Luận án tiến sĩ nâng cao dung lượng của hệ thống thông tin vô tuyến có nhận thức

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Văn Tuấn NÂNG CAO DUNG LƢỢNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN CÓ NHẬN THỨC DỰA TRÊN OFDM LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Văn Tuấn NÂNG CAO DUNG LƢỢNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN CÓ NHẬN THỨC DỰA TRÊN OFDM Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62.08 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Thành Hiếu 2. Nguyễn Viết Kính Hà Nội - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất cứ công trình nào trước đây.

Các kết quả sử dụng tham khảo đều trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày 15.2017 Tác giả Lê Văn Tuấn LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Thành Hiếu, PGS.

Nguyễn Viết Kính đã giúp đỡ tác giả trong toàn bộ quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô Bộ môn Vô tuyến, Khoa Vô tuyến điện tử, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi, đóng góp về chuyên môn để tác giả hoàn thành nhiệm vụ. Tác giả xin cảm ơn Cục Tần số Vô tuyến điện, Bộ Thông tin và Truyền thông là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho phép tác giả có thể tham gia nghiên cứu trong những năm làm nghiên cứu sinh. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, đồng nghiệp, bạn bè, đặc biệt là TS.

Đinh Chí Hiếu và TS. Nguyễn Thu Hà đã động viên, chia sẻ những khó khăn, giúp đỡ tác giả vượt qua những khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay. Hà Nội, ngày 15.2017 Tác giả Lê Văn Tuấn MỤC LỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.iv DANH MỤC HÌNH VẼ. vi DANH MỤC BẢNG.viii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC.ix MỞ ĐẦU.

Chương 1: Tổng quan về vô tuyến có nhận thức và bài toán nâng cao dung lượng. Tổng quan về hệ thống thông tin có nhận thức. Cơ sở hình thành. Khái niệm về hệ thông tin có nhận thức.

Các đặc điểm cơ bản của CRS. Khả năng ứng dụng của thông tin vô tuyến có nhận thức. Một số hướng nghiên cứu chính về vô tuyến có nhận thức. Hướng nghiên cứu về nhận dạng phổ tần (spectrum sensing).

Các nghiên cứu về quản trị phổ tần. Nghiên cứu về phân chia và chia sẻ phổ tần. Bài toán nâng cao dung lượng hệ thống CRS. Các nghiên cứu về nâng cao dung lượng hệ thống CR.

Kết luận chương. Chương 2: Giải pháp nâng cao dung lượng CRS bằng kỹ thuật cửa sổ. Hiện tượng dò phổ tín hiệu trong quá trình biến đổi Fourier rời rạc. Sử dụng kỹ thuật cửa sổ cho hệ thống OFDM.

Một số kỹ thuật cửa sổ sử dụng cho OFDM. Cửa sổ Nyquist. Kỹ thuật cửa sổ chữ nhật và cửa sổ Hanning. Đề xuất sử dụng kỹ thuật cửa sổ cho bài toán nâng cao dung lượng CRS.

Nghiên cứu ảnh hưởng của kỹ thuật cửa sổ tới bài toán phân bổ công suất 50 2. Kết luận chương. Nâng cao dung lượng bằng giải thuật Full-Filling. Kỹ thuật Full-Filling.

Giải thuật Max Filling Range. Giải thuật Pre-set Filling Range-PFR. Kết quả mô phỏng. Phân bố mức công suất của các sóng mang con.

Dung lượng truyền của CRS. Độ phức tạp tính toán khi áp dụng Full-Filling. Kết luận chương.Chương 4: Nâng cao dung lượng CRS đa người dùng bằng kỹ thuật cửa sổ. Tổng quan về CRS đa người dùng.

Nhiễu giữa PU và CR trong CRS đa người dùng. Nhiễu từ CRS tới PU. Nhiễu giữa người dùng CRS với nhau. Nhiễu PU tới CRS.

Bài toán nâng cao dung lượng. Giải pháp phân bổ sóng mang con cho người dùng CRS. Phân bổ đều sóng mang con. Phân chia tỷ lệ nghịch với nhiễu tới PU (IIA-I).

Phân chia nghịch đảo với nhiễu có qui chuyển về băng thông chuẩn. Kết quả mô phỏng dung lượng hệ thống CRS đa người dùng. Trường hợp không sử dụng kỹ thuật cửa sổ. Trường hợp sử dụng kỹ thuật cửa sổ.

