu diễn kênh thứ i; j biểu diễn cho subcarriers, j = 1, 2, …, N; Tf khoảng cách hai subcarriers Xác định phần bên phải bất bình đẳng phương trình (2) giới hạn công suất truyền tải thứ cấp Gi kênh phụ thứ i biểu diễn b Gi = h i _ di - ri i i (4) Có thể dễ dàng suy luận máy phát người dùng thứ cấp nằm khoảng cách nhỏ từ máy phát người dùng khu vực bảo vệ người dùng cơng suất truyền tải thứ cấp người dùng sub-channels tương ứng bị giới hạn mức nghiêm ngặt Ngồi ra, cơng suất phát sub-channel thứ i biểu diễn sau: mi + - Fi = / Pj ; (5) j = mi i = 1, 2, 3, , M; j = 1, 2, 3, , N Pj biểu thị cơng suất phân bổ người sử dụng thứ cấp sub-carriers thứ j, P = [P1, P2, , PN]T Do đó, theo cơng thức (2), để bảo vệ hiệu tất người dùng chính, việc phân bổ cơng suất người sử dụng thứ cấp cần đáp ứng hạn chế công suất truyền tải M kênh thời điểm biểu diễn sau: F≤G (6) đây: F = [F1, F2, , FN]T; G = [G1, G2, , GM]T Kịch phân bổ cơng suất tối ưu dựa thuật tốn IPW Mục tiêu phân bổ công suất hệ thống vơ tuyến nhận thức dựa OFDM, ngồi hạn chế tổng công suất phát, đề án phân bổ công suất phải tuân thủ điều kiện hạn chế subchannel truyền phải thỏa mãn công thức (6) Do vậy, vấn đề phân bổ công suất tối ưu hệ thống vơ tuyến nhận thức dựa OFDM, mơ hình hóa sau: N P* = argmax / R j j=1 (7) Z] P $ ]] ] N (8) s t [] / Pj # Ptot ]] j = ]F # G \ Pk = 0, kd{k| số sub-carriers theo tỷ lệ 1: thuộc SU gần với PU} đó: Ptot đại diện cho tổng công suất truyền tải người sử dụng thứ cấp Ngoài ra, cần lưu ý người dùng thứ cấp hệ thống bị 46 can thiệp người dùng chính, nhiễu nhiễu Gaussian trắng bổ sung người nhận thứ cấp Điều không ảnh hưởng đến mơ hình tốn học phần Thuật toán cải tiến đề xuất phần dựa mơ hình thiết lập sau: Khởi tạo: A={i│i=1, 2, , M}, B=0, Pi=Ptot , k=1 Cd{j│số sub-carrier thứ j sub-channel thứ i, jd A} Bắt đầu: (1) Thiết lập sub-carrier gần với sub-channel nơi mà người dùng coi người dùng thứ cấp sub-carrier bảo vệ mà không phân bổ công suất, cập nhật C; (2) Thực phân bổ cơng suất theo thuật tốn IPW truyền thống cho sub-carrier cịn lại thuộc C với cơng suất Pk = Ptot, thu công suất Pj sub-carrer tương ứng; (3) Với i ϵ A, so sánh Fi Gi, ta nhận D = {i│Fi ≥ Gi , i ϵ A}; (4) Cập nhật A=A\D, B=BjD, Pk+1=Pk - / G i ; i!D (5) Nếu D g 0, k = k+1, quay lại bước 2; (6) Đối với kênh thứ i, i ϵ D, thực việc phân bổ cơng suất theo thuật tốn IPW truyền thống với công suất Gi cho sub-carrier tương ứng, thu công suất Pj tương ứng, J ϵ C Kết mô thảo luận Ở phần mơ này, nhóm tác giả sử dụng mơ hình kênh Đơ thị điển hình (TU Model, Typical Urban Model) cách tạo phading chon lọc tần số; mơ hình gồm sub-channels truyền dẫn, đường kính tham số trễ tương ứng là: [0.0, 0.2, 0.5, 1.6, 2.3 5.0]µs; tham số phân bổ công suất là: [0.189, 0.379, 0.239, 0.095, 0.061 0.037] tương ứng; SU có băng thơng tần số 5MHz chia thành sub-channels, subchannel tương ứng với PU cấp phép mặt phổ tần; tổng sub-carriers 64, tương ứng với sub-channel 16 sub-carriers; Pt tổng hạn chế công suất truyền, N0 công suất nhiễu, trường hợp tác giả sử dụng giá trị 640 cho Pt N0 tương ứng; hạn chế công suất truyền