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:

62.52.02.08

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG


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 15.7.2017
Tác giả

Lê Văn Tuấn


1. MỤC LỤC
2.
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ........................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. viii
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ..................................................................... ix
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Chương 1: Tổng quan về vô tuyến có nhận thức và bài toán nâng cao dung
lượng ..........................................................................................................................7
1.1. Tổng quan về hệ thống thông tin có nhận thức .............................................7
1.1.1. Cơ sở hình thành .....................................................................................7
1.1.2. Khái niệm về hệ thông tin có nhận thức .................................................7
1.1.3. Các đặc điểm cơ bản của CRS ................................................................8
1.1.4. Khả năng ứng dụng của thông tin vô tuyến có nhận thức ......................9
1.2. Một số hướng nghiên cứu chính về vô tuyến có nhận thức ........................10
1.2.1. Hướng nghiên cứu về nhận dạng phổ tần (spectrum sensing) ..............11
1.2.2. Các nghiên cứu về quản trị phổ tần ......................................................15



4. Chương 4: Nâng cao dung lượng CRS đa người dùng bằng kỹ thuật cửa sổ ...82
4.1. Tổng quan về CRS đa người dùng.................................................................82
4.2. Nhiễu giữa PU và CR trong CRS đa người dùng ..........................................83
4.2.1. Nhiễu từ CRS tới PU ...............................................................................84
4.2.2. Nhiễu giữa người dùng CRS với nhau ....................................................84
4.2.3. Nhiễu PU tới CRS ...................................................................................85
4.3. Bài toán nâng cao dung lượng .......................................................................85
4.4. Giải pháp phân bổ sóng mang con cho người dùng CRS ..............................87
4.4.1. Phân bổ đều sóng mang con ....................................................................89
4.4.2. Phân chia tỷ lệ nghịch với nhiễu tới PU (IIA-I) ......................................89
4.4.3. Phân chia nghịch đảo với nhiễu có qui chuyển về băng thông chuẩn .....90
4.5. Kết quả mô phỏng dung lượng hệ thống CRS đa người dùng ......................91
4.5.1. Trường hợp không sử dụng kỹ thuật cửa sổ ............................................92
4.5.2. Trường hợp sử dụng kỹ thuật cửa sổ .......................................................96
4.5.3. Phân tích, đánh giá kết quả. .....................................................................99
4.6. Kết luận chương ...........................................................................................101
KẾT LUẬN ............................................................................................................103
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN.....................................................................................................106
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................107

iii


3. THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
3G


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


Phân chia nghịch đảo với nhiễu

ISI

Inter Symbol Interference

Nhiễu xuyên ký hiệu

ITU

International Telecommunication

Liên minh viễn thông quốc tế

Union
Localization Algorithm based on

Giải thuật định vị tín hiệu dựa trên

Double-thresholding

ngưỡng kép

LO

Local Oscillator

Bộ dao động nội



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


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

Hình 2.11: Mặt nạ phổ tín hiệu DVB-T (8MHz) [26] .............................................51
Hình 2.12: Phân bổ công suất sóng mang CRS khi chưa áp dụng kỹ thuật cửa sổ .52
Hình 2.13: Phân bổ công suất sóng mang con khi dùng kỹ thuật cửa sổ, Ith = 5σ2 .52
Hình 2.14: Phân bổ công suất của sóng mang con CRS khi có cửa sổ với Ith = σ2 .53
Hình 2.15: 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) ............................................................................54
Hình 3.1: Giải thuật Max Filling Range – Cách 1 ...................................................63
Hình 3.2: Giải thuật Max Filling Range – Cách 2 ...................................................64
Hình 3.3: Giải thuật Pre-set Filling Range ..............................................................66
Hình 3.4: Phân bổ công suất trong trường hợp tối ưu (Ith= 52) .............................69
Hình 3.5: Phân bổ công suất theo giải thuật MFR, Ith= 22 (1 snapshot) ...............69
vi


