1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN THỊ HỒNG THỦY MỘT SỐ KỸ THUẬT NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG PHỔ
TẦN CỦA HỆ THỐNG OFDM ỨNG DỤNG TRONG THÔNG
TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 4Chuyên ngành: Kỹ thuật ñiện tử
Mã số: 60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2011
2

Công trình ñược hoàn thành tại
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. TĂNG TẤN CHIẾN Phản biện 1: TS. NGUYỄN VĂN CƯỜNG

Phản biện 2: TS. LƯƠNG HỒNG KHANH

hiểu về các kỹ thuật nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần trong hệ
thống di ñộng 4G. Cho thấy tính ứng dụng cao của thuật toán ñề xuất
trong việc thỏa mãn yêu cầu dịch vụ của các thuê bao trong hệ thống
OFDM ña người dùng.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở ñầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục
trong báo cáo luận văn ñược tổ chức thành 4 chương như sau :
Chương 1 : Tổng quan về hệ thống ña sóng , Chương 2 : Một số
kỹ thuật nâng cao hiệu quả sử dụng , Chương 3 : Các thuật
toán thích nghi ấn ñịnh tài nguyên trong hệ thống OFDM.
4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GHÉP KÊNH
ĐA SÓNG MANG VÀ KÊNH VÔ TUYẾN TRONG
MẠNG 4G
1.1.
CÁC KHÁI NIỆM OFDMA
Kỹ thuật OFDMA là kỹ thuật ña truy nhập phù hợp giao diện
vô tuyến của các chuẩn thế hệ di ñộng hiện tại như Wimax, LTE.
1.1.1. Các thuận lợi của OFDMA
Hình 1.2: Quá trình thực thi băng tần cơ sở cho OFDM ở bộ phát và bộ thu

1.1.2. Lớp vật lý
1.1.2.1. Điều chế OFDM
1.1.2.2. Cấu trúc lớp vật lý
OFDMA cho phép phân chia nguồn tài nguyên thời gian và
tần số thành các ký hiệu OFDM và các sóng mang con OFDM, theo
cách ñó thì 1 thuê bao có thể ñược gán tới 1 khung ñể truyền trên 1
sóng mang con (hoặc một khoanh tần).


3GPP LTE và IEEE 802.16 Wimax…
1.2.1. Sự thực thi OFDMA trong LTE
1.2.2. Việc thực thi OFDM trong Wimax
1.3.
CÁC KHÁI NIỆM TỰ TỔ CHỨC (self organization)

1.3.1. Mạng tự tổ chức (SON)
Một mạng tự tổ chức (SON) là một mạng thông tin hỗ trợ các
chức năng tự vận ñộng (self-x), ví dụ như tự cấu hình, hoặc tự tối ưu
6

hóa. Self-x cho phép thực hiện hoạt ñộng tự ñộng và do vậy tối ưu
ñược sự can thiệp của con người.
1.3.2. Tổng quan về SO trong các dự án và chuẩn hóa
1.4.
KHÁI NIỆM HỌC TĂNG CƯỜNG (Reinforcement learning RL)
RL xuất phát từ mảng trí tuệ nhân tạo và sự tự học của máy.
RL là việc học làm cái gì ñể tăng tối ña những sản phẩm ñược cho là
có tương tác với môi trường.

Hình 1.9: Cấu trúc khung RL
1.5
. ẤN ĐỊNH TÀI NGUYÊN THÍCH NGHI TRONG HỆ THỐNG
OFDM

…

7

nào và vectơ p =[p
n
]
Nx1
cho thấy bao nhiêu công suất ñược ấn ñịnh
cho mỗi sóng mang. Hai kiểu chính của mô hình ấn ñịnh linh ñộng
tài nguyên ñã ñược nghiên cứu:
- Thích nghi ñộ dự trữ (Margin Adaption MA)
- Thích nghi tốc ñộ (Rate Adaption RA) Hình 1.11: Tổng quan vấn ñề ấn ñịnh tài nguyên trong hệ thống OFDM.
1.6.
CÁC GIẢ ĐỊNH CẦN THIẾT

