Nội dung của bài viết này trình bày mô hình hệ thống phổ, hạn chế công suất truyền trên kênh, đề án phân bổ công suất tối ưu dựa trên thuật toán IPW, kết quả mô phỏng số và thảo luận.
ISSN 2354-0575 TỐI ƯU HĨA THUẬT TỐN IPW Ở HỆ THỐNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DỰA TRÊN OFDM Nguyễn Văn Vinh, Đào Văn Đã, Hoàng Hải Hưng, Nguyễn Thị Phương Hòa, Nguyễn Thị Thắm, Nguyễn Thị Nhung Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày nhận: 06/4/2016 Ngày sửa chữa: 11/4/2016 Ngày xét duyệt: 24/5/2016 Tóm tắt: Tối ưu hóa thuật tốn IPW (Iterative Partitioned Water-filling) áp dụng việc phân bổ công suất hệ thống vô tuyến nhận thức dựa OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) với mục đích tối ưu hóa dung lượng kênh (channel) cho hệ thống cách xem xét tổng hạn chế công suất channel hạn chế công suất kênh (sub-channel) Cơng suất rị rỉ sóng mang (sub-carriers) liền kề đặc biệt quan tâm hạn chế cơng suất người dùng PU (Primary User) việc thiết lập băng tần bảo vệ phổ tần cho người dùng PU phổ tần người dùng thứ cấp SU (Secondary User) nghiêm ngặt Tối ưu hóa thuật tốn IPW thực lặp lặp lại sub-channels có hạn chế cơng suất nghiêm ngặt thực dạng bậc thang cho sub-carriers Kết mơ thuật tốn đề xuất cho thấy, khơng tốt so với kết thuật tốn IPW, mà độ phức tạp tính tốn đơn giản 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 Đặt vấn đề 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 thông không 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 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 thơng 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 vô 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 Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Transformation) sử dụng cho cảm biến phổ tần Với ưu điểm lợi trên, kỹ thuật OFDM trở thành công nghệ có ứng dụng lý tưởng cho hệ thống vơ 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 cơng suất máy phát mà cịn đáp ứng hạn chế can thiệp PU sub-channel Ở tài liệu tham khảo số [5], thông qua phân tích nhiễu PU rị rỉ công suất subcarriers, vấn đề phân bổ công suất hệ thống vô tuyến nhận thức dựa OFDM xây dựng tốn 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 Journal of Science and Technology 45 ISSN 2354-0575 biến liên quan khơng tính đến rị rỉ công suất sub-carriers liền kề dựa thuật tốn IPW Phần cịn lại báo tổ chức sau: phần trình bày mơ hình hệ thống phổ, phần giới thiệu hạn chế công suất truyền kênh, phần trình bày đề án phân bổ công suất tối ưu dựa thuật tốn IPW, phần trình bày kết mơ số thảo luận, cuối kết luận trình bày phần Mơ hình hóa hệ thống phổ Để sử dụng có hiệu hội phổ bên trái khác hệ thống PU, hệ thống vô tuyến cảm nhận cần phải linh hoạt hình dạng phổ tần tín hiệu truyền Điều chế OFDM ứng cử viên đầy hứa hẹn cho hệ thống linh hoạt vậy, cấu hình tái cấu trúc lại sub-carriers Ngoài ra, thành phần FFT OFDM sử dụng máy dò lượng SU để phát kênh Như Hình 1, hội truy cập phổ tần SU hệ thống vô tuyến cảm nhận dựa OFDM, hội tiếp cận phổ tần SU (khơng có giấy phép) chia thành M sub-channels, sub-channel tương ứng với phổ ủy quyền hệ thống PU Giả sử tổng số sub-carriers SU N, khoảng cách subcarrier Δf, mi biểu diễn số thứ tự cho subcarrier thứ i sub-channel Để đơn giản hóa việc phân tích, mà khơng tính tổng qt, tác giả tiếp tục giả định băng thông sub-channel khoảng cách subcarriers (và số nguyên), cụ thể sub-channel thông tin thứ i chiếm từ (mi - 1)Δf đến (mi+1- 1)Δf Hình Phổ tần SU hệ thống vô tuyến nhận thức dựa OFDM Trong 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 subcarriers lân cận hiệu suất truyền PU trước truyền Do vậy, tiền đề để tối đa hóa khả liên kết SU PU Giới thiệu hạn chế công suất truyền kênh Để đảm bảo can thiệp chấp nhận PU SU hệ thống vô tuyến nhận thức 46 dựa OFDM, xem xét vài trường hợp, cụ thể: • Đầu tiên, SU phát trạng thái kênh PUi để xác định phổ tần tồn hội truy cập phổ trước truyền Các SU phép truyền trừ tín hiệu PUi xem vắng mặt Một xác suất phát đạt để giảm va chạm gây lỗi phát Hình 2, PUi phát hoạt động can thiệp gây tín hiệu SU để PUi nhận tránh • Thứ hai, kể từ PUi phát xa SU, SU phát tín hiệu PUi với việc phát xác suất cần thiết, Hình Hình Mơ hình hệ thống vơ tuyến nhận thức Trong tình này, theo [1] PUi định nghĩa khu vực bảo vệ có bán kính Ri địi hỏi phải có can thiệp cơng 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 (1) Fi # h i _ di - Ri i i di khoảng cách máy phát PUi SU; βi biểu diễn yếu tố tổn hao đường truyền Giới hạn nói làm ảnh hưởng đến công 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 công suất tương ứng nghiêm ngặt Đối với SU sử dụng điều chế OFDM, công suất phân bổ truyền tải thực tế sub-channel hệ thống không bao gồm sub-channel phụ thuộc vào cơng suất sub-carriers mà bao gồm cơng suất rị rỉ sub-channel ngồi sub-carriers Với mơ tả ngắn gọn, định nghĩa đây, ma trận J bao gồm phần tử hàng i, cột thứ j viết Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 (Ji,j); (Ji,j) đại diện cho đơn vị phân bổ công suất sub-carriers thứ j, sub-channels truyền thứ i Theo [6], ta có: J N2 r mi + - f K KK sin Df _ f - jDf i OOO OO df # KKK r Ji, j = Df OO _ i f j f D K Df mi - f L P (2) mi + - f sin r _ x - j i # f p dx Ji, j = r_ x - ji mi - f i dùng biểu diễn cho sub-channels, i=1,2, ,M; mi biểu diễn kênh thứ i; j biểu diễn cho subcarriers, j = 1,2,…,N; Δf khoảng cách hai sub-carriers Như vậy, công suất truyền tải thực tế sub-channel thể (3) Fi = Ji,jPi Fi = [F1, F2, , FM]T; Pi = [P1, P2, , PM]T, Pi công suất phân bổ sub-channel thứ i Do đó, để bảo vệ hiệu suất tất PU M sub-channels đề án phân bổ cơng suất cho SU phải đáp ứng ràng buộc điều kiện hạn chế công suất truyền M sub-channels, thể sau: (4) Ji, j Pi # Gi T Gi = [G1, G2, , GM] , dấu “≤” phía bên trái phần tử vector không lớn so với bất đẳng thức vị trí phần tử tương ứng Đề án phân bổ công suất tối ưu dựa thuật toán IPW Trong hệ thống OFDM thơng thường, khả liên kết để tối đa hóa đề án phân bổ công suất tối ưu thuật tốn IPW Thuật tốn IPW có tổng cơng suất hạn chế phát tối đa giải vấn đề tối ưu hóa lồi Trong hệ thống vơ tuyến nhận thức dựa OFDM, 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 (4) Do vậy, vấn đề phân bổ công suất tối ưu hệ thống vô tuyến nhận thức dựa OFDM, mơ hình hóa sau: N h j Pj (5) P )= argmax / lg e1 + N o j=1 Z] T ]] I Pi # Pt s t [] Ji, j Pi # Gi ]] ] Pi $ \ hj kênh phức đạt sóng mang thứ j; N0 cơng suất nhiễu trắng (Gauss) sub-carrier; Pt biểu thị cho tổng công suất phát hạn chế; I biểu thị cho vector cột với tất tham số Cần lưu ý hệ thống PU bị SU tác Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 động gây nhiễu, tín hiệu gây nhiễu SU coi Gauss Vì vậy, can thiệp Gauss khác sub-channels khác làm cho cơng suất nhiễu subchannel PU khác Tuy nhiên, bù đắp cách điều chỉnh biên độ sub-channels tăng lên để tạo hiệu ứng bất bình đẳng, theo mơ hình tốn học thành lập báo không bị ảnh hưởng Ở tài liệu tham khảo số [5], mơ hình tối ưu hóa tác giả thành lập cách bỏ qua tác động cơng suất rị rỉ sub-carriers, điều tương đương với việc xem xét phần tử khác ma trận J thỏa mãn: Ji , j = 1, J ! 7mi , mi + - 1A , * (6) Ji , j = 0, J " 7mi , mi + - 1A Theo phương trình (2), cơng suất rị rỉ hai sub-carriers liền kề sub-channel truyền tương ứng có cơng suất tương đối nhỏ, so với công suất phát sub-channel lân cận cơng suất rị rỉ xem nhỏ, vậy, tài liệu tham khảo số [5] phép tính xấp xỉ hợp lý bối cảnh chung Tuy nhiên, tình định, chẳng hạn sub-channel truyền bị hạn chế cơng suất thuật tốn IPW cho phù hợp chặt chẽ để gán công suất cho sub-channel lân cận việc rị rỉ công suất sub-carriers tương đối cao không đơn giản bỏ qua Trong đó, theo phương trình (6) nhận thấy sau xấp xỉ thiết lập, thực tế hạn chế công suất M sub-channels tách rời số biến, vào đặc điểm này, cải tiến đề xuất thuật tốn phân bổ cơng suất hiệu hơn, dễ dàng thuận tiện tính tốn Tuy nhiên, xem xét rị rỉ cơng suất tác động subcarrier vấn đề tối ưu hóa theo (5) ràng buộc cơng suất sub-channel khơng cịn có cấu trúc tách rời May mắn thay, vấn đề (5) vấn đề tối ưu hóa tuyến tính ràng buộc lồi Vấn đề giải phương pháp số Kết số thảo luận Ở phần mơ này, tác giả sử dụng mơ hình kênh Đơ thị điển hình (TU Model, Typical Urban Model) cách tạo phading lựa chọn 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 