Hình 3.6: Phân bổ công suất theo giải thuật MFR, Ith= 52 (1 snapshot) ...............69
Hình 3.7: 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) .............................70
Hình 3.9: Tốc độ truyền của CRS khi ngưỡng chịu nhiễu của PU cao ...................71
Hình 3.10: Tốc độ truyền CRS khi ngưỡng chịu nhiễu Ith của PU thấp ..................73
Hình 3.11: Tốc độ truyền tối đa của CRS (hệ số uốn a= 0,2; 0,35; 0,5; 0,7) ..........74
Hình 3.12: Số lượng biến trong các kỹ thuật phân bổ công suất .............................77
Hình 3.13: Độ phức tạp tính toán của CRS với các giải thuật FF ...........................78
Hình 4.1: Phân kênh theo chuẩn 802.11 b/g ............................................................83
Hình 4.2: Phân bố công suất và sóng mang con cho mỗi người dùng CRS ............88
Hình 4.3: 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). ...................................................93
Hình 4.4: 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.....................................................94
Hình 4.5: Phân bố công suất và sóng mang con trong trường hợp phân chia đều
sóng mang, Ith =1mW(a) và 7 mW (b). ....................................................................95

Biến số

ω

2

Giá trị tuyệt đối

 hiss 2

C

Dung lượng CRS

I

Nhiễu từ CRS sang PU

J

Nhiễu từ PU sang CRS

P

Công suất phát

Pi

exp()


đó nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số vô tuyến điện.
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là kỹ thuật được thừa
nhận rộng rãi để dùng cho hệ thống vô tuyến có nhận thức (CRS) nhờ hiệu quả
trong việc truyền tin qua các kênh pha-đinh (fading channel).
Do CRS sử dụng các khoảng tần trống, trong nhiều trường hợp là nằm cạnh
các đoạn tần đang được sử dụng bởi người dùng chính (PU), nên xuất hiện nhiễu
qua lại giữa người dùng của CRS (SU) và PU, làm ảnh hưởng tới chất lượng của
hai hệ thống. Là hệ thống không được cấp phép nên CRS sẽ phải bảo vệ PU, không
được phép gây cho PU mức nhiễu vượt ngưỡng quy định trước Ith (mức nhiễu chấp
nhận được). Như được trình bày trong các nghiên cứu [6], [7], [8], [9] dung lượng
của CRS phụ thuộc vào mức công suất phân chia cho từng sóng mang con của nó
và mức nhiễu mà PU gây ra cho từng băng của CRS. Về phần mình, mức công suất
phân chia cho các sóng mang con của CRS phải đảm bảo tổng mức nhiễu chúng
gây ra cho PU không vượt quá giá trị Ith.

1


Bài toán đặt ra
Với đặc điểm bắt buộc không được phép gây ra mức nhiễu cao hơn mức nhiễu
chấp nhận được Ith của PU, một câu hỏi cơ bản đặt ra trong các nghiên cứu về CR
là làm thế nào để nâng cao dung lượng của hệ thống trong khi phải đảm bảo điều
kiện bảo vệ PU về nhiễu?
Các nghiên cứu về nâng cao dung lƣợng cho CRS
Hiện nay có nhiều nghiên cứu đã và đang thực hiện liên quan tới chủ đề này.
Các nghiên cứu đó được tóm tắt dưới đây.
Giải pháp nén phát xạ phụ (side lobe suppression) đã được đề xuất trong [32]
nhằm giảm mức nhiễu sang băng lân cận.
Bên cạnh đó, chúng ta có thể thấy nhiễu do một sóng mang con của CRS gây
ra cho PU phụ thuộc vào mức công suất phát của nó và khoảng cách tần số giữa nó

