Giải pháp phân chia tần số và công suất dưới điều kiện ràng buộc nhiễu cho truyền thông nhận thức sử dụng OFDM

THÔNG TIN TÓM TẮT VỀ NHỮNG KẾT LUẬN MỚI CỦA LUẬN ÁN TIẾN SĨ Tên luận án: Giải pháp phân chia tần số và công suất dưới điều kiện ràng buộc nhiễu cho truyền thông nhận thức sử dụng OFDM Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 Nghiên cứu sinh: Nguyễn Tiến Hòa Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Đức Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TÓM TẮT KẾT LUẬN MỚI CỦA LUẬN ÁN 1) Đưa ra nghiệm phân bổ công suất giải tích tối ưu dạng đóng cho mô hình hệ thống CROFDM với ba kịch bản bảo vệ chất lượng dịch vụ của hệ thống PU khác nhau, bao gồm: a) hệ thống PU cần bảo vệ với một mức can nhiễu giới hạn; b) hệ thống PU cần bảo vệ với nhiều mức can nhiễu giới hạn; c) nhiều hệ thống PU cần được bảo vệ với nhiều tốc độ truyền dẫn khác nhau. 2) Đề xuất giải pháp phân bổ công suất phát bám nhiễu bậc hai SOIT (Second Order Interference Tracking). Giải pháp này có số lượng sóng mang con được chèn không là động (dynamic nulling) và giảm độ phức tạp thuật toán xuống O(NlogN) so với phương pháp tối ưu là O(N3). 3) Đề xuất hai giải pháp phân chia tần số dựa trên nhiễu, cụ thể: Giải pháp phân chia nhiễu nghịch đảo IIA (Inverted Interference Assignment) dựa trên sự công bằng mức nhiễu và giải pháp phân chia tập hợp sóng mang con thông minh CCA (Cognitive Carrier Aggregation) dựa trên sự đảm bảo về QoS của hệ thống. 4) Đề xuất hai phương án giải quyết bài toán tối ưu và cận tối ưu trong phân bổ công suất của hệ thông CROFDM đa người dùng Đối với vấn đề tối ưu: Đưa ra nghiệm giải tích dạng đóng cho sự phân bổ công suất tối ưu trong trong mô hình mạng tồn tại cả nhiễu tương hỗ MUI (MultiUsers Interference) và cả nhiễu nội bộ IUI (InterUsers Interference). Đối với vấn đề cận tối ưu: Mở rộng phương pháp phân bổ công suất phát bám nhiễu bậc hai (SOIT) cũng như đề xuất mở rộng hai phương pháp Scheme A và Scheme B của Bansal cho hệ thống CROFDM đa người dùng. Hà Nội, ngày 07 tháng 07 năm 2016 Giảng viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Đức Nghiên cứu sinh Nguyễn Tiến HòaINFORMATION ON NEW CONCLUSIONS OF DOCTORAL THESIS Name of Thesis: Channel and Power Allocation Techniques with Interference Constraint in OFDMbased Cognitive Radio System Specialization: Telecommunications Engineering Code No.: 62520208 Name of PhD. Student: Nguyen Tien Hoa Advisors: Prof. Dr Nguyen Van Duc Training Institution: Hanoi University of Science and Technology SUMMARY OF THE NEW CONTRIBUTIONS OF THE THESIS 1) Provides analytic optimal transmit power allocation in closedform for CROFDM system with three protection scenarios of the QoS of different PU system models, including: a) PU systems predicted with limited power interference threshold; b) Many PU systems predicted with different limited power interference threshold; c) Many PU system with different predicted data rate. 2) Proposes a suboptimal transmit power allocation SOIT (Second Order Tracking Interference). This method has the dynamic number of Nullsubcarriers (dynamic nulling) and reduces the computational complexity algorithm to O(NlogN) compared to the optimal method which is O(N3). 