cơng 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, sub- Journal of Science and Technology 47 ISSN 2354-0575 channel 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 Hình Kết khảo sát rị rỉ cơng suất phân bổ sóng mang Ở báo này, 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, báo đưa kết mô thay đổi giá trị biến liên quan dựa thuật toán IPW, nhiên kết bỏ qua rị rỉ cơng suất sub-carriers, Hình Hình Kết phân bổ cơng suất dựa thuật toán IPW thay đổi giá trị 48 Có thể thấy Hình 3, hạn chế công 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 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 subchannel thứ giảm khoảng 10 lần, điều làm cho hạn chế công suất nhiễu PU3 bị hư hỏng nặng Như vậy, thuật toán 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 cịn 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 cơng suất, bỏ qua cơng suất rị rỉ sub-carriers đề án phân bổ cơng suất tối ưu thay đổi giá trị biến liên quan dựa thuật toán IPW hiệu so với đề án số Kết luận Ở báo này, tác giả hạn chế công suất can thiệp PU tiền đề phương án phân bổ cơng suất tối ưu hóa khả liên kết đạt cách giải tốn tối ưu hóa lồi Với thuật toán IPW thuật toán 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 đề xuất báo mặt lý thuyết tốt chấp nhận được, nhiên địi hỏi giải pháp số toán tối ưu lồi việc thực có độ phức tạp cao Tương lai, vấn đề tiếp tục xem xét tập hợp ứng dụng kết hợp với thuật toán IPW nhằm bảo vệ sub-channels Tuy nhiên, việc thực đề án phân bổ cơng suất tối ưu phải có độ phức tạp vừa phải Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 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, vol 55 (5), pp 2294-2309, 2007 [2] Haykin S, “Cognitive Radio: Brain-empowered Wireless Communications,” IEEE Journal on Selected A Reas in Communications, vol 23 (2), pp 201- 220, 2005 [3] Mitola J, “Cognitive Radio for Flexible Mobile Multimedia Communications,” Proc IEEE International Workshop on Mobile Multimedia Communications San Diego: IEEE Press, pp 3-10, 1999 [4] Weiss T, Jondral F, “Spectrum Pooling: An Innovative Strategy for the Enhancement of Spectrum Efficiency,” IEEE Communications Magazine, vol 42 (3), pp S8-S14, 2004 [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, pp 4061-4065, 2007 [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, pp 1873-1877, 2004 OPTIMAL IPW ALGORITHM IN OFDM-BASED COGNITIVE RADIO SYSTEMS Abstract: The optimal of Interactive Partitioned Water-filling (IPW) algorithm is applied in the power distribution in cognitive radio systems based on orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) with the aim at optimizing channel capacity for systems by considering total constraints of channel power, and capacity constraints in each subchannel Leakage power in sub-carriers adjacent to special attention while limiting the power of major primary user (PU) and the establishment of protection of spectrum bands for the primary user and spectrum of secondary user (SU) is very strict Optimizing IPW algorithm is performed repeatedly in the sub-channels in which the capacity is limited strictly and are implemented form of steps for the sub-carriers The results from simulation to propose algorithm showed not only better steps for the IPW algorithm, but also for simpler complexity of calculations Keywords: Cognitive Radio (CR); Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM); Power Allocation; Subcarrier Side Lobe Khoa học & Công nghệ - Số 10/Tháng - 2016 Journal of Science and Technology 49 ... đẳng thức vị trí phần tử tương ứng Đề án phân bổ công suất tối ưu dựa thuật toán IPW Trong hệ thống OFDM thơng thường, khả liên kết để tối đa hóa đề án phân bổ công suất tối ưu thuật tốn IPW Thuật. .. bổ công suất tối ưu thuật tốn IPW Thuật tốn IPW có tổng cơng suất hạn chế phát tối đa giải vấn đề tối ưu hóa lồi Trong hệ thống vơ tuyến nhận thức dựa OFDM, hạn chế tổng công suất phát, đề án phân... kiện hạn chế subchannel truyền phải thỏa mãn công thức (4) Do vậy, vấn đề phân bổ công suất tối ưu hệ thống vô tuyến nhận thức dựa OFDM, mơ hình hóa sau: N h j Pj (5) P )= argmax / lg e1 + N o