các miền nằm ngoài khoảng.
Cùng với kỹ thuật cửa sổ, nghiên cứu sinh cũng nghiên cứu giải pháp phân bổ
công suất cho các sóng mang con của CRS sao cho độ phức tạp tính toán thấp để
phù hợp với tính giản đơn của CRS.
Bên cạnh đó, để tính phổ quát cao hơn, bên cạnh ứng dụng cho CRS đơn
người dùng, nghiên cứu sinh cũng mở rộng nghiên cứu cho CRS đa người dùng,
vốn phức tạp hơn do bên cạnh việc phân bổ công suất cho mỗi sóng mang con,
trường hợp này còn vấn đề phân bổ sóng mang con cho mỗi người dùng CRS.
Trong nghiên cứu của nghiên cứu sinh, CRS được giới hạn là hệ thống vô
tuyến có nhận thức hiện (overlay CR), luận án tập trung vào bài toán sử dụng kỹ
thuật tạo cửa sổ và phân bổ công suất. Các đánh giá được thực hiện trong miền tần
số. Ảnh hưởng của việc sử dụng kỹ thuật tạo cửa sổ dẫn đến làm giảm độ dự trữ
chống can nhiễu đa đường của CRS (do cửa sổ chiếm dùng một phần của khoảng
bảo vệ) không được xem xét đến trong luận án này.

3


Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án là kết hợp giải tích với
mô phỏng Monte-Carlo sử dụng máy tính. Phương pháp giải tích được sử dụng để
thiết lập phương trình tính toán tốc độ truyền tối đa của hệ thống. Mô phỏng
Monte-Carlo được sử dụng để tính toán phân bổ công suất cho các sóng mang con
để đạt được dung lượng tối đa qua tốc độ truyền tối đa của CRS.
Các đóng góp
Luận án đã được các kết quả và đóng góp chính sau đây:
- Đề xuất áp dụng kỹ thuật cửa sổ cho CRS dựa trên OFDM. Lý do nghiên
cứu sinh lựa chọn kỹ thuật này là vì nó có đặc tính làm giảm phát xạ ngoài băng
của tín hiệu (qua đó có thể tăng công suất phát các sóng mang con, tức tăng dung
lượng của CRS) và hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống Wi-Fi

quản trị phổ tần, về phân chia và chia sẻ phổ tần). Chương 1 cũng giới thiệu về bài
toán nâng cao dung lượng, hướng nghiên cứu của nghiên cứu sinh, trong đó nêu
lên vấn đề nhiễu hai chiều giữa SU với PU và tổng hợp các kết quả nghiên cứu của
các tác giả khác về nâng cao dung lượng cho CRS.
- Chương 2: Giải pháp nâng cao dung lượng của CRS bằng kỹ thuật cửa sổ.
Chương này giới thiệu việc ứng dụng kỹ thuật cửa sổ cho hệ thống OFDM, một số
kỹ thuật cửa sổ đang được sử dụng. Kết quả mô phỏng việc áp dụng kỹ thuật cửa
sổ được trình bày trong chương này, đi cùng với các đánh giá tác động của kỹ thuật
cửa sổ đối với việc nâng cao dung lượng của CRS dựa trên OFDM, cũng như các
phân tích, đánh giá về phân bố mức công suất phát của các sóng mang con của
CRS khi áp dụng cửa sổ.
- Chương 3: Nâng cao dung lượng bằng giải thuật Full-Filling. Chương này
giới thiệu các giải pháp Full-Filling mà nghiên cứu sinh đề xuất, bao gồm các giải
thuật MFR và PFR; trình bày kết quả mô phỏng về phân bố công suất, dung lượng
5


hệ thống và độ phức tạp tính toán khi áp dụng kỹ thuật Full-Filling, có so sánh với
các giải pháp do tác giả khác đề ra.
- Chương 4: Nâng cao dung lượng hệ thống CR đa người dùng. Chương này
giới thiệu tóm tắt về vấn đề nhiễu trong bối cảnh đa người dùng, bài toán nâng cao
dung lượng cho hệ thống; đề xuất cải tiến giải pháp phân chia nghịch đảo theo
nhiễu (IIA) dựa trên mức độ nhiễu do PU gây ra với CRS thành giải pháp phân
chia nghịch đảo theo nhiễu CRS gây ra cho PU (IIA-I). Từ đó, đề xuất giải pháp
mới trong phân bổ sóng mang con cho mỗi người dùng CRS là phân chia nghịch
đảo với nhiễu có quy chuyển về băng thông chuẩn Q-IIA. Kết quả mô phỏng khi
áp dụng Q-IIA, IIA-I kết hợp với hoặc không kết hợp với kỹ thuật cửa sổ được
trình bày, phân tích và đánh giá trong chương này.

6

và 1998, với tên gọi đầu tiên là RKRL [35]. Hiện có nhiều định nghĩa về CRS.
CRS được định nghĩa trong [21] như sau: “là một hệ thống thông tin vô tuyến
thông minh, nhận biết được môi trường điện từ xung quanh và tự điều chỉnh một số
7


tham số hoạt động (như công suất phát, tần số sóng mang, phương thức điều
chế,..) để thích ứng với sự thay đổi của môi trường điện từ xung quanh”.
Một định nghĩa khác về CRS là “hệ thống vô tuyến có thể thay đổi các tham
số phát của nó dựa trên việc tương tác với môi trường mà nó hoạt động”[3].
Theo Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) [24], [25], thì CRS là: ”một hệ
thống vô tuyến sử dụng công nghệ cho phép hệ thống thu nạp được sự hiểu biết về
môi trường hoạt động và địa lý của nó, các quy định đã có và trạng thái bên trong
để điều chỉnh một cách linh hoạt, chủ động các tham số và các giao thức hoạt
động phù hợp với sự hiểu biết thu nhận được nhằm đạt được các mục tiêu đề ra;
và để học (learn) từ các kết quả thu được”.
1.1.3. Các đặc điểm cơ bản của CRS
Theo [21], có 6 đặc điểm cơ bản khi nói về CRS: tự nhận biết (awareness),
thông minh (intelligence), học (learning), thích ứng (adaptivity), tin cậy
(reliability), hiệu quả (efficiency). Ngoài ra, CRS còn khả năng tái cấu hình
(reconfigurability)[40] thông qua chức năng vô tuyến xác định bằng phần mềm –
SDR [46], [58].
Theo [3] thì một CRS có hai đặc tính cơ bản, đó là:
- Khả năng nhận thức (cognitive): là khả năng thu nhận được hay nhận biết
(sense) được thông tin từ môi trường vô tuyến xung quanh để phát hiện ra các
khoảng trống tần số và để xác lập được các tham số hoạt động tốt nhất.
- Khả năng cấu hình lại: là khả năng cho phép hệ thống tự lập trình lại một
cách linh hoạt, phù hợp với điều kiện môi trường xung quanh.
Ngoài ra, một đặc điểm quan trọng nữa của CRS là khi hoạt động hệ thống
này phải đảm bảo không được gây ra mức nhiễu cao quá ngưỡng cho phép đối với

sử dụng.
Về nhận dạng phổ tần, 802.22 không quy định cụ thể, chỉ phân theo hai nhóm
kỹ thuật nhận dạng là nhận dạng mù và nhận dạng dựa trên các đặc tính của tín
hiệu. Kỹ thuật nhận dạng mù ở đây bao gồm các kỹ thuật như phát hiện năng lượng
tín hiệu, nhận dạng đặc điểm riêng và nhận dạng đa phổ (một kỹ thuật dò tìm dựa
trên phổ công suất để xác định mức độ chiếm dụng phổ tần).

9


1.1.4.2.