sub-channel là: Gi = [80, 480, 1.8 480]T [8] Ở báo này, nhóm tác giả sử dụng tín hiệu (symbol) OFDM sub-channels cách thay đổi giá trị biến liên quan có tính đến rị rỉ cơng suất để giải vấn đề tối ưu hóa (5), kết mơ thể Hình Và để so sánh, đề tài đưa kết mô thay Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 đổi giá trị biến liên quan dựa thuật toán IPW, nhiên kết bỏ qua rị rỉ cơng suất sub-carriers, Hình tương ứng Hình Kết khảo sát rị rỉ công suất phân bổ sub-carrier channel thứ giảm khoảng 10 lần, điều làm cho hạn chế công suất nhiễu PU3 bị hư hỏng nặng Như vậy, thuật tốn IPW khơng áp dụng trường hợp Vì lẽ đó, Hình đề án phân bổ cơng suất khơng tối đa hóa dung lượng sub-channel mà đáp ứng yêu cầu hạn chế công suất phát sub-channel So sánh với Hình 4, thấy lượng sub-channels tốt, phân bổ công suất subcarriers sub-channel thứ liền kề bị hạn chế đáng kể, thời gian, nhiều công suất phân bổ sub-carriers xa sub-channel thứ Mặt khác, thấy đề án gần giống đề án phân bổ công suất sub-channel, điều bối cảnh hạn chế công suất, bỏ qua cơng suất rị rỉ sub-carriers đề án phân bổ công suất tối ưu thay đổi giá trị biến liên quan dựa thuật toán IPW hiệu so với đề án số Có thể thấy Hình 3, hạn chế cơng suất truyền sub-channel thứ thấp 35dB so với kênh lân cận, điều có nghĩa SU gần chí nằm khu vực bảo vệ PU3 Để đáp ứng yêu cầu giới hạn công suất nhiễu PU3 gây ra, địi hỏi phải hạn chế cơng suất truyền SU sub-channel thứ phải nghiêm ngặt Hình Mối quan hệ dung lượng hệ thống tỷ số S/N Hình Kết phân bổ cơng suất dựa thuật toán IPW thay đổi giá trị Ở Hình 4, thấy cơng suất phân bổ cho sub-channel so với hạn chế công suất sub-channel truyền tương ứng, ảnh hưởng cơng suất rị rỉ sub-cariers subchannels liền kề, mà công suất truyền sub- Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Hình Mối quan hệ dung lượng hệ thống nhiễu tác động vào PUs Journal of Science and Technology 47 ISSN 2354-0575 Đồng thời, dung lượng hệ thống số phương pháp đưa chức thay đổi tỷ số S/N so sánh với thay đổi nhiễu PU, thể Hình Hình tương ứng Mặt khác, thấy hiệu suất hệ thống phương án khác tăng dần lên với việc tăng dần tỷ số S/N Tuy nhiên, so với thuật toán IPW, thuật tốn số thuật tốn bảo vệ sub-carrier hai bên thùy biên đề xuất có dung lượng hẳn, điều cho giảm ảnh hưởng cơng suất rị rỉ sub-cariers sub-channels liền kề, mà hiệu suất dung lượng kênh cải thiện đáng kể Kết luận Ở báo này, nhóm tác giả hạn chế công suất can thiệp PU tiền đề phương án phân bổ công suât tối ưu hóa khả liên kết đạt cách giải toán tối ưu hóa lồi Với thuật tốn IPW thuật tốn tại, số học giả dừng lại việc xem xét tác động ảnh hưởng qua lại PU SU mà chưa đề cập đến cơng suất rị rỉ sub-carriers Hai đề án phân bổ công suất báo xét mặt lý thuyết tốt chấp nhận được, nhiên thuật tốn bảo vệ sub-carrier hai bên thùy biên đề xuất có dung lượng hẳn, điều cho giảm ảnh hưởng cơng suất rị rỉ sub-cariers sub-channels liền kề, mà hiệu suất dung lượng kênh cải thiện đáng kể Tương lai, vấn đề tiếp tục xem xét tập hợp ứng dụng kết hợp với thuật toán IPW thuật toán khác nhằm bảo vệ subchannels Tuy nhiên, việc