3) Proposes two solutions for channel assignment based on Interference, including: IIA (Inverted Interference Assignment) based on the fairness of interference and CCA (Cognitive Carrier Aggregation) based on the fairness of QoS 4) Proposes two approaches for transmit power suboptimal and optimal allocation problems in CROFDM multiuser system. a. For optimal problem Provides analytic optimal transmit power allocation in closedform for CROFDM multiuser system in network model, which has both mutual interference MUI (MultiUsers Interference) and internal Interference IUI (InterUsers Interference). b. For suboptimal problem Extends the proposed method SOIT as well as two methods Scheme A and Scheme B of Bansal for CROFDM multiuser system. Hanoi, 07072016 Supervisor Prof. Dr Nguyen Van Duc PhD. Student Nguyen Tien HoaTRÍCH YẾU LUẬN ÁN Họ và tên NCS: Nguyễn Tiến Hòa Đề tài nghiên cứu: “Giải pháp phân chia tần số và công suất dưới điều kiện ràng buộc nhiễu cho truyền thông nhận thức sử dụng OFDM” Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 62520208 Cơ sở đào tạo: Bộ môn Mạch và Xử lý Tín hiệu, Viện Điện tử Viễn thông, trường ĐHBK Hà Nội Mục đích và đối tượng nghiên cứu của luận án. Mục tiêu của luận án nhằm giải quyết những vấn đề tối ưu và cận tối ưu trong phân chia kênh động và phân bổ công suất nhằm tối ưu dung lượng tổng cộng trong một hệ thống CROFDM đơn và đa người dùng. Trong đó đối tượng nghiên cứu của luận án là phân chia kênh động và phân bổ công suất phát. Các phương pháp nghiên cứu đã sử dụng. Luận án phát triển tiếp trên những công trình quan trọng của Bansal và cộng sự được nhiều người quan tâm với hơn 500 lượt trích dẫn. Cách tính toán nghiệm tối ưu sử dụng phương pháp Lagrange với các điều kiện biên KarushKuhnTucker. Các phương pháp hiện hành (tối ưu hay cận tối ưu) cho hệ thống CR sử dụng OFDM (cả đơn hay đa người dùng) đều chưa tính đến điều kiện biên là tổng công suất phát phải dưới ngưỡng cho phép, trong khi điều kiện này được áp chế bởi FCC. Luận án bổ sung điều kiện này để đưa ra các giải pháp tối ưu đối với công suất phát dưới dạng nghiệm giải tích đóng (đơn và đa người dùng). Luận án dựa trên nghiệm giải tích dạng đóng này để đưa ra các giải pháp cận tối ưu nhằm giảm độ phức tạp tính toán và đảm bảo chất lượng hệ thống theo yêu cầu. Luận án sử dụng phương pháp phân tích giải tích kết hợp với lý thuyết và mô phỏng ở lớp vật lý để đánh giá hiệu năng của hệ thống. Các kết quả chính 1) Đóng góp 1: Đưa ra nghiệm phân bổ công suất giải tích tối ưu dạng đóng cho mô hình hệ thống CROFDM với ba kịch bản bảo vệ chất lượng dịch vụ của hệ thống PU khác nhau, bao gồm: a) hệ thống PU cần bảo vệ với một mức can nhiễu giới hạn; b) hệ thống PU cần bảo vệ với nhiều mức can nhiễu giới hạn; c) nhiều hệ thống PU cần được bảo vệ với nhiều tốc độ truyền dẫn khác nhau. 2) Đóng góp 2: Đề xuất giải pháp phân bổ công suất phát bám nhiễu bậc hai SOIT (Second Order Interference Tracking). Giải pháp này có số lượng sóng mang con được chèn không là động (dynamic nulling) và giảm độ phức tạp thuật toán xuống O(NlogN) so với phương pháp tối ưu là O(N3). 