Hệ thống chuẩn 802.11af

802.11af hay còn được gọi là “White-Fi” hay “Super-Fi” là một tiêu chuẩn
trong họ 802.11 về WLAN, được thông qua vào tháng 2 năm 2014. Khác với
chuẩn 802.22 sử dụng OFDMA, chuẩn 802.11af sử dụng OFDM. Hệ thống WLAN
802.11af hoạt động trong phần phổ tần trắng truyền hình trong dải 54-790 MHz.
Cũng như 802.22, một điểm nổi bật của 802.11af là sử dụng công nghệ CR để
tìm và sử dụng các tần số truyền hình bỏ trống.Trong hệ thống 802.11af có ba loại
trạm (STA): trạm cố định, trạm được ủy quyền và trạm phụ thuộc. Trạm cố định và
trạm được ủy quyền là các trạm được đăng ký vào cơ sở dữ liệu và các trạm này sẽ
phát quảng bá vị trí của chúng. Trạm được ủy quyền có quyền cho phép các trạm
phụ thuộc được hoạt động. Trạm được ủy quyền sẽ lấy thông tin về các kênh tần số
có thể sử dụng được từ cơ sở dữ liệu khoảng trắng băng tần số truyền hình và phát
trên kênh CVS, là kênh để thiết lập kết nối nó với trạm phụ thuộc, giúp trạm phụ
thuộc có được danh mục các kênh tần còn trống.
Trạm được ủy quyền cũng có thể tải về danh mục các kênh tần còn trống ở vị
trí xung quanh vị trí hiện thời của nó, từ đó có thể xác định được kênh tần có thể sử
dụng được khi nó di chuyển trong vùng. STA kiểm tra lại vị trí của nó mỗi 60 giây

suất nhiễu nền [52], nên các tác giả trong [39] đã đề xuất giải pháp ước đoán mức
nhiễu thích nghi, theo đó giải thuật phân loại tín hiệu được dùng để tách nền nhiễu
với tín hiệu và ước đoán nền nhiễu. J. Lehtomaki trong [28] đề xuất giải pháp
FCME (the forward consecutive mean excision) và CA (forward cell averaging).
Việc chọn được ngưỡng phát hiện tối ưu cũng giúp giảm xác suất nhận định
sai sự xuất hiện tín hiệu. Weidling [62] đề xuất tối ưu hóa ngưỡng phát hiện tín
hiệu. D.C. Oh [38] đề xuất mức ngưỡng thích nghi tối ưu để tối ưu hóa ngưỡng
phát hiện tín hiệu.

11


Một giải pháp khác là định lượng được tín hiệu băng hẹp lẫn trong nền nhiễu.
J.Vartiainen [59] đề xuất giải thuật định lượng dựa trên ngưỡng kép (LAD), trong
đó 2 ngưỡng được sử dụng để tách tín hiệu và xác định vị trí.
Về thời gian phát hiện tín hiệu, Pei [41] đề xuất giải pháp tối ưu hóa thời gian
phát hiện tín hiệu trong 1 khe thời gian để tối đa dung lượng CRS.
Trong khi đó, Z. Quan [43], [44] đề xuất giải pháp phát hiện tín hiệu băng
rộng, trong đó thực hiện dò tín hiệu trong nhiều băng.
Mai D.T.T và cộng sự [78] đề xuất giải pháp tăng cường độ tin cậy nhận dạng
phổ tần thông qua sử dụng phân tập không gian và giảm số lượng CR tham gia
nhóm dò tìm phổ tần.
1.2.1.2. Phát hiện tín hiệu qua đặc tính dừng vòng
Tín hiệu thường có những đặc tính tuần hoàn nhất định, trong khi nhiễu nền
không có tính tương quan nên có thể dựa vào sự khác biệt này để phân biệt giữa tín
hiệu và nền nhiễu. Phương pháp nhận dạng dựa trên đặc tính dừng vòng của tín
hiệu là nhận dạng thông qua khai thác đặc tính tuần hoàn của tín hiệu thu được và
được thực hiện trong miền tần số[18].
K. Muraoka [36] đề xuất giải pháp lựa chọn tự tương quan vòng tối đa, trong
đó so sánh các giá trị đỉnh và không đỉnh của hàm tự tương quan vòng để xác định