thực đề án phân bổ công suất tối ưu phải có độ phức tạp vừa phải Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Khoa học Công nghệ, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, với số tài trợ: UTEHY.T013.P1718.02 Tài liệu tham khảo [1] Zhao Q, Sadler B., A survey of dynamic spectrum access, signal processing, networking, and regulatory policy IEEE Signal Processing Magazine, 2007, 55 (5), pp 2294-2309 [2] Haykin S., Cognitive radio: Brain-empowered wireless communications IEEE Journal on Selected A reas in Communications, 2005, 23 (2), pp 201- 220 [3] Mitola J., Cognitive radio for flexible mobile multimedia communications Proc IEEE International Workshop on Mobile Multimedia Communications, San Diego: IEEE Press 1999, pp 3-10 [4] Weiss T, Jondral F., Spectrum pooling: An innovat ive strategy for the enhancement of spectrum efficiency IEEE Communications Magazine, 2004, 42 (3), pp S8-S14 [5] Wang P, Zhao M, Xiao L, etal., Power allocation in OFDM-based cognitive radio systems Proc IEEE Global Communication Conference Wasshington DC: IEEE Press, 2007, pp 4061-4065 [6] Weiss T, Hillenbrand J, Krohn A, etal., Mutual interference in OFDM-based spectrum pooling systems Proc IEEE Vehicular Technology Conference Spring, Milan: IEEE Press 2004, pp 18731877 [7] S Boyd, L Vandenberghe, Convex Optimization Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2004 [8] Nguyễn Văn Vinh, Tối ưu hóa thuật tốn IPW hệ thống vơ tuyến nhận thức dựa OFDM Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, 2016, 10 (06), tr 45-49 IMPROVEMENT OF CHANNEL CAPACITY IN COGNITIVE RADIO SYSTEMS BASED ON OFDM Abstract: The spectrum-sharing access model in the cognitive radio system consists of two main models, the Overlay model and the Underlay model In this paper, a power overlay scenario based on the overlay model is proposed based on the traditional Iterative Partitioned Water-filling (IPW) algorithm This scenario applies to protected and reasonably allocated bandwidth between sub-channels where the Primary User 48 Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 (PU) and the Secondary User (SU) are placed adjacent This scenario not only maximizes the user capacity of the secondary SU, but also reduces the power leakage of sub-carrier users of the PU Keywords: Cognitive Radio (CR); Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM); Power Allocation; Subcarrier Side Lobe Khoa học & Công nghệ - Số 17/Tháng - 2018 Journal of Science and Technology 49 ... phần Mơ hình hóa hệ thống phổ Phần chủ yếu xem xét mơ hình phổ tần số người sử dụng hệ thống vô tuyến nhận thức biểu diễn Hình [7] Hình 1, giả định băng tần cấp phép người dùng nhận thức chia thành... Do vậy, tiền đề để tối đa hóa khả liên kết SU PU Hình Phổ tần SU hệ thống vô tuyến nhận thức dựa OFDM Sử dụng lược đồ mã hóa lý tưởng theo định lý Shannon, tỷ lệ truyền sub-channel thứ j người... , FN]T; G = [G1, G2, , GM]T Kịch phân bổ công suất tối ưu dựa thuật tốn IPW Mục tiêu phân bổ cơng suất hệ thống vô tuyến nhận thức dựa OFDM, ngồi hạn chế tổng cơng suất phát, đề án phân bổ công