3) Đóng góp 3: Đề xuất hai giải pháp phân chia tần số dựa trên nhiễu, cụ thể: Giải pháp phân chia nhiễu nghịch đảo IIA (Inverted Interference Assignment) dựa trên sự công bằng mứcnhiễu và giải pháp phân chia tập hợp sóng mang con thông minh CCA (Cognitive Carrier Aggregation) dựa trên sự đảm bảo về QoS của hệ thống. 4) Đóng góp 4: Đề xuất hai phương án giải quyết bài toán tối ưu và cận tối ưu trong phân bổ công suất của hệ thông CROFDM đa người dùng Đối với vấn đề tối ưu: Đưa ra nghiệm giải tích dạng đóng cho sự phân bổ công suất tối ưu trong trong mô hình mạng tồn tại cả nhiễu tương hỗ MUI (MultiUsers Interference) và cả nhiễu nội bộ IUI (InterUsers Interference). Đối với vấn đề cận tối ưu: Mở rộng phương pháp phân bổ công suất phát bám nhiễu bậc hai (SOIT) cũng như đề xuất mở rộng hai phương pháp Scheme A và Scheme B của Bansal cho mô hình CR đa người dùng. Kết luận Trong luận án này, nghiên cứu sinh đã nghiên cứu nghiên cứu các kỹ thuật tối ưu và cận tối ưu trong quá trình phân chia kênh động và phân bổ công suất trên đường xuống của hệ thống truyền thông nhận thức ứng dụng OFDM (CROFDM) đơn và đa người dùng. Luận án xem xét vấn đề tối ưu hiệu năng dung lượng trong hệ thống CR với các điều kiện biên bao gồm việc bảo vệ chất lượng dịch vụ của hệ thống được cấp phép PU. Luận án đã đưa ra nghiệm giải tích dạng đóng cho mô hình với ba kịch bản bảo vệ chất lượng dịch vụ của hệ thống PU khác nhau. Thông qua giải pháp tối ưu, luận án tính được các tham số nhiễu, gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống. Qua đó, các giải pháp cận tối ưu được đưa ra trên cơ sở khai thác cách sử dụng các tham số nhiễu Luận án đã đề xuất hai phương pháp phân chia kênh động IIA và CCA, trong đó IIA có khả năng ứng dụng thực tế cao, đồng thời có độ phức tạp tính toán thấp O(N). Giải pháp IIA nâng tổng công suất phát lên 45% so với phân chia đều truyền thống, có độ phức tạp thuật toán là O(N). Giải pháp CCA có độ phức tạp thuật toán L.O(N) và nâng tổng công suất phát lên 12% so với phương pháp phân chia đều, đồng thời cũng thấp hơn 33% so với phương pháp IIA. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng phương pháp SOIT được đề xuất trong luận án có độ phức tạp thuật toán thấp O(NlogN), đồng thời mang lại hiệu năng dung lượng tốt hơn 30% so với phương pháp Scheme B và 70% so với phương pháp Scheme A của Bansal. Phương pháp SOIT cũng đạt xấp xỉ 95% đối với hiệu năng dung lượng tối ưu, và cao hơn 74% so với phương pháp phân bổ công suất đều. Giảng viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Nguyễn Văn Đức Nguyễn Tiến HòaB¸ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯ˝NG ĐẠI H¯C BÁCH KHOA HÀ N¸I NGUYỄN TIẾN H`A GIẢI PHÁP PHÂN CHIA TẦN S¨ VÀ C˘NG SUẤT DƯ˛I ĐIỀU KIỆN RÀNG BU¸C NHIỄU CHO TRUYỀN TH˘NG NHẬN THỨC SỬ DỤNG OFDM Chuy¶n ngành: Kỹ thu“t Vi„n thông M¢ sŁ: 62520208 T´M TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN TH˘NG HÀ N¸I 2016Công tr…nh này đưæc