BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG ************************** NGUYỄN VĂN CHÍNH TRUYỀN THÔNG KẾT HỢP TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC: CẢI THIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG THỨ CẤP Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 Công trình hoàn thành tại: Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo TS Nguyễn Lương Nhật Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tại: Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, Vào lúc: ngày tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Thư viện Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông MỞ ĐẦU Công nghệ vô tuyến nhận thức (cognitive radio - CR) đời giúp cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần cho phép dịch vụ vô tuyến sử dụng chung dải phổ Bên cạnh vô tuyến nhận thức, truyền thông đa chặng cho phép hệ thống mở rộng vùng phủ sóng cải thiện chất lượng tín hiệu vùng phủ sóng Tuy nhiên, nhược điểm truyền thông đa chặng hiệu suất sử dụng phổ tần thấp Để giải vấn đề này, công nghệ vô tuyến nhận thức lựa chọn tốt Phương thức truyền dạng có ưu điểm cho phép mạng sơ cấp mạng thứ cấp đồng thời truyền nhận liệu miễn can nhiễu mạng thứ cấp không lớn mức chịu đựng máy thu sơ cấp Để thực điều này, máy phát thứ cấp thường phải điều chỉnh công suất phụ thuộc vào độ lợi kênh truyền can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến máy thu sơ cấp dẫn đến vùng phủ sóng mạng thứ cấp thường giới hạn việc đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS hệ thống thứ cấp vấn đề thử thách Luận án định hướng giải toán nâng cao hiệu mạng thứ cấp đảm bảo mức can nhiễu cho mạng sơ cấp cách sử dụng kỹ thuật tiên tiến lớp vật lý như: truyền chuyển tiếp, truyền hợp tác, truyền thích nghi mã hóa không gian MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng mô hình mạng truyền thông kết hợp chuyển tiếp hiệu cho mạng thứ cấp: đảm bảo QoS mở rộng vùng phủ sóng Đề xuất phương pháp cho phép phân tích hiệu mô hình mạng đề xuất Áp dụng kỹ thuật cải thiện hiệu lớp vật lý: mã không gian thời gian, truyền thích nghi để cải thiện hiệu mạng thứ cấp đảm bảo thông tin mạng sơ cấp Đối tượng nghiên cứu Các kỹ thuật kết hợp: selection combining maximal-ratio combining; Các kỹ thuật truyền thích nghi giảm ảnh hưởng can nhiễu lên hệ thống sơ cấp; Kênh truyền fading: Rayleigh; Các mô hình truyền thông hợp tác: truyền lựa chọn, truyền lặp lại, truyền gia tăng; Các giao thức xử lý tín hiệu nút chuyển tiếp: amplify-and-forward, decode-and-forward, coded cooperation; Các kỹ thuật chọn nút chuyển tiếp mạng truyền thông hợp tác; Kỹ thuật truyền đa chặng sử dụng công nghệ MIMO Phạm vi nghiên cứu: Thông tin vô tuyến, mạng truyền thông kết hợp kỹ thuật vô tuyến nhận thức Nhiệm vụ nghiên cứu Để nâng cao hiệu năng, mở rộng vùng phủ sóng chất lượng dịch vụ QoS mạng thứ cấp (Mạng Cognitive radio) mà không ảnh hưởng đến chất lượng mạng sơ cấp; NCS phải thực nhiệm vụ sau: Một đề xuất mô hình truyền thông kết hợp sử dụng nhiều nút chuyển tiếp, chọn nút chuyển tiếp AF tốt dạng Trong xem xét điều kiện sau: * Xem xét đến kênh can nhiễu từ nút nguồn nút chuyển tiếp đến nút thu sơ cấp * Xem xét kênh truyền Pha đinh rayleigh độc lập, không đồng * Xem xét đến kênh truyền trực tiếp từ nguồn đến đích kỹ thuật kết hợp nút đích Hai đề xuất mô hình chuyển tiếp đa chặng tiến hành tối ưu vị trí nút chuyển tiếp DF dạng Trong xem xét điều kiện sau: * Xem xét công suất chịu đựng can nhiễu tối đa máy thu sơ cấp * Xem xét công suất phát tối đa máy phát thứ cấp Ba