PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC SỬ DỤNG NOMA

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN TỬ HUỲNH VĂN NHẬT ĐỒN HỒNG SƠN PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC SỬ DỤNG NOMA Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Mã chuyên ngành: 7510302 KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, chúng em trân trọng cảm ơn thầy cô Khoa Công Nghệ Điện Tử trường Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hồn thành tốt khóa luận Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn khóa luận – thầy giáo ThS Tơn Thất Phùng liên tục quan tâm, tận tình giúp đỡ, chia sẻ kiến thức chuyên môn kinh nghiệm quý báu giúp chúng em hoàn thiện luận văn Chúng em gửi lời cảm ơn đến thầy, cô Bộ môn Điện tử - Viễn thông giảng dạy, cung cấp cấp tri thức quý báu năm học vừa qua, nhờ mà chúng em có kiến thức tảng để thực luận văn Chúng em xin chân thành cảm ơn đến tác giả cơng trình nghiên cứu khoa học mà chúng em tham khảo cung cấp nguồn tư liệu quý báu, kiến thức liên quan trình nghiên cứu đề tài Dù chúng em cố gắng nỗ lực đề tài có nhiều kiến thức q trình thực khóa luận chúng em khơng tránh khỏi sai sót Rất mong góp ý q thầy để luận văn hồn chỉnh THƠNG TIN CHUNG Họ tên sinh viên: Huỳnh Văn Nhật MSHV: 18078921 Lớp : DHVT14A Khóa: 14 Chuyên ngành : Điện Tử - Viễn Thông Mã chuyên ngành: 7510302 SĐT : 0332789967 Email : nhathuynh.200800@gmail.com Địa liên hệ : 32/44 Lê Thị Hồng, phường 17, quận Gị Vấp, Tp HCM Tên đề tài : Phân tích hiệu truyền thông vô tuyến nhận thức sử dụng NOMA Người hướng dẫn : ThS Tôn Thất Phùng SĐT : 0938292829 Email : tonthatphung@gmail.com Cơ quan công tác : Trường Đại học Cơng Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng năm 2022 Người hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Sinh viên (Ký ghi rõ họ tên) ThS Tơn Thất Phùng Huỳnh Văn Nhật THƠNG TIN CHUNG Họ tên sinh viên: Đoàn Hoàng Sơn MSHV: 18061811 Lớp : DHVT14A Khóa: 14 Chuyên ngành : Điện Tử Viễn Thông .Mã chuyên ngành: 7510302 SĐT : 0385531928 Email : doanhoangsoniuh@gmail.com Địa liên hệ : 137/24 Trần Bá Giao, phường 5, quận Gị Vấp, Tp HCM Tên đề tài : Phân tích hiệu truyền thông vô tuyến nhận thức sử dụng NOMA Người hướng dẫn : ThS Tôn Thất Phùng SĐT : 0938292829 Email : tonthatphung@gmail.com Cơ quan công tác : Trường Đại học Cơng Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Tp Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng năm 2022 Người hướng dẫn (Ký ghi rõ họ tên) Sinh viên (Ký ghi rõ họ tên) ThS Tơn Thất Phùng Đồn Hồng Sơn MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH .8 DANH MỤC BẢNG BIỂU .9 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 10 MỞ ĐẦU 12 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 14 1.1 Tình hình nghiên cứu nước giới 14 1.2 Tóm tắt đề tài .14 1.3 Bố cục luận văn 15 CHƯƠNG 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 Mạng vô tuyến nhận thức - Cognitive Radio (CR) 17 2.1.1 Sự đời mạng vô tuyến nhận thức .17 2.1.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức 18 2.1.3 Software Defined Radio (SDR) 18 2.1.4 Software Defined Radio vô tuyến nhận thức 19 2.1.5 Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức 20 2.1.5.1 Mạng sơ cấp 20 2.1.5.2 Mạng vô tuyến nhận thức 21 2.1.6 Kiến trúc vật lý 21 2.1.7 Các đặc tính mạng vơ tuyến nhận thức .22 2.1.8 Chức 23 2.1.9 Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức 24 2.1.9.1 Mô hình CRN dạng (underlay) .25 2.1.9.2 Mơ hình CRN dạng chồng lấn (overlay) .25 2.1.9.3 Mơ hình CRN dạng đan xen (interweave) 26 2.1.10 Ứng dụng CR 26 2.1.10.1 Công nghệ Machine-to-Machine (M2M) 26 2.1.10.2 Mạng lưới an tồn cơng cộng 27 2.1.10.3 Mạng di động .27 2.2 Kỹ thuật đa truy cập không trực giao .27 2.2.1 Giới thiệu 27 2.2.2 Kỹ thuật NOMA miền công suất (PD-NOMA) 28 2.2.2.1 Mã hóa xếp chồng (SC) 28 2.2.2.2 Triệt giao thoa liên tiếp (SIC) .29 2.2.3 2.2.3.1 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) 31 2.2.3.2 Trải phổ mật độ thấp (LDS) 31 2.2.3.3 Đa truy cập mã thưa (SCMA) .31 2.2.4 2.3 Ưu điểm NOMA so vs OMA 31 Truyền thông cộng tác 32 2.3.1 Truyền thông chuyển tiếp 33 2.3.1.1 Khuếch đại - chuyển tiếp (AF) 33 2.3.1.2 Giải mã - chuyển tiếp (DF) 34 2.3.2 2.4 Kỹ thuật NOMA miền mã 31 Kỹ thuật phân tập 34 2.3.2.