hoàn thành t⁄i Trường Đ⁄i học B¡ch Khoa Hà Nºi Người hướng d¤n khoa học: PGS.TS.Nguy„n V«n Đøc Ph£n bi»n 1: ....................................................................... Ph£n bi»n 2: ....................................................................... Ph£n bi»n 3: ....................................................................... Lu“n ¡n đưæc b£o v» trước Hºi đồng đ¡nh gi¡ lu“n ¡n ti‚n sĩ c§p trường họp t⁄i Trường Đ⁄i học B¡ch Khoa Hà Nºi vào hồi : : : giờ, ngày : : : th¡ng : : : n«m 2016 Có th” t…m hi”u lu“n ¡n t⁄i: 1. Thư vi»n T⁄ Quang Bßu, Trường ĐHBK Hà Nºi 2. Thư vi»n QuŁc gia Vi»t NamGI˛I THIỆU LUẬN ÁN 1. T‰nh c§p thi‚t cıa lu“n ¡n Theo nghi¶n cøu cıa Ủy ban Truy•n thông Li¶n bang FCC (Federal Communication Commission), hi»u qu£ cıa vi»c sß dụng cıa c¡c tƒn sŁ đưæc c§p ph†p là th§p 21. H» thŁng truy•n thông nh“n thøc (CR: Cognitive Radio) đưæc đ• xu§t trong 54 là mºt công ngh» đƒy høa hẹn có kh£ n«ng gi£i quy‚t c¡c v§n đ• sß dụng phŒ tƒn hi»u qu£. Truy•n thông nh“n thøc cho ph†p người sß dụng thø c§p SU (Secondary User) sß dụng nhœng d£i tƒn trŁng t⁄m thời cıa người dùng sơ c§p PU (Primary User) khi đ£m b£o møc can nhi„u tł SU sang PU nhỏ hơn møc giới h⁄n. C¡c nghi¶n cøu đ¢ ch¿ ra r‹ng kỹ thu“t gh†p k¶nh đa sóng mang trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là phương ph¡p đi•u ch‚ r§t phù hæp cho c¡c h» thŁng truy•n thông nh“n thøc 32,33,41,47,76. Đ• tài lu“n ¡n nghi¶n cøu c¡c gi£i ph¡p cho v§n đ• ph¥n chia k¶nh đºng và ph¥n bŒ công su§t cho h» thŁng CROFDM nh‹m n¥ng cao hi»u qu£ sß dụng tài nguy¶n vô tuy‚n. 2. Mục ti¶u cıa lu“n ¡n Mục ti¶u cıa lu“n ¡n đó là gi£i quy‚t nhœng v§n đ• tŁi ưu và c“n tŁi ưu trong c§p ph¡t k¶nh đºng và ph¥n bŒ công su§t nh‹m tŁi ưu dung lưæng tŒng cºng trong h» thŁng CROFDM đơn và đa người dùng dưới c¡c đi•u ki»n ràng buºc nhi„u. 3. Nhi»m vụ cıa lu“n ¡n Lu“n ¡n t“p trung nghi¶n cøu nhœng phương ph¡p ph¥n bŒ công su§t và ph¥n chia k¶nh đºng nh‹m tŁi ưu dung lưæng tŒng cºng trong h» thŁng CROFDM đơn và đa người dùng dưới đi•u ki»n ràng buºc nhi„u. Lu“n ¡n gi£ sß r‹ng qu¡ tr…nh c£m bi‚n hŁ phŒ đ¢ đưæc thực hi»n và c¡c d£i tƒn trŁng đ¢ đưæc bi‚t. C¡c h» sŁ k¶nh truy•n tł SU và PU đưæc ước lưæng hoàn h£o 51,96. ĐŁi với mô h…nh CROFDM đơn người dùng, v§n đ• tŁi ưu dung lưæng với c¡c đi•u ki»n bi¶n có th” gi£i đưæc b‹ng phương ph¡p Lagrange với c¡c đi•u ki»n bi¶n 1KarushKuhnTucker (KKT) 14. C¡c phương ph¡p ph¥n bŒ công su§t c“n tŁi ưu đưæc nghi¶n cøu mºt mặt nh‹m gi£m đº phøc t⁄p t‰nh to¡n, mặt kh¡c đ⁄t đưæc dung lưæng k¶nh gƒn phương ph¡p tŁi ưu tŁi ưu. Trong h» thŁng CR đa người dùng, v§n đ• tŁi ưu là v§n đ• b§t định trong thời gian đa thøc (NPHard) không th” gi£i đưæc bởi c¡ch m¡y t‰nh thông thường trong kho£ng thời gian ch§p nh“n đưæc, và không th” t…m đưæc nghi»m gi£i t‰ch d⁄ng đóng 14,16. V§n đ• tŁi ưu đưæc chia thành hai qu¡ tr…nh bao gồm ph¥n chia k¶nh đºng và ph¥n bŒ công su§t ph¡t. — đ¥y qu¡ tr…nh ph¥n chia k¶nh đºng không có lời gi£i tŁi ưu 74,75. Qu¡ tr…nh ph¥n bŒ công su§t có hai c¡ch ti‚p c“n bao gồm tŁi ưu và c“n tŁi ưu. Trong v§n đ• ph¥n bŒ công su§t, lu“n ¡n không ch¿ xem x†t nhi„u tương hØ truy•n thŁng MUI (MultiUsers Interference) giœa PU và SU mà cÆn c£ nhi„u nºi bº IUI (InterUsers Interference) giœa nhœng người dùng thø c§p. 4. T…nh h…nh nghi¶n cøu trong và ngoài nước V§n đ• qu£n lý tài nguy¶n vô tuy‚n cıa h» thŁng truy•n thông truy•n thŁng đ¢ đưæc nghi¶n cøu s¥u rºng trong 13,710,3435,96100. Phương ph¡p ph¥n bŒ công su§t theo thu“t to¡n rót nước (WaterFilling) đ¢ đưæc t¡c gi£ trong 81 chøng minh r‹ng không hi»u qu£ đŁi với SU. C¡ch ti‚p c“n với sŁ lưæng b‰t đi•u ch‚ và công su§t ph¡t tr¶n tłng k¶nh con cho h» thŁng OFDM đơn người dùng đưæc tr…nh bày trong 71, trong đó nhœng k¶nh có h» sŁ k¶nh truy•n lớn đưæc ph¡t công su§t và møc đi•u ch‚ cao nh‹m t«ng dung lưæng cıa h» thŁng. Đ” đ£m b£o công b‹ng QoS, Rhee và cºng sự trong 70 đưa ra v§n đ• MaxMin đ” tŁi ưu dung lưæng k¶nh cıa nhœng người dùng có dung lưæng k¶nh th§p. V§n đ• ph¥n bŒ công su§t tŁi ưu và c“n tŁi ưu đ¢ đưæc Bansal đưa ra trong 710. Tuy nhi¶n ở đ¥y PU ch¿ đưa ra mºt møc công su§t can nhi„u giới h⁄n, tương øng với mºt PU đang ho⁄t đºng. T¡c gi£ không đưa ra møc công su§t ph¡t giới h⁄n cho SU, đi•u này không s¡t với thực t‚ bởi trong m⁄ng hØn t⁄p có th” có nhi•u PU đang ho⁄t đºng và cƒn b£o v» với nhi•u møc can nhi„u kh¡c nhau 2121. Trong c¡c nghi¶n cøu 710,42,97100 đ•u gi£ sß h» sŁ k¶nh truy•n trong h» thŁng SU và PU đ•u đưæc bi‚t t⁄i ph‰a ph¡t SU. Sự gi£ định này là có cơ sở bởi h» sŁ k¶nh truy•n giœa nhœng người dùng SU có th” đưæc ước lưæng theo c¡c phương ph¡p ước lưæng k¶nh truy•n thŁng. Ngoài ra h» sŁ k¶nh truy•n giœa SU và PU có th” ước lưæng đưæc dựa tr¶n lý thuy‚t thu“n nghịch 51,97. C¡c th¡ch thøc trong vi»c qu£n lý tài nguy¶n trong h» thŁng không nh“n thøc truy•n thŁng có th” đưæc xem ở 71. C¡c t¡c gi£ trong 34,91 đ• xu§t sß dụng cßa sŒ (Windowing) cho ph‰a ph¡t cıa SU nh‹m gi£m búp sóng phụ qua đó gi£m nhi„u l¶n PU. Phương ph¡p này 2giúp n¥ng cao công su§t ph¡t cıa SU và n¥ng cao dung lưæng k¶nh. Phƒn lớn nhi„u £nh hưởng l¶n PU đưæc g¥y ra do nhœng sóng mang con cıa SU n‹m c⁄nh b«ng tƒn cıa PU 8889,95100. T¡c gi£ trong 16 đ• xu§t phương ph¡p làm gi£m c¡c búp sóng phụ b‹ng c¡ch t›t đi c¡c sóng mang con n‹m k• b«ng tƒn cıa PU, thay cho kho£ng b£o v» CP, gọi là CC (Cancellation Carriers). Vi»c t›t đi nhœng sóng mang con này có th” gi£m nhi„u tł SU sang PU đưæc gọi là ch–n không. 5. Đóng góp cıa lu“n ¡n Nhœng đóng góp ch‰nh cıa như sau: 1) Đưa ra nghi»m gi£i t‰ch tŁi ưu d⁄ng đóng cho mô h…nh h» thŁng CROFDM đơn người dùng với ba kịch b£n b£o v» ch§t lưæng dịch vụ cho ba h» thŁng PU kh¡c nhau. K‚t qu£ đưæc công bŁ tr¶n công tr…nh C3, J2. 2) Đ• xu§t gi£i ph¡p ph¥n bŒ công su§t ph¡t b¡m nhi„u b“c hai (SOIT) cho h» thŁng CROFDM đơn nguời dùng. K‚t qu£ đưæc công bŁ tr¶n công tr…nh C1, J1. 3) Đ• xu§t hai gi£i ph¡p ph¥n chia tƒn sŁ dựa tr¶n nhi„u cho h» thŁng CROFDM đa người dùng. C¡c gi£i ph¡p này đưæc công bŁ tr¶n công tr…nh C4, J2. 4) Đ• xu§t hai phương ¡n gi£i quy‚t bài to¡n tŁi ưu và c“n tŁi ưu trong ph¥n bŒ công su§t cıa h» thông CROFDM đa người dùng. K‚t qu£ đưæc công bŁ tr¶n công tr…nh C2. 