Đang tải... (xem toàn văn)
Phân bổ công suất trong mạng vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng OFDM
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Với nhu cầu ngày càng tăng về loại hình dịch vụ, tốc độ và chất lượng truyền dẫn vô tuyến dẫn đến đòi hỏi phả nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần hiện nay. Vô tuyến thông minh (Cognitive Radio) là một công nghệ truy cập phổ tần động hứa hẹn sẽ cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần tĩnh như hiện nay bằng cách tìm ra những phổ tần chưa được sử dụng (hố phổ) và chia sẻ chúng với những người sử dụng Vô tuyến thông minh. Tuy nhiên, khi sử dụng phổ tần, người dùng Vô tuyến thông minh luôn phải đảm bảo không gây nhiễu với những người dùng chính (người dùng được cấp phép sử dụng phổ tần đó). Việc áp dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM với khả năng cảm nhận và tạo dạng phổ một cách linh hoạt và thích ứng vào Vô tuyến thông minh là một sự lựa chọn đầy hứa hẹn. Đồ án tốt nghiệp “Phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng OFDM” của sinh viên Nguyễn Tiến Tĩnh lớp D2007VT3 đã đi sâu vào nghiên cứu việc sử dụng OFDM trong Vô tuyến thông đảm bảo người dùng chính không bị ảnh hưởng nhiễu từ người dùng vô tuyến thông minh bằng cách xem xét ràng buộc công suất các kênh con và công suất tổng trong hệ thống OFDM. Trong thời gian thực hiện đồ án, sinh viên Nguyễn Tiến Tĩnh đã thể hiện được cách học tập và nghiên cứu tích cực, chủ động và có trách nhiệm. Đề nghị Hội đồng cho phép sinh viên được bảo vệ và công nhận tốt nghiệp. Điểm: …… (Bằng chữ: ………….) Ngày tháng năm 2011 Giáo viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Điểm: …… (Bằng chữ: ………….) Ngày tháng năm 2011 Giáo viên phản biện Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU vii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT viii LỜI NÓI ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VÔ TUYẾN THÔNG MINH 3 1.1. Giới thiệu chương 3 1.2. Định nghĩa “Vô tuyến thông minh” 3 1.3. Hoạt động của vô tuyến thông minh 4 1.4. Các chức năng chính của vô tuyến thông minh 6 1.4.1. Cảm nhận phổ 7 1.4.2. Quản lý phổ 10 1.4.3. Dịch chuyển phổ 11 1.4.4. Chia sẻ phổ 11 1.5. Kiến trúc Vật lí của Vô tuyến thông minh 12 1.6. Mô hình thực hiện Vô tuyến thông minh 15 1.6.1. Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR). 15 1.6.2. Mô hình thực hiện Vô tuyến thông minh 16 1.7. Kết luận chương 1 20 CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO (OFDM) 21 2.1. Giới thiệu chương 21 2.2. Khái niệm OFDM 21 2.3. Nguyên lý cơ bản của OFDM 21 2.4. Mô hình hệ thống OFDM 24 2.5. Các kỹ thuật điều chế số sử dụng trong OFDM 27 2.5.1. Điều chế QPSK 27 2.5.2. Điều chế QAM 28 2.6. NC-OFDM 29 2.6.1. Khái niệm NC-OFDM 29 2.6.2. Cấu trúc khung của NC-OFDM 30 2.6.3. Hiệu năng của NC-OFDM 33 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 iii 2.7. Ưu nhược điểm của OFDM 35 2.8. Kết luận chương 2 36 CHƯƠNG 3. VÔ TUYẾN THÔNG MINH TRÊN NỀN OFDM 38 3.1. Giới thiệu chương 38 3.2. Vô tuyến thông minh – OFDM 38 3.3. Tại sao OFDM thích hợp với Vô tuyến thông minh 40 3.3.1. Khả năng nhận biết và cảm nhận phổ 40 3.3.2. Tạo dạng phổ 41 3.3.3. Thích ứng với môi trường 43 3.3.4. Các kỹ thuật anten nâng cao 43 3.3.5. Đa truy nhập và cấp phát phổ tần 44 3.3.6. Khả năng tương tác 44 3.4. Các thách thức đối với hệ thống OFDM thông minh 45 3.4.1. Tạo dạng phổ 46 3.4.2. Thiết kế thuật toán cắt xén hiệu quả 46 3.4.3. Báo hiệu các tham số truyền dẫn 47 3.4.4. Sự đồng bộ 47 3.4.5. Nhiễu lẫn nhau 47 3.5. OFDM đa băng tần 50 3.6. Các chuẩn và công nghệ OFDM thông minh 53 3.6.1. WiMAX - IEEE 802.16 53 3.6.2. IEEE 802.22 57 3.6.3. IEEE 802.11 58 3.7. Kết luận chương 3 60 CHƯƠNG 4. PHÂN BỔ CÔNG SUẤT TRONG MẠNG VÔ TUYẾN THÔNG MINH DỰA TRÊN NỀN OFDM 61 4.1. Giới thiệu chương 61 4.2. Mô hình hệ thống 62 4.2.1. Hệ thống vô tuyến thông minh và giới hạn công suất nhiễu 62 4.2.2. Vô tuyến thông minh – OFDM và ràng buộc công suất phát trên mỗi kênh con 63 4.3. Phân bổ công suất cho hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM không xét tới các sóng mang con lân cận. 65 Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 iv 4.3.1. Phân bổ công suất trong các hệ thống OFDM thông thường 65 4.3.2. Phân bổ công suất trong các hệ thống Vô tuyến thông minh-OFDM 66 4.3.3. Thuật toán đổ đầy nước phân chia lặp: Điều kiện công suất phát tổng 67 4.4. Phân bổ công suất đối với các hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM có xét tới các sóng mang con bên. 71 4.4.1. Viết lại công thức bài toán phân bổ công suất. 72 4.4.2. Phân bổ công suất trong trường hợp hai ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác không. 74 4.4.3. Thuật toán phân bổ công suất đệ quy cho các trường hợp tổng quát 76 4.5. Kết quả mô phỏng 78 4.6. Kết luận chương 4 81 KẾT LUẬN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 PHỤ LỤC 85 Phụ lục 1. Chứng minh định lý 1 85 Phụ lục 2. Chứng minh định lý 2 88 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Minh họa hố phổ 5 Hình 1.2. Chu trình thông minh 5 Hình 1.3. Các chức năng truyền thông trong mạng Vô tuyến thông minh. 6 Hình 1.4. Phân loại các kỹ thuật cảm nhận phổ. 7 Hình 1.5. Mô hình nhiệt nhiễu 9 Hình 1.6. Phân loại các công nghệ chia sẻ phổ tần 11 Hình 1.7. Kiến trúc vật lí của Vô tuyến thông minh 13 Hình 1.8. Cấu trúc tổng quát bộ thu phát SDR 15 Hình 1.9. So sánh giữa Vô tuyến thông thường, Vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm và Vô tuyến thông minh. 16 Hình 1.10. Quan hệ giữa Vô tuyến thông minh và SDR 17 Hình 1.11. Sơ đồ khối thực hiện Vô tuyến thông minh dựa trên SDR. 18 Hình 1.12. Kiến trúc phân lớp tổng quát cho Vô tuyến thông minh 19 Hình 2.1. Đa sóng mang trực giao (a) và đa sóng mang thông thường (b) 22 Hình 2.2. Phổ của một sóng mang con OFDM đơn lẻ 23 Hình 2.3. Phổ của ký hiệu OFDM 23 Hình 2.4. Sơ đồ khối tổng quát của một bộ thu phát OFDM 25 Hình 2.5. Biểu đồ tín hiệu QPSK 28 Hình 2.6. Chùm tín hiệu M-QAM 29 Hình 2.7. Phổ tần của các sóng mang con NC-OFDM 30 Hình 2.8. Sơ đồ tổng quát của một bộ thu phát NC-OFDM sử dụng khối Lựa chọn sóng mang con trống. 31 Hình 2.9. Hiệu năng BER của bộ thu phát NC-OFDM (các đường liền nét) và MC- CDMA (các đường gạch) đối với mức độ chiếm giữ (ISO) phổ thay đổi. 34 Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống vô tuyến thông minh dựa trên OFDM. 39 Hình 3.2. Cảm nhận và tạo dạng phổ sử dụng OFDM 42 Hình 3.3. Các công nghệ vô tuyến dựa trên OFDM 45 Hình 3.4. Các thách thức trong hệ thống Vô tuyến thông minh và OFDM 46 Hình 3.5. Mật độ phổ công suất của một sóng mang con OFDM 48 Hình 3.6. Cửa sổ cosin tăng với các giá trị roll-off (β) khác nhau. 49 Hình 3.7. Hiệu ứng trượt (roll-off) trên PSD của một sóng mang con OFDM đơn lẻ. . 49 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 vi Hình 3.8. Lấp các hố phổ sử dụng tín hiệu SB-OFDM hoặc MB-OFDM. 51 Hình 3.9. Lấp các hố phổ sử dụng các tín hiệu SB-OFDM hoặc MB-OFDM. 52 Hình 3.10. Các băng con của các hệ thống UWB dựa trên MB-OFDM trong miền tần số. 53 Hình 3.11. Minh họa cấu trúc tín hiệu OFDMA sử dụng trong WiMAX 55 Hình 3.12. Sự phát triển các chuẩn và các công nghệ 59 Hình 4.1. Mô hình hệ thống Vô tuyến thông minh 62 Hình 4.2. Phổ của SU trong các hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM 63 Hình 4.3. Lược đồ thu phát của SU trong các hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM 64 Hình 4.4. Tối ưu phân bổ công suất trong các hệ thống OFDM thông thường. 66 Hình 4.5. Sự phân bổ công suất tối ưu với các điều kiện công suất phát kênh con. 68 Hình 4.6. Quá trình đổ đầy nước phân chia lặp 79 Hình 4.7. Phân bổ công suất tối ưu bởi RPA 80 Hình 4.8. Phân bổ công suất tối ưu bằng IPW không xét tới các sóng mang cạnh bên 80 Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục bảng biểu Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Thông số của điều chế QPSK 28 Bảng 2.2. So sánh chất lượng của hệ thống MC-CDMA, OFDM và NC-OFDM 33 Bảng 3.1. Các chuẩn vô tuyến dựa trên OFDM 39 Bảng 3.2. Vô tuyến thông minh OFDM 40 Bảng 3.1. Các đặc tính anten nâng cao của WiMAX. 