ứng dụng mã hóa không gian thời gian Alamouti vào mạng vô tuyến nhận thức dạng trường hợp chặng nhiều chặng Trong xem xét điều kiện sau: * Xem xét công suất chịu đựng can nhiễu tối đa máy thu sơ cấp * Xem xét kênh can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến máy thu sơ cấp Bốn ứng dụng điều chế thích nghi môi trường vô tuyến nhận thức dạng Xây dựng giải toán tối ưu hiệu suất phổ tần, kết biểu diễn dạng đóng cho kênh truyền fading Rayleigh xem xét điều kiện kênh can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến máy thu sơ cấp Cấu trúc luận án Chương 1: Giới thiệu vô tuyến nhận thức truyền thông kết hợp Chương 2: Đề xuất đánh giá hiệu mô hình truyền thông kết hợp hiệu môi trường vô tuyến nhận thức dạng Chương 3: Đánh giá hiệu mã hóa không gian thời gian Alamouti môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền: chặng nhiều chặng Chương 4: Điều chế thích nghi môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền: Tối ưu hiệu suất phổ tần CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VÀ TRUYỀN THÔNG KẾT HỢP Tóm tắt: Chương giới thiệu kiến thức liên quan đến luận án khái niệm vô tuyến nhận thức, truyền thông kết hợp (MIMO ảo) truyền thông kết hợp môi trường vô tuyến nhận thực Mối quan hệ vô tuyến nhận thức với vô tuyến thông minh, kiến trúc vật lý vàchức vô tuyến nhận thức Phân tích mô hình mạng vô tuyến nhận thức cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức 1.1 GIỚI THIỆU Chương trình bày tổng quan vấn đề vô tuyến nhận thức, truyền thông kết hợp kết hợp truyền thông kết hợp với vô tuyến nhận thức Phần cuối chương rút số nhận xét đề xuất hướng nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần mà đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS 1.2 VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.2.1 Sự cần thiết đời vô tuyến nhận thức Do nhu cầu thiết đặt viễn thông giới cho đời hệ thống vô tuyến nhận thức có khả sử dụng khoảng trắng dải tần số Sự xuất vô tuyến nhận thức cho phép giải khó khăn việc sử dụng hiệu tài nguyên tần số vô tuyến 1.2.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức Theo IEEE: “Vô tuyến nhận thức hệ thống phát/nhận tần số vô tuyến mà thiết kế để thông minh phát khoảng phổ sử dụng hay không, nhảy (hoặc thoát khỏi cần thiết) nhanh qua khoảng phổ tạm thời không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho hệ thống cấp phép khác 1.2.3 Mối quan hệ vô tuyến thông minh (Software Defined Radio) vô tuyến nhận thức Vô tuyến nhận thức cần dựa vô tuyến thông minh để phát triển Hay nói cách khác, vô tuyến thông minh công nghệ lõi vô tuyến nhận thức 1.2.4 Kiến trúc vật lý vô tuyến nhận thức Bộ phận hệ thống thu phát vô tuyến nhận thức gồm hai phần phần cao tần (RF font end), phần xử lý băng gốc (baseband processing unit) 1.2.5 Chức vô tuyến nhận thức Hệ thống vô tuyến nhận thức có bốn chức chính, là: Cảm biến phổ, Phân tích quản lý phổ, Quản lý phổ chia sẻ phổ 1.2.6 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức 1.2.6.1 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng (underlay) Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, mạng thứ cấp mạng sơ cấp hoạt động tần số máy phát thứ cấp phải điều chỉnh công suất phát cho công suất can nhiễu nhận máy thu sơ cấp phải nhỏ ngưỡng quy định trước, I p 1.2.6.2 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập (overlay) Trong mô hình này, mạng sơ cấp thứ cấp hoạt động băng tần với giả định hai mạng phải trao đổi thông tin hợp tác lẫn để loại bỏ/trách can nhiễu hai mạng kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp 1.2.6.3 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen (interweave) Mô hình vô tuyến nhận thức dạng đan xen mô hình hệ thống thứ cấp phải dừng truyền hệ thống sơ cấp truyền phát trở lại hạn chế gây can nhiễu cho hệ thống sơ cấp 1.2.7 Cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức Mạng vô tuyến nhận thức tồn hai dạng có cấu trúc cấu trúc Với dạng có cấu trúc, phần tử mạng giao tiếp với thông qua trạm gốc (hoặc nút chủ) tần số quyền tần số không quyền Trong mô hình mạng, có phần tử quản lý phổ (Spectrum broker), giúp trao đổi thông tin tần số (lỗ phổ) hệ thống vô tuyến nhận thức Với dạng cấu trúc (ad-hoc networks), phần tử mạng kết nối với thông qua kết nối ad-hoc Mô hình mạng cấu trúc thường sử dụng mạng cảm biến, thu thập thông tin 1.3 MÔ HÌNH KÊNH CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TRỰC TIẾP 1.3.1 Mô hình S D Hình 1.8: Mô hình kênh hệ thống truyền thông trực tiếp 1.3.2 Các kỹ thuật phân tập sử dụng mạng vô tuyến nhận thức 1.3.2.1 Các phương pháp tổ hợp phân tập Cho đến nay, kỹ thuật phân tập chia làm bốn loại bản:  Kết hợp lựa chọn (Selection Combining)  Kết hợp chuyển mạch (Switching Combining)  Kết hợp độ lợi cân (Equal-Gain Combining)  Kết hợp tỉ số cực đại (Maximal Ratio Combining) 1.3.3 Kỹ thuật MIMO (Multi-Input Multi Output) 1.3.3.1 Khái niệm MIMO Định nghĩa: MIMO công nghệ truyền thông không dây, máy phát máy thu sử dụng nhiều anten 1.3.3.2 Ưu nhược điểm kỹ thuật MIMO Việc sử dụng nhiều anten hệ thống MIMO cho phép: i) cải thiện hiệu dạng độ lợi phân tập hệ thống ii) nâng cao dung lượng hệ thống (truyền nhiều luồng liệu) 1.4 TRUYỀN THÔNG KẾT HỢP 1.4.1 Truyền thông chuyển tiếp Hình 1.10 Mô hình hệ thống truyền thông chuyển tiếp đa chặng 1.4.2 Kỹ thuật MIMO ảo (Hay gọi truyền thông kết hợp) 1.4.2.1 Lý đời MIMO ảo Công nghệ MIMO khó áp dụng thiết bị di động cầm tay mạng cảm biến không dây với lượng lực tính toán giới hạn 1.4.2.2 Khái niệm MIMO ảo Hệ thống cho phép đầu cuối di động sử dụng anten môi trường đa người dùng, chia sẻ sử dụng chung anten với nhau, tạo phát gồm nhiều anten ảo để đạt phân tập không gian hệ thống MIMO Hệ thống gọi truyền thông kết hợp hệ thống MIMO ảo 1.4.2.3 Mô hình hệ thống Hình 1.11 Mô hình hệ thống truyền thông kết hợp Mô hình hệ thống truyền thông hợp tác bao gồm nút nguồn (S), nút chuyển tiếp (R) nút đích (D) 1.4.2.4 Một số kỹ thuật xử lí tín hiệu truyền thông kết hợp Khuếch đại chuyển tiếp Giải mã chuyển tiếp 1.4.2.5 So sánh kỹ thuật chuyển tiếp AF DF Về mặt kỹ thuật, kiểu AF đơn giản đòi hỏi nút chuyển tiếp có nhiều nhớ để lưu trữ mẫu tín hiệu thu trước khuếch đại chuyển tiếp Trong đó, kiểu DF lại có ưu điểm thích hợp cho hệ thống số có sử dụng mã hóa 1.5 TRUYỀN THÔNG KẾT HỢP TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.5.1 Phân tích ưu nhược điểm truyền thông kết hợp * Ưu điểm: Cải thiện độ lợi phân tập (hiệu năng) cho hệ thống đơn anten; Mở rộng vùng phủ mà không tăng công suất phát Hạn chế can nhiễu cho hệ thống đơn anten * Nhược điểm: Hiệu suất sử dụng phổ tần (spectral efficiency) thấp việc sử dụng nhiều khe thời gian để truyền khung liệu Độ phức tạp nút đích cao việc sử dụng phân tập kết hợp 1.5.2 Ưu điểm vô tuyến nhận thức Hiệu suất sử dụng phổ tần cải thiện, cho phép triển khai dịch vụ vô tuyến 1.5.3 Mô hình kết hợp truyền thông kết hợp môi trường vô tuyến nhận thức Các nút mạng thứ cấp hợp tác chia sẻ với thông tin nhận dạng tần số trống mạng sơ cấp từ cải thiện chất lượng hoạt động nhận dạng Hoặc chất lượng mạng sơ cấp thứ cấp cải thiện cách sử dụng kỹ thuật truyền thông hợp tác 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày vấn đề vô tuyến nhận thức truyền thông kết hợp Chương đồng thời đưa cần thiết kết hợp hai công nghệ vô tuyến nhận thức truyền thông kết hợp CHƯƠNG ĐỀ XUẤT VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG KẾT HỢP HIỆU QUẢ TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN Tóm tắt: Trong chương này, trình bày việc đánh giá hiệu mạng truyền thông kết hợp môi trường vô tuyến nhận thức dạng với nút chuyển tiếp AF tốt Đồng thời trình bày việc tối ưu hiệu mạng truyền thông kết hợp đa chặng môi trường vô tuyến nhận thức dạng 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương trình bày đề xuất mô hình áp dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp tốt cho hệ thống thứ cấp đề xuất kỹ thuật phân tích để tính xác suất dừng hệ thống Phương pháp phân tích áp dụng cho kênh Rayleigh đồng kênh không đồng Tối ưu hiệu hệ thống chuyển tiếp dạng có xem xét ràng buộc công suất can nhiễu tối đa máy thu sơ cấp công suất phát tối đa máy phát thứ cấp Để đánh giá hiệu hệ thống, biểu thức dạng đóng xác suất dừng hệ thống dạng xác dạng xấp xỉ vùng tỷ lệ tín hiệu nhiễu thấp cao thiết lập cho kênh truyền fading Rayleigh 2.2 MÔ HÌNH #1: TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP DẠNG NỀN AF TỐT NHẤT 2.2.1 Mô hình hệ thống đề xuất Mô hình hệ thống ta nghiên cứu gồm nút nguốn thứ cấp (s), nút đích thứ cấp (d) N chuyển tiếp thứ cấp ký hiệu r1 ,, rN , tồn với cặp PU PU-Tx PU-Rx s d Hình 2.1 Mô hình hệ thống truyền thông hợp tác lựa chọn nút chuyển tiếp tốt dạng Kết CDF  viết sau: 2.2.2  k  2,nq  N N q 1    2, nq k F ( )    (1)   k  k 1 n1   nk 1   n1   nk  1, n p p 1  Phân tích xác suất dừng hệ thống 1 Pr( )  Pr  log 1   2   R   Pr        (2.16)   th    2,nq  k   N N q 1  th   2, nq  k    ( 1)   k  k 1 n1   nk 1    1,thn p n1   nk p 1        (2.17) Cụ thể với trường hợp kênh truyền đồng nhất, ta có: 1,k  1 and 2,k  2 với k , (2.17) đơn giản sau: Pr( N N )    ( 1) k   k 1  k  1  (2.18) k th 1 1    th 2 k Để tăng độ lợi phân tập cho hệ thống, nút đích kết hợp tín hiệu từ nút chuyển tiếp tốt Khi đó, xác suất dừng hệ thống viết: 11 Hình 2.8 Đường xấp xỉ vùng nhiễu thấp vùng nhiễu cao hội tụ tương ứng với đường kết xác vùng tỷ lệ tín hiệu nhiễu xem xét Kết cho phép kiểm chứng lại lần tính đắn xấp xỉ công thức (2.36) 2.3.3 Mô đánh giá kết Hình 2.7 Xác suất dừng hệ thống theo Pm với I p N0  10 dB,   Hình 2.8 Kiểm chứng công thức (2.40) với I p N0  10 dB,   , ( xp , yp )  (0.5,1) Hình 2.9 trình bày kết ta dễ dàng nhận thấy hiệu phương pháp phân bổ tối ưu giá trị tỷ lệ tín hiệu nhiễu lớn 10 dB Khi đó, xác suất dừng hệ thống cho phương pháp phân bổ tối ưu dịch xuống khoảng lớn so với phương pháp phân bổ ngẫu nhiên 12 Hình 2.9 So sánh phương pháp phân bổ nút chuyển tiếp thứ cấp với I p N0  10 dB,   , ( xp , yp )  (0.8, 0.4) 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Đóng góp chương giải toán phân bổ tối ưu vị trí nút chuyển tiếp mạng thứ cấp cho trường hợp tổng quát, thích hợp vùng tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao lẫn thấp Kết mô chứng minh phương pháp phân bổ tối ưu hiệu so với phương pháp chia khoảng cách chọn khoảng cách ngẫu nhiên hệ thống truyền thông phân tập đa chặng ứng dụng công nghệ vô tuyến nhận thức điều kiện ràng buộc mức can nhiễu công suất phát tối đa 13 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ HÓA KHÔNG GIAN THỜI GIAN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN: MỘT CHẶNG VÀ NHIỀU CHẶNG Tóm tắt: Chương đề xuất ứng dụng