6. BŁ cục lu“n ¡n Lu“n ¡n đưæc chia thành ba chương. Trong chương 1, lu“n ¡n tr…nh bày c¡c lo⁄i can nhi„u trong mô h…nh mà h» thŁng PU và SU cùng tồn t⁄i cũng như dung lưæng k¶nh cıa h» thŁng CROFDM. Trong chương 2, lu“n ¡n đưa ra nghi»m gi£i t‰ch tŁi ưu d⁄ng đóng cho công su§t ph¡t ph¥n bŒ tr¶n mØi sóng mang con trong mô h…nh h» thŁng CROFDM đơn người dùng và đ• xu§t phương ph¡p ph¥n bŒ công su§t SOIT với đº phøc t⁄p thu“t to¡n th§p hơn so với phương ph¡p ph¥n bŒ công su§t tŁi ưu và mang l⁄i hi»u n«ng dung lưæng h» thŁng cao. Lu“n ¡n xem x†t mô h…nh h» thŁng CROFDM đa người dùng trong chương 3 và đ• xu§t hai gi£i ph¡p ph¥n chia k¶nh đºng. 3Chương 1 NHIỄU VÀ DUNG LƯỢNG TRONG MẠNG TRUYỀN TH˘NG NHẬN THỨC 1.1. Nhi„u tł SU sang PU Gi£ sß r‹ng ta dùng mºt bº lọc xung vuông cho mØi sóng mang con thø i cıa t‰n hi»u OFDM theo như chun WLAN 2122. Như v“y m“t đº phŒ công su§t cıa sóng mang con thø i cıa người dùng SU thø k đưæc vi‚t trong 6667,8889 là φi;k(f) = ATs sin(πfTs) πfTs 2; (1.7) trong đó A là bi¶n đº cıa t‰n hi»u t⁄i sóng mang con thø i cıa người dùng SU thø k, Ts là thời gian mºt chu kỳ t‰n hi»u. Như v“y can nhi„u cıa t‰n hi»u t⁄i sóng mang con thø i cıa người dùng SU thø k sang h» thŁng PU với b«ng tƒn có b• rºng B là 710,8889 Ii;k(di;k; Pi;k) = Pi;kTs Zdi;k di;k −+ B= B= 22 sinπfT (πfT s s)2df; (1.8) với Pi;k là công su§t ph¡t tr¶n sóng mang con thø i cıa người dùng SU thø k, di;k là kho£ng c¡ch giœa sóng mang con cıa SU đ‚n d£i tƒn cıa PU. Tł công thøc (1.8), đặt Ii;k (l) là nhi„u tł sóng mang con thø i, k¶nh thø k cıa SU sang d£i tƒn thø l cıa PU. Đặt N(k) là sŁ lưæng sóng mang con cıa k¶nh thø k trong tŒng sŁ N sóng mang con cıa c£ h» thŁng SU. TŒng nhi„u tł SU sang PU với L d£i tƒn s‡ là I sp = LX l =1 KX k =1 N(k) X i =1 I(l) i;k(d( i;k l) ; Pi;k) (1.13) 4Ta th§y nhi„u tł SU sang PU phụ thuºc vào 3 y‚u tŁ: (1) đº læi k¶nh hsp i;k;l; (2) công su§t Pi;k t⁄i sóng mang con thø i cıa người dùng SU thø k; (3) kho£ng c¡ch d(l) i;k giœa d£i tƒn tł SU tới PU. 1.2. Nhi„u tł PU sang SU M“t đº phŒ công su§t cıa t‰n hi»u PU sau khi bi‚n đŒi Fourier với chi•u dài N có th” vi‚t 61,89: EfIN()g = 1 2πN Z−π π ΦPU(ej) sin sin ( (− − )N= )=222d ; (1.14) với ΦPU(ej) là m“t đº phŒ công su§t cıa t‰n hi»u PU. Đặt Ji;k (l)(d( i;k l) ; PPU (l)) là nhi„u tł b«ng thông PU thø l l¶n sóng mang con thø i, người dùng SU thø k ta có J (l) i;k(d( i;k l) ; PPU (l)) = Zd( d l( i;k )l) +∆f=2 i;k−∆f=2 EfIN()gd; (1.15) trong đó hps i;k;l là đº læi k¶nh tł b«ng thông PU thø l và sóng mang con thø i cıa người dùng SU thø k, ∆f là b• rºng sóng mang con cıa SU, PPU (l) là công su§t ph¡t cıa b«ng thông PU thø l. 1.3. Nhi„u giœa SU Đặt Mn;i (m;k)(d( n;i m;k); Pn (m)) là nhi„u tł sóng mang thø n, người dùng SU thø m đ‚n sóng mang thø i người dùng SU thø k, tương tự như tr¶n lu“n ¡n có th” vi‚t M (m;k) n;i (d( n;i m;k); Pn (m)) = hss n;i (m;k) 2 Pn (m)Ts × d(m;k) n;i +∆f=2 Z d(m;k) n;i −∆f=2 sinπfT (πfT s s)2 df (1.17) với d(m;k) n;i là kho£ng c¡ch giœa hai sóng mang thø n và thø i, hss n;i (m;k) là đº læi k¶nh giœa m¡y ph¡t thø m đ‚n m¡y thu thø k. Pn (m) là công su§t tr¶n sóng mang thø n cıa người dùng CR thø m. 51.4. Dung lưæng h» thŁng CR TŁc đº truy•n d¤n tŁi đa đ⁄t đưæc t⁄i sóng mang con thø i với công su§t ph¡t Pi có th” đưæc t‰nh theo công thøc Shannon 29. Ri(Pi; hi) = ∆flog2 1 + jhij2 Pi σ2 i ; (1.19) Trong đó hi là đº læi k¶nh phađinh tr¶n sóng mang con thø i, σi 2 là nhi„u tr›ng Gauss và can nhi„u tł ph‰a ph¡t PU sang sóng mang con thø i. Dung lưæng k¶nh cıa h» thŁng CROFDM đưæc đưa ra là 710: C = max Pi;k NX i =1 ∆flog21 + σ2 + jhP ss i jL l2 =1 PiJi(l) ; (1.20) với Pi là công su§t ph¡t tr¶n sóng mang con thø i cıa cıa SU. σ2 là phương sai nhi„u tr›ng Gauss AWGN, Ji(l) bi”u thị nhi„u tł b«ng thông PU thø l sang sóng mang con sóng mang con SU thø i. Trong h» thŁng CROFDM K người dùng sß dụng phương ph¡p đa truy nh“p FDMA. Dung lưæng k¶nh cıa h» thŁng này đưæc lu“n ¡n đưa ra là: C = max Pi;k N(k) X i =1 KX k =1 ∆flog21 + σ2 + PL l=1 Ji;k (l)j+ hss i;k P j2 K m P =1 i;k m6=k PN n=1 (m) Mn;i (m;k) ; (1.21) với Pi;k là công su§t ph¡t cho sóng mang con thø i, người dùng SU thø k. σ2 là phương sai nhi„u tr›ng Gauss AWGN, Ji;k (l) là nhi„u tł b«ng thông PU thø l sang sóng mang con thø i, người dùng SU thø k. N(k) là sŁ lưæng sóng mang con cıa k¶nh SU thø k, Mn;i (m;k) là nhi„u giœa hai sóng mang con thø i và thø n cıa người dùng SU thø m và thø k. 6Chương 2 PHÂN B˚ TÀI NGUYÊN TRONG HỆ TH¨NG CR ĐƠN NGƯ˝I DÙNG Xem x†t mô h…nh ph¥n chia phŒ tƒn giœa h» thŁng CR và PU như tr¶n h…nh 2.1. Lu“n ¡n đưa ra nghi»m gi£i t‰ch tŁi ưu d⁄ng đóng cho mô h…nh h» thŁng CROFDM đơn người dùng với ba kịch b£n b£o v» ch§t lưæng dịch vụ cho ba h» thŁng PU kh¡c nhau. K‚t qu£ gi£i t‰ch đưæc đŁi chøng với k‚t qu£ gi£i b‹ng công cụ tŁi ưu CVX 30. Lu“n ¡n cũng đưa ra phương ph¡p ph¥n bŒ công su§t ph¡t SOIT (Second Order Interference Tracking) dựa tr¶n nhi„u tł PU sang SU. SOIT có đº phøc t⁄p thu“t to¡n là O(NlogN) b‹ng với Scheme A và B đưæc đ• xu§t trong 710, và th§p hơn so với phương ph¡p tŁi ưu là O(N 3). 2.1. Mô h…nh h» thŁng và đặt v§n đ• SŁ lưæng c¡c d£i tƒn rời r⁄c cıa h» thŁng PU là L với b• rºng tương øng là B1; B2; : : : ; BL. H» thŁng CROFDM đơn người dùng với N sóng mang với kho£ng H…nh 2.1: Mô h…nh ph¥n chia phŒ tƒn giœa h» thŁng CR và PU 7c¡ch giœa c¡c sóng mang con là ∆f và chu kỳ t‰n hi»u là Ts. V§n đ• tŁi ưu có th” đưæc mô t£ như sau C = max Pi;k (X i=1 N ∆flog2 1 + σ2j+ hss iP j2L l=1 Pi Jl ); (2.1) ĐŁi với hàm mục ti¶u trong công thøc (2.1), lu“n ¡n xem x†t ba mô h…nh đ£m b£o QoS cho PU như dưới đ¥y. 2.1.1. Lời gi£i cho mô h…nh đ£m b£o ch§t lưæng dịch vụ với mºt møc giới h⁄n can nhi„u Mô h…nh này đưa ra đi•u ki»n b£o v» PU và cho ph†p PU có th” ho⁄t đºng với ch§t lưæng dịch vụ (QoS) ở møc ch§p nh“n đưæc khi can nhi„u tł SU n‹m trong møc giới h⁄n cho ph†p (IPC). Đồng thời lu“n ¡n cũng xem x†t đ‚n đi•u ki»n tŒng công su§t ph¡t cıa h» thŁng CR dưới møc giới h⁄n cho ph†p, là đi•u ki»n đưæc ¡p ch‚ bởi nhœng tŒ chøc qu£n lý tƒn sŁ như FCC hoặc ETSI. C¡c đi•u ki»n bi¶n cho hàm mục ti¶u (2.1) đưæc vi‚t là: C1 : LX l =1 NX i =1 I(l) i (d( il); Pi) ≤ Ith; (2.7) C2 : Pi ≥ 0; với 8i = 1; : : : ; N; (2.8) C3 : NX