55 Bảng 4.1. Thuật toán IPW dưới Điều kiện Công suất phát tổng. 69 Bảng 4.3. Thuật thuật toán phân bổ công suất cho bài toán với hai ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác không. 76 Bảng 4.4. Thuật toán RPA cho bài toán với M+1 ràng buộc bất đẳng thức tuyến tính trọng số khác không. 76 Đồ án tốt nghiệp Đại học Các thuật ngữ viết tắt Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 viii CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ Tên Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt AAS Adaptive Antenna System Hệ thống anten thích ứng AMC Adaptive MIMO Switch Chuyển mạch MIMO thích ứng AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bít BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CINR Carrier-to-Interference Noise Ratio Tỷ số nhiễu trên sóng mang CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng CR Cognitive Radio Vô tuyến thông minh CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh D/A Digital to Analog Số sang tương tự DFS Dynamic Frequency Selection Lựa chọn tần số động DFT Discrete Fourier Transform Chuyển đổi Fourier rời rạc DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá DVB-T Digital Video Broadcasting – Terrestrial Truyền hình số quảng bá mặt đất ETSI European Telecommunications Standards Institute Viện các tiêu chuẩn và Viễn thông châu Âu FCC Federal Communications Commission Ủy ban Truyền thông Liên bang FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia tần số FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh FHDC Frequency Hopping Diversity Coding Mã hóa phân tập nhảy tần FRC Federal Radio Commission Ủy ban Vô tuyến Liên bang I/Q In-phase and Quadrature-phase Trong pha và pha vuông góc Đồ án tốt nghiệp Đại học Các thuật ngữ viết tắt Nguyễn Tiến Tĩnh, D2007VT3 ix ICI Inter-Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Chuyển đổi Fourier rời rạc ngược IETF Internet Engineering Task Force Ủy ban chuyên trách về Internet IFFT Inverse Fast Fourier Transform Chuyển đổi Fourier nhanh ngược IPD Incumbent Profile Detection Bộ phát hiện các thông tin về hoạt động của thuê bao được cấp phép IPW Iteractive Partitioned Water- filling Đổ đầy nước phân chia lặp ISI Inter-symbol Interference Nhiễu liên ký tự ITM Interfence Temperature Model Mô hình nhiệt nhiễu ITMA Interfence Temperature Multiple Access Đa truy nhập theo mô hình nhiệt nhiễu JRRM Joint Radio Resource Management Quản lí Tài nguyên Vô tuyến chung LAN Local Area Network Mạng vùng nội hạt MAN Metropolitan Area Network Mạng vùng trung tâm MC-CDMA Multi-Carrier Code Division Multiplexing Access Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang MCM Multi-Carrier Modulation Điều chế đa sóng mang MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra NC-OFDM Non-Contiguous Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao không liên tục NTIA National Telecommunication and Information Administration Cơ quan quản lý Viễn thông và Thông tin Quốc gia OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập ghép kênh phân chia theo tần số trực giao P/S Parallel-to-Serial Song song sang nối tiếp [...]... đề phân bổ công suất trong các mạng vô tuyến nói chung và trong Vô tuyến thông minh nói riêng Được sự định hướng và hướng dẫn tận tình của cô giáo ThS Lê Tùng Hoa, em đã thực hiện đồ án Phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng OFDM Đồ án bao gồm bốn chương, cụ thể như sau: Chương 1: Tổng quan vô tuyến thông minh Giới thiệu chung về cấu trúc và hoạt động của mạng Vô tuyến thông. .. áp dụng Chương 4: Phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh – OFDM Nội dung chương đi sâu phân tích về vấn đề tối ưu phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh – OFDM Cụ thể ta sẽ đưa ra các thuật toán phân bổ công suất tối ưu đối với hệ thống OFDM thông thường, từ đó phát triển chung cho hệ thống Vô tuyến thông minh – OFDM Dưới sự quan tâm, giúp đỡ, chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu cũng... nguyên lý truyền dẫn sử dụng