mã hóa không gian thời gian Alamouti mạng vô tuyến nhận thức thứ cấp chặng đa chặng Đồng thời sử dụng tham số xác suất dừng OP dung lượng Shannon để đánh giá hiệu hệ thống có xem xét đến kênh can nhiễu từ máy phát thứ cấp, nút chuyển tiếp đến máy thu sơ cấp Mô monte carlo thức để chứng minh kết phân tích 3.1 MÃ HÓA KHÔNG GIAN THỜI GIAN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN 3.1.1 Mô hình hệ thống Primary network PU-Tx PU-Rx Secondary network SU-Rx SU-Tx Hình 3.1 Hệ thống MISO dạng 3.1.2 Phân tích xác suất dừng hệ thống OP  Pr(    th ) (3.9)  F  ( th )   th  th  2  Cho trước đặc tính kênh truyền lệ tín hiệu nhiễu cao sau: 2  ln ( th  2 )  th    , xác suất dừng hệ thống xấp xỉ vùng tỷ OP   th 2 (3.10) 14 3.1.3 Dung lượng Shannon hệ thống   C AGWN ( ) f  ( ) d     log (3.15) (1   ) f  ( ) d  Sử dụng tích phân phần, ta viết    4 ln  ln 4 ln  4 ln      ln 1   lại sau:     2  d J 1  ln      ln 1      2  J   ln    1    2   d d J 31,2   ln 3.1.4  ln(  1) ln(  1)  0        2  d  J 41, ,2   (3.16) Kết mô thảo luận Hình 3.2 Hình 3.3 Kết hai hình kết mô kết phân tích trùng khớp với cho phép kết luận rằng phương pháp tính toán kết phân tích hoàn toàn đắn Hình 3.2 Xác suất dừng hệ thống Alamouti SISO dạng 15 Hình 3.3 Dung lượng Shannon hệ thống Alamouti SISO dạng Kết hệ thống Alamouti môi trường vô tuyến nhận thức đạt độ lợi phân tập so với độ lợi phân tập hệ thống SISO 3.2 MÃ HÓA KHÔNG GIAN THỜI GIAN VỚI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG DF DẠNG NỀN 3.2.1 Giới thiệu Truyền thông đa chặng kỹ thuật cho phép mở rộng vùng phủ sóng hệ thống vô tuyến hạn chế can nhiễu Trong phần đề xuất áp dụng mã hóa không gian thời gian với kỹ thuật chuyển đa chặng dạng với mục tiêu cải thiện vùng phủ sóng và/hoặc hiệu hệ thống 3.2.2 Mô hình hệ thống Hệ thống xem xét bao gồm nút nguồn ký hiệu T0 , K nút chuyển tiếp, nút đích TK Hình 3.7 Các nút trang bị hai anten phát anten thu sử dụng mã không gian thời gian Alamouti PU-Tx PU-Rx Hình 3.7 Hệ thống hai chặng MIMO dạng 16 3.2.3 Phân tích xác suất dừng hệ thống K   th 2 k k  OP    1   ln  th  2 k ( th  2 k )  th   k  k 1  (3.41) Ở vùng tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao, ta xấp xỉ OP: K   OP    th  k 1   k  3.2.4 (3.42) Kết mô phân tích kết Hình 3.8 Ảnh hưởng số chặng lên xác suất dừng hệ thống mã hóa không gian thời gian đa chặng, PU (0.5, 0.5) ,   ,  th  Trong Hình 3.8, cho thấy số chặng tăng lên xác suất hệ thống giảm, nghĩa hiệu hệ thống cải thiện Các kết mô trùng khít với kết phân tích xác toàn vùng tỷ số tín hiệu nhiễu Hình 3.9 Ảnh hưởng vị trí máy thu sơ cấp lên xác suất dừng hệ thống mã hóa không gian thời gian đa chặng, K  ,   ,  th  17 Hình 3.9 rằng, vị trí mạng sơ cấp xa mạng thứ cấp hiệu mạng thứ cấp tăng lên đáng kể công suất phát mạng thứ cấp xa mạng sơ cấp bị ràng buộc bời mạng sơ cấp Trong Hình 3.10 thấy với điều kiện hệ thống, kênh truyền có  lớn hiệu mạng cao Hiện tượng hoàn toàn trùng khớp với mạng truyền thông đa chặng truyền thống Hình 3.10 Ảnh hưởng môi trường fading lên OP mã hóa không gian thời gian đa chặng, K  , PU (0.5, 0.5) ,  th  3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Đề xuất ứng dụng mã không gian thời gian cho mạng vô tuyến nhận ứng dạng đồng thời đề xuất phương pháp phân tích hiệu dạng xác suất dừng dung lượng dừng hệ thống Chứng minh hệ thống Alamouti với hai anten phát anten thu dạng đạt độ lợi phân tập hai Đề xuất áp dụng mã không gian thời gian cho mạng đa chặng phân tích xác suất dừng dạng xác dạng xấp xỉ vùng tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao Chứng minh hệ thống đa chặng tăng độ lợi mã mà không tăng độ lợi phân tập Các kết phân tích hiệu kết mới, kiểm chứng kết mô dựa vào phần mềm Matlab đồng thời cho phép chứng minh Hệ thống mã Alamouti, cải thiện đáng kể hiệu hệ thống thứ cấp mà đảm bảo mức can nhiễu cho hệ thống sơ cấp 18 CHƯƠNG ỨNG DỤNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN: TỐI ƯU HIỆU SUẤT PHỔ TẦN Tóm tắt: Trong chương giới thiệu kỹ thuật truyền thích nghi cho hệ thống thứ cấp dạng có xem xét đến kênh truyền can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến máy thu sơ cấp Đề xuất phương pháp phân tích để đánh giá hiệu hệ thống kênh truyền fading Rayleigh dạng xác suất dừng, hiệu suất phổ tần xác suất lỗi bit trung bình Mô Monte Carlo phần mềm Matlab sử dụng để kiểm chứng tính xác kết mô chứng minh ưu điểm kỹ thuật truyền thích nghi việc cải thiện hiệu suất phổ tần hệ thống thứ cấp 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Trong chương này, đề xuất áp dụng kỹ thuật truyền thích nghi cho mạng vô tuyến nhận thức dạng để cải thiện hiệu hệ thống xem xét đến kênh truyền can nhiễu từ nút phát thứ cấp đến nút thu sơ cấp tỷ số tín hiệu nhiễu hệ thống thứ cấp Để đánh giá hiệu hệ thống, phân tích tham số hiệu hệ thống báo gồm: xác suất chế độ truyền, xác suất dừng, hiệu suất phổ tần xác suất lỗi bít trung bình hệ thống kênh truyền fading Rayleigh 4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT VÀ KHẢO SÁT Hình 4.1 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng sử dụng điều chế thích nghi Với xác suất lỗi bit cho trước, BEPT , ngưỡng chuyển chế độ thứ k ,  Tk tính để đảm bảo xác suất lỗi bít tức thời hệ thống1 nhỏ BEPT Khi hệ thống sử dụng điều chế kết hợp (coherent modulation), ta viết Tương đương với xác suất lỗi bit kênh truyền nhiễu trắng 19 k Q Từ (4.6), ta tính    k  Tk  BEPT , (4.6)  sau: k T  1  BEPT   Q    k    k    Tk  (4.7) 4.3 PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN 4.3.1 Xác suất chế độ truyền Với điều chế thích nghi M QAM K chế độ, hệ thống truyền với K  mức điều chế Xác suất xảy chế độ thứ k với k  1,, K sau:  k  Pr   Tk     Tk 1    Tk 1  f  ( ) d  (4.8)  Tk Thay (4.5) vào (4.8) sau thực tích phân, ta xác định xác suất chế độ truyền thứ k sau: k   Tk 1   Tk  4.3.2  (   )  Tk 1  Tk 1   (4.9)  Tk  Tk   Xác suất dừng hệ thống OP  Pr     T1   1 4.3.3  d  T1  T1   (4.11) Hiệu suất phổ tần K ASE    k mk k 2 (4.12) với mk  log M k Chú ý với chế độ đầu tiên, k  , hệ thống không truyền nên m1  20 4.3.4 Tỷ số lỗi bít trung bình K BEP   m BEP k 2 K k k m  k 2 k , (4.13) k BEPk xác suất lỗi bít trung bình chế độ thứ k , tính sau: BEPk   Tk   Tk 1 k 2   2k    k  e  d  e 43  (   ) T  k  k T  e e   d   d  2    k (   ) (   )   Tk  T   1   2  k  I 2k  I k  3     k  k 1  k 1 2 (4.16)     4.4 TỐI ƯU HIỆU SUẤT PHỔ TẦN Bài toán tối ưu phát biểu dạng biểu thức toán học sau max ,, K ASE subject to BER  BER T T (4.19) T Sử dụng toán tử Largange, ý  T0  ,  TK   với    Tk , ta viết nhân tử chung sau: k 1 T   ASE   (BER  BER T ASE)  ASE(1   BER T )   BER (4.20) Sử dụng điều kiện BER-BER_ASE = kết hợp với (4.18), giá trị tối ưu  T1 ,,  TK 1 nghiệm hệ K  phương trình phi tuyến sau: K 1  K 1   mk BER k  BER T  mk  k   k 1 k 1  y ( )  y ( k )  0, k  2,, K  k T  T với yk ( Tk )  (4.21) k mk BER kAWGN (mk ,  Tk )  mk 1BER AWGN (mk 1 ,  Tk 1 ) mk  mk 1 4.5 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Ip Hình 4.2 Ở vùng giá trị N nhỏ, khoảng 0-7 dB, hệ thống thường xuyên dừngI truyền không đảm bảo xác suất lỗi bít theo yêu cầu Tuy nhiên, p