a/ Thông tin trạng thái kênh là hoàn hảo ñối với tất cả thuê bao tại
trạm gốc trước khi ấn ñịnh bất kỳ tài nguyên nào.
b/ Kênh fading chọn lựa tần số với nhiễu trắng cộng Gaussian
c/ Sử dụng công thức tính dung lượng kênh Shannon liên tục ño tốc
ñộ dữ liệu


c c c

c c c
c c c
KNK2K1
2N2221
1N1211
MMMM












N
P
P
P
M
2
1
Channel State
Information

2.2.1. Thích nghi ñộ rộng băng tần SMC
2.2.1.1. Thích nghi ñộ rộng băng tần SMC trong TDM-OFDM
Mô tả hệ thống
9

Số lượng các SMC trong các khe khác nhau có thể thay ñổi
ñể tạo ra các ñộ rộng băng tần SMC khác nhau. Toàn bộ băng tần sẵn
có ñược chia thành các băng nhỏ hơn với các ñộ rộng băng tần SMC
khác nhau trong mỗi băng. Hình 2.5: Giãn ñồ tần số thời gian cho TDM ñề xuất dựa trên ASB FDM
2.2.1.2. Thuật toán thích nghi ñộ rộng băng tần sóng mang con
2.2.2. Các kết quả
2.2.3. Khung của mô hình hệ thống OFDMA Hình 2.11: Cấu hình vùng tần số của VSB OFDM
2.2.4. Kết luận chung về ñề xuất
Các kết quả phân tích cho thấy tiềm năng của mô hình ñề
xuất VSB ñể cải tiến hiệu suất của hệ thống FSB OFDM.
2.3. SỰ THÍCH NGHI ĐƯỜNG TRUYỀN GHÉP
2.3.1. Mô hình hệ thống
2.3.2. Các chiến lược LA ghép

…
…
Time
11

CHƯƠNG 3. CÁC THUẬT TOÁN ẤN ĐỊNH TÀI
NGUYÊN THÍCH NGHI TRONG HỆ THỐNG OFDM
3.1.
THUẬT TOÁN ẤN ĐỊNH PHỔ TẦN LINH ĐỘNG

3.1.1. Thuật toán kinh nghiệm
Phương pháp kinh nghiệm ñược dùng ñể cung cấp một giải
pháp hợp lý cho việc ấn ñịnh phổ tần trong một cell bằng một thủ tục
trực giác bao gồm 2 giai ñoạn. Đầu tiên, tính toán một số SMC ấn
ñịnh cho cell có xét ñến lưu lượng tải của cell và yêu cầu QoS của
người dùng. Sau ñó, thực hiện thủ tục ấn ñịnh làm giảm nhiễu trong
cell ñể quyết ñịnh số lượng SMC ấn ñịnh cho mỗi cell.
3.1.1.1. Thuật toán HEUR DSA 1
a. Giai ñoạn 1: tính toán số lượng SMC ñể ấn ñịnh trong mỗi cell

( )
,,1max,min
max
arg











=
ω
η
N
W
thU
NN
ettk
k
(3.1)
b. Giai ñoạn 2: ấn ñịnh hết các SMC cho các cell với xác ñịnh khả
năng nhiễu giao thoa trong cell.
3.1.1.2. Thuật toán HEUR DSA 2





∆−
∆−
=
kk
k
kk
k
ϖϖ

khi cập nhật hệ số dự trữ sử dụng (3.2), số lượng SMC ñể ấn ñịnh
cho cell thứ k ñược tính toán sử dụng (3.1) sau khi thay thế ϖ bởi ϖ
k
.
12

b. Giai ñoạn 2: ấn ñịnh các SMC toàn bộ cho mỗi cell xác ñịnh khả
năng gây nhiễu trong cell. Thuật toán HEUR DSA 2 thực hiện việc
ấn ñịnh tương tự như thuật toán thứ nhất.
3.1.1.3. Thuật toán HEUR DSA 3
Thuật toán HEUR DSA 3 xét hệ thống băng tần ñược chia
thành hai băng riêng biệt với các SMC sẵn có dành cho các thuê bao
ở trung tâm và vùng ven tương ứng. Số lượng lớn nhất các SMC
trong mỗi băng con là C và E cho các băng con vùng trung tâm và
vùng ven tương ứng với N = C + E.
Giai ñoạn 1: tính toán số SMC ñể ấn ñịnh trong mỗi cell
( )
,,1max,min
max
arg















=
ω
η
N
W
thU
CC
ettCk
k
(3.3)
( )
,,1max,min
max
arg















=
ω
η
N
W
thU
EE
ettEk
k
(3.4)
Giai ñoạn 2: ấn ñịnh toàn bộ các SMC cho mỗi cell xác ñịnh khả
năng nhiễu giao thoa
3.1.1.4. Thuật toán HEUR DSA 4
Giai ñoạn 1: tính toán số lượng SMC ñể ấn ñịnh cho mỗi cell

( )
,,1max
max
arg







C
ettCk
k
(3.5)
13 ( )
,,1max
max
arg




















lớn hơn số lượng lớn nhất sẵn có N thì tiến
hành một bước ñiều chỉnh sâu hơn. Đặc biệt:







←
k
k
k
N
C
NC
(3.7)
và







←
k
k
k
N

công suất. Giả thiết rằng có K thuê bao và N sóng mang con trong
một hệ thống có 1 cell. Kênh vô tuyến ñược giả ñịnh là fading ña
ñường chọn lựa tần số biến ñổi theo thời gian băng rộng. Mô hình ña
ñường ñược chọn lựa là nhiễu cộng trắng Gaussion xuất hiện trong
tất cả các sóng mang con của tất cả thuê bao
Hình 3.7: Sơ ñồ khối của hệ thống OFDM ña người dùng
OFDM
Transceiver
User 1
User 2
.
.
.
Subcarrier
And Bit
Allocation
Algorithm
Subcarrier
And
Bit
Allocation

R
k
=
∑
=
+
N
n
nknk
c
N
B
1
,2,
)1(log
γ
(3.12)
nk,
γ
là tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) của sóng mang con thứ n cho
người thứ k và ñược cho bởi :

nk,
γ
=
N
B
N
hp
nknk

)1/(5,1
2.0
−−
≤
M
e
γ
β
(3.15)
sử dụng công thức trên, số lượng bít r có thể ñược tính là :
r = log






Γ
+
γ
1
2
(3.16)
với
Γ
là ñộ dự trữ SNR và là một hàm của BER :
5
.
1
)5ln(

T
=
∑∑
= =












Γ
+
K
k
N
n
nknk
nk
N
B
N
hp
c
N

k
N
n
nknk
pc
1 1
,,
P
total

C5 : R
1
: R
2
: … : R
K
= α
1
: α
2
: … : α
K

3.2.3. Các giải pháp
Các thuật toán gần tối ưu ñược phát tiển với sự khác nhau ở:
- Đề xuất họ chọn lựa chia thủ tục ra thành nhiều bước ñể
làm cho vấn ñể trở nên dễ xử lý và
- Họ ñơn giản hóa các giả ñịnh ñể làm giảm ñộ phức tạp của
quá trình ấn ñịnh.
max


Hình 3.9: Water-filling cho các kênh song song
Ấn ñịnh công suất thích nghi cho một thuê bao ñơn với một
tổng công suất bắt buộc có thể ñược công thức hóa như sau : N1
P1

P2
N2

N3
Channel 1 Channel 2 Channel 3
Water level
Power
18 ( )
nn
N
n
Hp
N
B
+
∑
=
1log


Tỉ số kênh con trên nhiễu tương ứng (subchannel - to -
noise) ñược biểu diễn là :
H
k,n
=
2
2
,
δ
nk
g

và SNR (tỉ số tín hiệu trên nhiễu) thu ñược của người dùng thứ k trên
sóng mang con thứ n là :
γ
k,n
= p
k,n
. H
k,n

Chanel Estimation
User K's
FFT/Decoder
User 2's
FFT/Decoder
User 1's
FFT/Decoder
K,2

Block
20

Khi gặp các ñiều kiện bắt buộc về BER, theo ñó cần phải
ñiều chỉnh SNR hiệu dụng.