trong OFDM, mô hình hệ thống thu phát OFDM, các phương pháp điều chế sử dụng trong OFDM và giới thiệu tổng quan về kỹ thuật truyền dẫn OFDM không liên tục (NC -OFDM) , kỹ thuật được áp dụng trực tiếp vào Vô tuyến thông minh Chương 3: Vô tuyến thông minh dựa trên nền OFDM Trình bày kiến trúc của mạng Vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng công nghệ OFDM - bao gồm mô hình hệ thống... quan nhất về công nghệ Vô tuyến thông minh, các khái niệm, đặc tính cũng như hoạt động của Vô tuyến thông minh 1.2 Định nghĩa Vô tuyến thông minh Vô tuyến thông minh là một công nghệ còn rất mới mẻ, do đó định nghĩa Vô tuyến thông minh được các cá nhân và tổ chức về vô tuyến trên thế giới nhìn nhận theo rất nhiều cách khác nhau Thuật ngữ Vô tuyến thông minh lần đầu tiên xuất hiện trong một tờ... nghệ mạng vô tuyến hiện tại và tương lai Nên việc áp dụng OFDM trong Vô tuyến thông minh sẽ khiến cho quá trình đồng bộ hoạt động giữa Vô tuyến thông minh và các mạng vô tuyến khác trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết Thứ hai, việc phân bổ tài nguyên vô tuyến một cách linh động là một thách thức lớn trong các hệ thống Vô tuyến thông minh OFDM sẽ cung cấp một phương pháp rất linh hoạt trong việc phân bổ các... Tổng quan Vô tuyến thông minh Mô hình thực hiện Vô tuyến thông minh 1.6.1 Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) Trước khi trình bày kiến trúc của Vô tuyến thông minh, ta sẽ đi sơ qua về vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm, nó được coi là nền tảng cho việc thực hiện Vô tuyến thông minh trong tương lai Vô tuyến định nghĩa phần mềm là một hệ thống truyền thông không dây có thể cấu hình lại, trong đó các... Mitola III định nghĩa như sau: Vô tuyến thông minh là mô hình vô tuyến sử dụng những suy luận chặt chẽ để đạt được mục tiêu cụ thể đã thiết lập trong các miền vô tuyến liên quan.” Tuy nhiên, trong khảo sát về Vô tuyến thông minh của một tờ báo, Simon Haykin đã định nghĩa Vô tuyến thông minh như sau: Vô tuyến thông minh là một hệ thống truyền thông không dây thông minh có khả năng nhận biết về môi... là vấn đề hàng đầu trong các mạng Vô tuyến thông minh Phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét mô hình tham khảo khi thực hiện Vô tuyến thông minh dựa trên Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR – Software Defined Radio) Từ đó thấy được sự khác nhau cơ bản nhất giữa Vô tuyến thông minh và Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm, đồng thời thấy được các ưu điểm vượt trội của Vô tuyến thông minh Nguyễn Tiến Tĩnh,... QUAN VÔ TUYẾN THÔNG MINH 1.1 Giới thiệu chương Vô tuyến thông minh không chỉ là một công nghệ mới, mà nó còn là một sự thay đổi mang tính cách mạng trong việc sử dụng phổ tần vô tuyến Công nghệ Vô tuyến thông minh được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, các người dùng thông minh có khả năng sử dụng phổ chia sẻ mà không gây nhiễu tới các người dùng được cấp phép Vô tuyến thông minh cho phép... Phần cứng Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm RF Phần mềm Điều chế Mã hóa Tạo khung Phần cứng Vô tuyến thông minh RF Xử lí Xử lí Phần mềm Điều chế Mã hóa Tạo khung Xử lí Xử lí thông minh (cảm nhận, quyết định, chia sẻ) Phần cứng Phần mềm Hình 1.9 So sánh giữa Vô tuyến thông thường, Vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm và Vô tuyến thông minh Từ sơ đồ trên, ta có thể thấy rằng, Vô tuyến thông minh có thể . dụng trực tiếp vào Vô tuyến thông minh. Chương 3: Vô tuyến thông minh dựa trên nền OFDM Trình bày kiến trúc của mạng Vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng công nghệ OFDM - bao gồm mô hình. dụng. Chương 4: Phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh – OFDM Nội dung chương đi sâu phân tích về vấn đề tối ưu phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh – OFDM. Cụ thể ta. 4.3.1. Phân bổ công suất trong các hệ thống OFDM thông thường 65 4.3.2. Phân bổ công suất trong các hệ thống Vô tuyến thông minh- OFDM 66 4.3.3. Thuật toán đổ đầy nước phân chia lặp: Điều kiện công