giá trị N tăng làm hệ thống có xu hướng sử dụng chế độ truyền cao 21 Hình 4.3 xác suất lỗi bít trung bình hệ thống luôn nhỏ xác suất lỗi bít yêu cầu, nghĩa đảm bảo QoS yêu cầu hệ thống Hình 4.2 Xác suất chế độ truyền Hình 4.3 Xác suất lỗi bit trung bình hệ thống với chế độ truyền Hình 4.4 Xác suất dừng hệ thống 22 Trên hình 4.4, giá trị BER T giảm làm xác suất dừng hệ thống tăng cao, nghĩa hệ thống thường rơi vào trạng thái không truyền không đảm bảo QoS yêu cầu Hình 4.5 Hiệu suất phổ tần hệ thống với chế độ truyền Hình 4.5 giá trị BER T tăng làm hiệu suất phổ tần giảm xuốn Từ ta đến kết luận rằng, tăng QoS dẫn đến đánh đổi với hiệu suất phổ tần hệ thống Hình 4.6 điều kiện kênh truyền, việc tăng số lượng chế độ truyền cải thiện đáng kể hiệu suất phổ tần, đặc biệt vùng tín hiệu nhiễu cao Tuy nhiên, ngưỡng chuyển không thay đổi dẫn đến xác suất dừng hệ thống không phụ thuộc vào số lượng chế độ truyền Hình 4.6 Ảnh hưởng số lượng chế độ truyền lên hiệu suất phổ tần 23 4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương có hai đóng góp quan trọng: - Đề xuất phương pháp đánh giá hiệu hệ thống bao gồm: xác suất dừng, xác suất lỗi bít trung bình, hiệu suất phổ tần xác suất chế độ truyền kênh truyền fading Rayleigh Phương pháp tổng quát áp dụng cho mô hình kênh khác; (1) Áp dụng khảo sát hiệu kỹ thuật truyền thích nghi vào hệ thống truyền thông hợp tác nhận thức dạng nền, (2) Áp dụng khảo sát hiệu kỹ thuật truyền thích nghi vào hệ thống MIMO dạng Thiết lập giải toán tối ưu hiệu suất phổ tần hệ thống truyền thông nhận thức dạng có sử dụng truyền thích nghi Các kết ngưỡng chuyển tiếp tối ưu cải thiện đáng kể hiệu suất phổ tần so với ngưỡng chuyển tiếp cố định KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP KẾT LUẬN Qua thời gian nghiên cứu kết luận án đạt mục đích đề ban đầu là: i) Xây dựng mô hình mạng truyền thông kết hợp chuyển tiếp hiệu cho mạng thứ cấp: đảm bảo QoS mở rộng vùng phủ sóng Đồng thời đề xuất phương pháp cho phép phân tích hiệu mô hình mạng đề xuất ii) Áp dụng kỹ thuật cải thiện hiệu lớp vật lý: mã không gian thời gian, truyền ứng ứng để cải thiện hiệu mạng thứ cấp đảm bảo thông tin mạng sơ cấp Những kết nghiên cứu vừa mang tính bản, vừa mang tính chất đề xuất vấn đề mới, phát triển nhằm ứng dụng có hiệu vào mạng không dây tương lai Các kết đạt luận án tin cậy có số đóng góp mới: (i) Xác định giới hạn số hiệu (xác suất dừng, tỷ lệ lỗi bít trung bình, dung lượng Shannon, hiệu suất phổ, …) lớp vật lý (mô hình OSI) trường hợp hệ mạng thứ cấp vô tuyến nhận thức dạng (ii) Áp dụng đặc thù lớp vật lý (mô hình OSI) hệ mạng thứ cấp hệ thống truyền thông hợp tác môi trường vô tuyến nhận thức vào phân tích chất lượng hệ thống trường hợp phân bố vị trí nút chuyển tiếp mạng thứ cấp, mã Alamouti, phương pháp điều chế 24 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Từ công trình nghiên cứu số là: “Phân tích xác suất dừng hệ thống truyền thông kết hợp chuyển tiếp AF môi trường vô tuyến nhận thức kênh fading Rayleigh”, phát triển toán đánh giá chất lượng hệ thống truyền thông kết hợp chuyển tiếp AF môi trường vô tuyến nhận thức thông qua số nút chuyển tiếp tối ưu, vị trí nút sơ cấp ảnh hưởng môi trường truyền kênh Rician Nakagami-m Đồng thời tiếp tục phát triển nghiên cứu hệ thống truyền thông kết hợp đa chặng phân định công suất tối ưu cho máy phát nút chuyển tiếp Trên sở công trình số “Tối ưu hiệu hệ thống truyền thông đa chặng môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền” nghiên cứu phát triển thiết kế mạng vô tuyến kết hợp nhận thức