i =1 Pi ≤ Pth; với 8i = 1; : : : ; N; (2.9) V§n đ• này có th” gi£i đưæc b‹ng phương ph¡p Lagrange và c¡c đi•u ki»n KKT như sau 14: L(: : : ) = NX i =1 log2 1 + Pi∗ jhss i j2 σ2 + PL l=1 Jl − (2.19) − λ LX l =1 NX i =1 I(l) i − Ith + X i=1 N µiPi∗ − β X i=1 N Pi∗ − Pth; với P ∗ i là nghi»m công su§t tŁi ưu và c¡c nh¥n tß Lagrange λ; µi; β 2 R0;+. Ta đặt Ki (l) = I P i (l i) = jhsp i;lj2Ts Rd d (( i ll ))+Bl=2 i −Bl=2 sin(πfTs) πfTs 2, gi£i và bi»n lu“n phương tr…nh Lagrange với c¡c đi•u ki»n bi¶n KKT, nghi»m gi£i t‰ch tŁi ưu đŁi với công su§t 8ph¡t Pi∗ là P ∗ i = max(0; λ PL l=1 1 Ki (l) + β − σ2 +jP hss i L l=1 j2 Ji(l) ); (2.22) 2.1.2. Lời gi£i cho mô h…nh đ£m b£o ch§t lưæng dịch vụ với nhi•u møc giới h⁄n can nhi„u Trong trường hæp có nhi•u h» thŁng PU đang ho⁄t đºng và møc giới h⁄n IPC cıa tłng h» thŁng PU là kh¡c nhau. Nói c¡ch kh¡c mØi d£i tƒn Bl s‡ có định møc can nhi„u cho ph†p Ith l . Hơn th‚ nœa công su§t ph¡t cıa h» thŁng CR cũng cƒn ph£i đưæc giới h⁄n theo ıy ban truy•n thông FCC hay ETSI. V… v“y lu“n ¡n đưa ra đi•u ki»n bi¶n như sau đ¥y. C4 : NX i =1 I(l) i (d( il); Pi) ≤ Ith (l); 8l = 1; : : : ; L (2.11) C5 : Pi ≥ 0; 8i = 1; : : : ; N; (2.12) C6 : NX i =1 Pi ≤ Pth; 8i = 1; : : : ; N; (2.13) Đặt i = jhss i j2 σ2+PL l=1 Jl phương tr…nh Lagrange có th” vi‚t l⁄i như sau với đi•u ki»n KKT như sau 13: L(: : : ) = NX i =1 log2 1 + Pi∗ i − X l=1 L λl X i=1 N Pi∗Ki (l) − Ith (l)− (2.24) − β NX i =1 P ∗ i − Pth + X i=1 N µiPi∗; Gi£i và bi»n lu“n phương tr…nh Lagrange với c¡c đi•u ki»n bi¶n KKT, công su§t ph¡t Pi∗ tŁi ưu tr¶n mØi sóng mang con cıa CROFDM là: P ∗ i = 8 i (2.29) 2.1.3. Lời gi£i cho mô h…nh đ£m b£o ch§t lưæng dịch vụ với nhi•u møc giới h⁄n dựa tr¶n tham sŁ SINR Mô h…nh này cho ph†p t‰nh to¡n tŁc đº truy•n d¤n tŁi thi”u (MDR) cıa h» thŁng PU dựa tr¶n t¿ l» lØi b‰t truy•n d¤n (BER) b‹ng c¡ch đặt giới h⁄n cho thông sŁ t¿ 9l» t‰n hi»u tr¶n nhi„u cºng t⁄p ¥m (SINR). Kịch b£n này cho ph†p b£o v» nhi•u h» thŁng PU ho⁄t đºng nhi•u tŁc đº truy•n d¤n kh¡c nhau. Lu“n ¡n đưa ra đi•u ki»n bi¶n như sau đ¥y. C7 : (l) ≥ ( th l); với 8l = 1; : : : ; L (2.16) C8 : NX i =1 Pi ≤ Pth (2.17) C9 : Pi ≥ 0; 8i = 1; : : : ; N; (2.18) Phương tr…nh Lagrange đưæc vi‚t là L(: : : ) = NX i =1 log2 1 + Pi∗ i + X l=1 L λl (l) − ( th l)− (2.30) − β NX i =1 P ∗ i − Pth + X i=1 N µiPi∗: Do đi•u ki»n giới h⁄n SINR là không tuy‚n t‰nh, n¶n h» phương tr…nh tr¶n không tuy‚n t‰nh d¤n v§n đ• gi£i và bi»n lu“n phøc t⁄p. Đặt a1 = 1= i, a2 = N (l) 0 = PN i=1 Ki (l) và b = PL l=1 λ(l). Phương tr…nh vi ph¥n Lagrange có th” rút gọn: βP ∗2 i + β(a1 + a2) + b − 1Pi∗ + βa1a2 + ba1 − a2 = 0: (2.36) Đặt Popt là nghi»m dương lớn nh§t cıa phương tr…nh (2.36), nghi»m gi£i t‰ch tŁi ưu P ∗ i là P ∗ i = (P 0;opt; n‚u cho c¡c trường hæp cÆn l⁄i β(a1 + a2) + b − 1 > 0 (2.39) 2.2. Phương ph¡p ph¥n bŒ công su§t c“n tŁi ưu 2.2.1. Phương ph¡p ph¥n bŒ công su§t đ•u Phương ph¡p ph¥n bŒ công su§t đ•u đơn gi£n nh§t có đº phøc t⁄p t‰nh to¡n O(N), chia đ•u công su§t ph¡t cho t§t c£ c¡c sóng mang. Đặt Ptot là quỹ công su§t ph¡t cıa SU, công su§t ph¡t tr¶n mØi sóng con Pi là Pi = 8