Phân tích, đánh giá kết quả. Kết luận chương.103 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO.107 iii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 3G Third Mobile Generation Công nghệ di động thế hệ 3 BS Base Station Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa tuy nhập phân chia theo mã CPE Customer Premise Equipment Thiết bị đầu cuối CR Cognitive Radio Vô tuyến có nhận thức CRS Cognitive Radio System Hệ thống vô tuyến có nhận thức CSI Channel State Information Thông tin về trạng thái kênh truyền DTV Digital Television Truyền hình số FDMA Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần số Access FM Frequency Modulation Điều chế tần số GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu Communication ICI Inter Channel Interference Nhiễu xuyên kênh IEEE Institute of Electronic and Viện các kỹ sư điện và điện tử Electrical Engineers IIA Interference Inversion Allocation Phân chia nghịch đảo với nhiễu ISI Inter Symbol Interference Nhiễu xuyên ký hiệu ITU International Telecommunication Liên minh viễn thông quốc tế Union LAD Localization Algorithm based on Giải thuật định vị tín hiệu dựa trên Double-thresholding ngưỡng kép LO Local Oscillator Bộ dao động nội MFR Max Filling Range Giải thuật dải điền đầy tối đa OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực Multiplexing giao iv OFDMA Orthogonal Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần số trực Multiple Access giao PFR Preset Filling Range Giải thuật dải điền đầy xác lập trước PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất PU Primary User Người dùng chính (được cấp phép) Q-IIA Quantized Interference Inversion Phân chia nghịch đảo với nhiễu có quy Allocation chuẩn về băng thông chuẩn SDR Software Defined Radio Vô tuyến xác định bằng phần mềm SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm STA Station Trạm (vô tuyến có nhận thức) SU Seccondary User Người dùng thứ cấp TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời gian TV-WS TV white space Khoảng trắng băng tần truyền hình UWB Ultra Wide Band (Công nghệ vô tuyến) băng siêu rộng WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây WRAN Wireless Regional Access Network Mạng không dây diện rộng WSS Wide-sense Stationary Dừng theo nghĩa rộng RKRL Radio Knowledge Representation Ngôn ngữ đặc tả vô tuyến nhận thức Language v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các băng tần do các CRS và PU sử dụng.2: Nhiễu hai chiều qua lại giữa CRS và PU.3: Phân bổ công suất theo hình bậc thang [8].4: Sơ đồ khối hệ thống OFDM với kỹ thuật trọng số sóng mang con [13].1: Đáp ứng tần số của một số cửa sổ.2: Sự khác biệt của tín hiệu qua FFT.3: DFT của sóng hình sin trong trường hợp không bị rò và bị rò [37].4: Sơ đồ tạo ký hiệu OFDM trong một hệ thống WLAN 802.5: Sử dụng cửa sổ cosin nâng để ghép nối ký hiệu.6: Khung OFDM với tiền tố vòng và cửa sổ trong 802.7: Ký hiệu OFDM sử dụng cửa sổ nyquist thích nghi [63].8: DFT có Nyquist widowing với hệ số uốn khác nhau [37].9: Cửa sổ Tukey với hệ số uốn khác nhau.10: So sánh đặc tính của cửa sổ Tukey với một số cửa sổ khác.11: Mặt nạ phổ tín hiệu DVB-T (8MHz) [26].12: Phân bổ công suất sóng mang CRS khi chưa áp dụng kỹ thuật cửa sổ.13: Phân bổ công suất sóng mang con khi dùng kỹ thuật cửa sổ, I th = 5σ2 .14: Phân bổ công suất của sóng mang con CRS khi có cửa sổ với I th = σ2 .15: Tốc độ dữ liệu CRS trong trường hợp có và không có cửa sổ, hệ số uốn a= 0,3 (hình a) và a= 0,6 (hình b).1: Giải thuật Max Filling Range – Cách 1.2: Giải thuật Max Filling Range – Cách 2.3: Giải thuật Pre-set Filling Range.4: Phân bổ công suất trong trường hợp tối ưu (Ith= 52).5: Phân bổ công suất theo giải thuật MFR, Ith= 22 (1 snapshot).6: Phân bổ công suất theo giải thuật MFR, Ith= 52 (1 snapshot).7: Phân bổ công suất trung bình theo giải thuật MFR, Ith= 2 70 Hình 3.8: Phân bổ công suất đối với trường hợp PFR (Ith=52).9: Tốc độ truyền của CRS khi ngưỡng chịu nhiễu của PU cao.10: Tốc độ truyền CRS khi ngưỡng chịu nhiễu Ith của PU thấp.11: Tốc độ truyền tối đa của CRS (hệ số uốn a= 0,2; 0,35; 0,5; 0,7).12: Số lượng biến trong các kỹ thuật phân bổ công suất.13: Độ phức tạp tính toán của CRS với các giải thuật FF.1: Phân kênh theo chuẩn 802.2: Phân bố công suất và sóng mang con cho mỗi người dùng CRS.3: Phân bố công suất và sóng mang con trong trường hợp IIA-I, không sử dụng kỹ thuật cửa sổ, Ith =1mW (a) và 7 mW (b).4: Phân bố sóng mang con và công suất trong trường hợp Q-IIA, Ith= 1mW (a) và 7 mW (b), không sử dụng kỹ thuật cửa sổ.5: Phân bố công suất và sóng mang con trong trường hợp phân chia đều sóng mang, Ith =1mW(a) và 7 mW (b).6: Tốc độ dữ liệu CRS với IIA-I, Q-IIA, phân chia đều, không cửa sổ.7: Phân chia sóng mang con và công suất với IIA-I,cửa sổ, Ith = 0.8: Phân chia sóng mang con và công suất cho trường hợp Q-IIA, có sử dụng cửa sổ, Ith = 1mW (a) và 7mW (b).9: Phân bố sóng mang và công suất với trường hợp uniform, Ith= 1mW, có sử dụng cửa sổ.10: Tốc độ dữ liệu của CRS trong các trường hợp IIA, Q-IIA và phân chia đều khi áp dụng cửa sổ.99 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 2-1: Các điểm gẫy của mặt nạ phổ tín hiệu DVB-T [26].51 Bảng 3-1: Số sóng mang cần phân bổ tối ưu và độ phức tạp tính toán.