thứ cấp cho phép tận dụng tối đa kênh truyền rỗi đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng vô tuyến sơ cấp đánh giá chất lượng mạng Đồng thời giải toán phân bố lượng nút nguồn nút chuyển tiếp điều kiện ràng buộc lượng tổng cụ thể: Khảo sát hệ thống trường hợp xem xét công suất phát tối đa máy phát sơ cấp can nhiễu gây máy phát sơ cấp đến máy thu sơ cấp; Tính toán thông số chất lượng khác hệ thống: Như tỷ số lỗi bít (Bit Error Rate), dung lượng kênh truyền (Ergodic Capacity); Khảo sát hệ thống với loại kênh truyền khác Rician, Nakagami-m; Nghiên cứu hệ thống truyền đa chặng mạng thứ cấp giới hạn công suất cho máy phát nút chuyển tiếp; Tối ưu khoảng cách nút chuyển tiếp mạng thứ cấp vị trí nút chuyển tiếp không nằm đường thẳng Trên sở công trình số “Đánh giá chất lượng hệ thống mã hóa Alamouti môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền” nghiên cứu sinh phân tích giới hạn an ten thu, Phương pháp mở rộng cho trường hợp sau: Khảo sát hệ thống Alamouti trường hợp máy thu thứ cấp có nhiều 01 anten thu; Khảo sát mã không gian thời gian khác với nhiều hai anten máy phát thứ cấp; Xem xét khảo sát ảnh hưởng kênh truyền can nhiễu không hoàn hảo lên hiệu hệ thống thứ cấp với mức can nhiễu quy định trước; Khảo sát hệ thống với kênh truyền phức tạp kênh Nakagami-m hay Rician Với công trình số “Đánh giá hiệu hệ thống vô tuyến nhận thức dạng với điều chế thích nghi” công trình có tính chất tổng quát áp dụng cho mô hình khác Kết công trình phát triển giải toán như: Áp dụng khảo sát hiệu hệ thống truyền thông kết hợp nhận thức dạng sử dụng kỹ thuật điều chế thích nghi; Hoặc áp dụng kết khảo sát hiệu hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật truyền thích nghi; DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ [1] Nguyen Van Chinh, Vo Nguyen Quoc Bao, “Outage Analysis of Cognitive Underlay Amplify-and-Forward Networks over Rayleigh Fading Channels”, International Green Technology Workshop/Conference/Exhibition IGTWCE 2012, Ho Chi Minh City, pp 38-42, 2012 [2] Nguyen Van Chinh, Vo Nguyen Quoc Bao, and Nguyen Luong Nhat, "Performance Analysis of Cognitive Underlay Alamouti Scheme over Rayleigh fading channels", The International Conference on Advanced Technologies for Communications 2013 (ATC'13), Ho Chi Minh City, pp 23-27, 2013 [3] Nguyễn Văn Chính, Võ Nguyễn Quốc Bảo, Nguyễn Lương Nhật, “Tối ưu hiệu hệ thống truyền thông đa chặng môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền”, Chuyên san Công trình Nghiên cứu, Phát triển Ứng dụng Công nghệ Thông tin Truyền thông Tạp chí Công nghệ Thông tin & Truyền thông, Kỳ 3, Tập V1, tháng 6/2014 [4] Nguyễn Văn Chính, Võ Nguyễn Quốc Bảo, “Đánh giá hiệu hệ thống vô tuyến nhận thức dạng với điều chế thích nghi”, Chuyên san Công trình Nghiên cứu, Phát triển Ứng dụng Công nghệ Thông tin Truyền thông Tạp chí Công nghệ Thông tin & Truyền thông, Tập V-1, Số 13 (33), tháng 6/2015 ... tuyến nhận thức cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức 1.1 GIỚI THIỆU Chương trình bày tổng quan vấn đề vô tuyến nhận thức, truyền thông kết hợp kết hợp truyền thông kết hợp với vô tuyến nhận thức Phần... hợp (MIMO ảo) truyền thông kết hợp môi trường vô tuyến nhận thực Mối quan hệ vô tuyến nhận thức với vô tuyến thông minh, kiến trúc vật lý vàchức vô tuyến nhận thức Phân tích mô hình mạng vô tuyến. .. đề vô tuyến nhận thức truyền thông kết hợp Chương đồng thời đưa cần thiết kết hợp hai công nghệ vô tuyến nhận thức truyền thông kết hợp CHƯƠNG ĐỀ XUẤT VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG