Đồ Án Phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng OFDM

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 . 1 0
1.4.3. Dịch chuyển phổ 1 1
1.4.4. Chia sẻ phổ 1 1
1.5. Kiến trúc Vật lí của Vô tuyến thông minh 1 2
1.6. Mô hình thực hiện Vô tuyến thông minh . 1 5
1.6.1. Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR). 1 5
1.6.2. Mô hình thực hiện Vô tuyến thông minh . 1 6
1.7. Kết luận chương 1 2 0
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 2 1
2.3. Nguyên lý cơ bản của OFDM 2 1
2.4. Mô hình hệ thống OFDM 2 4
2.5. Các kỹ thuật điều chế số sử dụng trong OFDM 2 7
2.5.1. Điều chế QPSK . 2 7
2.5.2. Điều chế QAM 2 8
2.6. NC-OFDM 2 9
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 3 3
Mục lục
2.7. Ưu nhược điểm của OFDM 3 5
2.8. Kết luận chương 2 3 6
CHƯƠNG 3. VÔ TUYẾN THÔNG MINH TRÊN NỀN OFDM 38
3.1. Giới thiệu chương 38
3.2. Vô tuyến thông minh - OFDM 3 8
3.3. Tại sao OFDM thích hợp với Vô tuyến thông minh . 4 0
3.3.1. Khả năng nhận biết và cảm nhận phổ 40
3.3.2. Tạo dạng phổ 4 1
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 . 4 4
3.3.6. Khả năng tương tác . 4 4
3.4. Các thách thức đối với hệ thống OFDM thông minh 4 5
3.4.1. Tạo dạng phổ 4 6
3.4.2. Thiết kế thuật toán cắt xén hiệu quả 4 6
3.4.3. Báo hiệu các tham số truyền dẫn 4 7
3.4.4. Sự đồng bộ 4 7
3.4.5. Nhiễu lẫn nhau 4 7
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 . 5 3
3.6.2. IEEE 802.22 57
3.6.3. IEEE 802.11 58
3.7. Kết luận chương 3 6 0
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 6 2
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 6 5
4.3.1. Phân bổ công suất trong các hệ thống OFDM thông thường . 6 5
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 7 1
4.4.1. Viết lại công thức bài toán phân bổ công suất 7 2
4.4.2. Phân bổ công suất trong trường hợp hai ràng buộc bất đẳng thức tuyến
tính trọng số khác không. 7 4
4.4.3. Thuật toán phân bổ công suất đệ quy cho các trường hợp tổng quát . 7 6
4.5. Kết quả mô phỏng 7 8
4.6. Kết luận chương 4 8 1
KẾT LUẬN 8 2
TÀI LIỆU THAM KHẢO 84
PHỤ LỤC 8 5
Phụ lục 1. Chứng minh định lý 1 . 8 5
Phụ lục 2. Chứng minh định lý 2 . 8 8
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, Công nghệ thông tin và Truyền thông đang phát triển với tốc độ
chóng mặt, kéo theo đó là sự gia tăng không ngừng của các ứng dụng vô tuyến và các
thiết bị vô tuyến mới, đòi hỏi phải sử dụng nguồn tài nguyên phổ tần tiết kiệm và hiệu
quả hơn. Trái lại, với chính sách phân bổ phổ tần vô tuyến cố định như hiện nay và
việc sử dụng phổ tần đã cấp phép lại tùy thuộc vào nhu cầu của người dùng nên tình
trạng sử dụng kém hiệu quả phổ tần cấp phép đang diễn ra khá phổ biến. Như vậy,
chính sách gán phổ tần cố định như trước đây sẽ không còn phù hợp nữa, cần có một
công nghệ truy nhập phổ tần mới có thể tận dụng hiệu quả các phần phổ tần chưa được
sử dụng. Công nghệ truy nhập phổ tần mới này chính là Vô tuyến thông minh (CR -
Cognitive Radio).
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một phương thức truyền
dẫn đáng tin cậy cho các hệ thống Vô tuyến thông minh. Thứ nhất, OFDM là một công
nghệ truyền dẫn xuất sắc đang được ứng dụng trong rất nhiều công 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 tài nguyên
vô tuyến trong môi trường động. Nó cũng đảm bảo việc không có can nhiễu giữa các
kênh vô tuyến liền kề nhau trong hệ thống. Công suất cần được phân bổ hợp lý tới tất
cả các người sử dụng nhằm đảm bảo cho hệ thống vận hành một cách tối ưu nhất, đáp
ứng các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) cũng như nâng cao hiệu năng của toàn
bộ hệ thống Vô tuyến thông minh. Do vậy, cần có những nghiên cứu đúng đắn và toàn
diện về vấn 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 minh.
Trong đó nêu rõ các khái niệm liên quan về Vô tuyến thông minh, đồng thời phân tích
đặc điểm và hoạt động của Vô tuyến thông minh bao gồm cảm nhận phổ, quyết định
phổ, linh hoạt phổ và chia sẻ phổ.
Chương 2: Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao - OFDM
Trình bày tổng quan về kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. Nội
dung chương bao gồm 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 và hoạt động, các thách thức còn tồn tại và
các chuẩn 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 như cung
cấp tài liệu của cô giáo Ths. Lê Tùng Hoa và nỗ lực của bản thân, đồ án đã được hoàn
thành với nội dung đăng ký ở mức độ và phạm vi nhất định. Tuy nhiên, do trình độ và
thời gian có hạn nên đồ án chắc chắn không tránh khỏi có những sai sót, kính mong
các thầy cô giáo và bạn đọc đóng góp ý kiến cho nội dung đồ án được hoàn thiện hơn
và định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới cô giáo ThS. Lê Tùng Hoa, người
đã trực tiếp định hướng em lựa chọn đồ án này đồng thời cũng là người đã tận tình
hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành đồ án. Em cũng xin gửi lời
cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong bộ môn Vô tuyến - khoa Viễn thông I, và
các bạn bè đã giúp đỡ em trong quá trình học tập và làm đồ án.