−
−
≈
12
6.1
exp2.0)(
,
,
,
nk
r
nk
nkMQAM
BER
γ
γ
(4.1)
Giải phương trình cho r
k,n

2,
1log1log
γ
(4.2)
Với
Γ
( )
6.1/5ln BER−= là một ñộ dự trữ SNR không ñổi.
Ấn ñịnh nguồn tài nguyên ñược công thức hóa như sau :
∑∑
= =








Γ
+
K
k
N
n
nk
nknk
Pc
H
pc

≤
K
k
N
n
nknk
pc
1 1
,,
P
tot
C5 : R
i
: R
j
= φ
i
: φ
j
∀i, j ∈ {1, …, K}, i ≠ j
Trong C5, ta có :

∑
=
=
N
n
nknkk
rc
N

mang con, vấn ñề trong (4.3) ñược ñơn giản hóa thành việc làm lớn
nhất các biến liên tục p
k,n
ñược cho bởi :

∑ ∑
= Ω∈








Γ
+
K
k n
nk
nk
p
K
nk
H
p
N
B
1
,

∑
=
=
K
k
totk
PP
1
(4.11)
Thuật toán trên có ñề xuất một phương pháp xấp xỉ, yêu cầu
tỉ số SNR kênh con cao, giảm vấn ñề xuống còn giải một phương
trình không tuyến tính theo một biến. Việc xấp xỉ này giả thiết V
k
= 0
và H
k,1
P
k
/N
k
>> 1, và phương trình không tuyến tính kết quả là :

∑
=
=−
K
k
total
d
k


Chúng ta sẽ tham chiếu phương pháp ấn ñịnh công suất và
sóng mang con này là Root - finding.
4.4. GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT
4.5. SƠ ĐỒ THỰC HIỆN CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH
4.5.1.
Tổng quát chương trình
Hình 4.2: Sơ ñồ thực hiện chương trình tổng quát
Xác ñịnh số lượng sóng mang con
N
k
khởi ñầu ñược ấn ñịnh cho mỗi


Hình 4.3: Sơ ñồ thực hiện ấn ñịnh sóng mang con, dung lượng
4.6. CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.6.1.
Thông số mô phỏng
4.6.2.
Độ phức tạp tính toán
Khởi nhập tất cả các giá trị biến; R
k
theo
dõi dung lượng của mỗi người dùng, N*
là tập các sóng mang con chưa ấn ñịnh
Ấn ñịnh ñến mỗi thuê bao các sóng
mang con chưa ấn ñịnh mà có ñược
ñộ lợi lớn nhất cho thuê bao ñó


4.6.3. Tổng dung lượng
2 4 6 8 10 12 14 16
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
So thue bao
hieuquaphotan (bit/s/Hz)LINEAR
ROOT-FINDING

Hình 4.5: Hiệu quả phổ tần so với số thuê bao
2 4 6 8 10 12 14 16
10
-4
10
-3
10
-2
So thue bao
thoi gian CPU trung binh (s)
So sanh thoi gian thuc hien trung binh

0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
proportions
LINEAR
ROOT-FINDING
26

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Đề tài nghiên cứu một số kỹ thuật nâng cao hiệu quả sử dụng
phổ tần của hệ thống OFDM ứng dụng trong thông tin di ñộng thế hệ
thứ 4 ñã giải quyết ñược các vấn ñề sau:
- Luận văn là cơ sở lý thuyết vững chắc ñể người sử dụng
muốn tìm hiểu và nghiên cứu các thông số cũng như kỹ thuật nâng
cao hiệu quả sử dụng băng tần trong mạng 4G. Đặc biệt là lý thuyết
về vấn ñề tối ưu hóa việc ấn ñịnh tài nguyên như công suất, ñộ rộng
băng tần trong hệ thống OFDM ña người dùng.
- Đề xuất một thuật toán có ñộ phức tạp thấp về ấn ñịnh tài
nguyên tỉ lệ trong hệ thống OFDMA, từ ñó nâng cao tổng dung lượng
của các thuê bao với các ñiều kiện bắt buộc về tổng công suất phát, tỉ
lệ tốc ñộ dữ liệu truyền phát trong khi vẫn thực hiện ñộ công bằng
giữa các thuê bao này trong hệ thống OFDM ña người dùng.
Do tốc ñộ thực hiện tính toán của thuật toán ñề xuất là nhanh
hơn hẳn các thuật toán nghiên cứu ñã có trước ñó, nên tính ứng dụng