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining – SC) .35 2.3.2.2 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (MRC) 35 2.3.2.3 Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân (EGC) .35 Kênh truyền fading Rayleigh 35 CHƯƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ PHÂN TÍCH 37 3.1 Tổng quan mơ hình nghiên cứu giới 37 3.2 Mô hình hệ thống .39 3.3 Phân tích tỉ lệ tín hiệu nhiễu (SNR) 40 3.4 Xác suất dừng hoạt động mạng sơ cấp .41 3.5 Thông lượng .43 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG .44 4.1 Giới thiệu phần mềm mô MATLAB 44 4.2 Mô đánh giá 46 4.2.1 Mô xác suất dừng hoạt động 46 4.2.1.1 Xác suất dừng hoạt động dựa SNR phát 46 4.2.1.2 Xác suất dừng hoạt động dựa tốc độ liệu 47 4.2.2 Mô thông lượng 49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .52 TÀI LIỆU THAM KHẢO .54 PHỤ LỤC 58 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Biểu diễn hố phổ .17 Hình 2.2 SDR theo mơ hình OSI 18 Hình 2.3 Software Defined Radio vơ tuyến nhận thức 19 Hình 2.4 Mạng vơ tuyến nhận thức .20 Hình 2.5 Sơ đồ khối phần vơ tuyến CR 21 Hình 2.6 Chu trình nhận thức 23 Hình 2.7 Chia sẻ phổ tần ba loại mơ hình CR 25 Hình 2.8 Mã hóa xếp chồng hai người dùng 29 Hình 2.9 Giải mã tín hiệu xếp chồng máy thu 30 Hình 2.10 Mơ hình truyền thơng cộng tác .32 Hình 2.11 Kỹ thuật AF 33 Hình 2.12 Kỹ thuật DF 34 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống CR-NOMA có hỗ trợ EH 37 Hình 3.2 Nhiều rơle hệ thống CR-NOMA hỗ trợ EH 38 Hình 3.3 Mơ hình hệ thống CR-NOMA sử dụng liên kết D2D .38 Hình 3.4 Mơ hình hệ thống đường xuống mạng CR-NOMA 39 Hình 3.5 Mơ hình đường xuống hệ thống CR-NOMA 39 Hình 4.1 Phần mềm Matlap 44 Hình 4.2 Xác suất dừng hoạt động dựa SNR phát 46 Hình 4.3 Xác suất dừng hoạt động dựa tốc độ liệu 48 Hình 4.4 Thơng lượng hệ thống 49 Hình 4.5 Thơng lượng hệ thống với thay đổi khoảng cách 50 DANH MỤC BẢNG BIỂ Bảng 4.1 Các thơng số mơ Hình 4.2 46 Bảng 4.2 Các thơng số mơ Hình 4.3 47 Bảng 4.3 Các thông số mơ Hình 4.4 49 Đổi thành : Các yếu tố thông tin bảng mơ theo hình DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa 5G Fifth Generation 6G Sixth generation AF Amplify-and-Forward AWGN Additive white Gaussian noise Cancellation CDF Cumulative distribution function CDMA Code Division Multiple Access CR Cognitive Radio CSI Channel State Information DF Decode-and-Forward EGC Equal-gain Combining EH Energy Harvesting LDS Low-Density Spreading LOS Line of Sight M2M Machine-to-Machine MIMO Multiple Input Multiple Output MRC Maximal Ratio Combining NOMA Non-Orthogonal Multiple Access OMA Orthogonal Multiple Access OP Outage Probability OSI Open system interconnection PDF Probability Density Function PT Primary Transmitter PU Primary User 10 [12] V N Q Bao, L Q Cuong, L Q Phu, T D Thuan, L M Trung, and N T Quy, “Spectrum Survey in Vietnam: Occupancy Measurements and Analysis for Cognitive Radio Applications,” in The 2011 International Conference on Advanced Technologies for Communications, pp 135-143, 2011 [13] Nguyễn Văn Chính, "Về truyền thông kết hợp môi trường vô tuyến nhận thức: Cải thiện đánh giá hiệu mạng thứ cấp," Học Viện Bưu Chính Viễn Thơng, Hà Nội, 2017 [14] I.F Akyildiz, W.-Y Lee, M.C Vuran, S Mohanty, "NeXt genera-tion/ dynamic spectrum access/cognitive radio wireless networks:a survey," Elsevier Press, Computer Networks, vol 20, no 13, pp 2127-2159, 2006 [15] J Mitola III and G Q Maguire, "Cognitive radio: making software radios more personal," IEEE Personal Communications Magazine, vol 6, no 4, pp 13-18, 1999 [16] V N Q Bao, T Q Duong, and C Tellambura, ""On the Performance of Cognitive Underlay Multihop Networks with Imperfect Channel State Information," Communications, IEEE Transactions on, vol 61, pp 4864-4873, 2013 [17] Towhidlou, Vahid, Full Duplex Communication in Cognitive Radio Networks, Awarding institution: King's College London, 2016 [18] Linglong Dai , Senior Member, IEEE, Bichai Wang , Student Member, IEEE, Zhiguo Ding, "A Survey of Non-Orthogonal Multiple Access for 5G," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol 20, no 3, 2018 [19] Laneman, J N., Tse, D N C., Wornell, G W, "Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior," IEEE Transactions on Information Theory, vol 50, p 3062–3080, 2004 [20] Vo Nguyen Quoc Bao and H Y Kong, "An Exact Closed-form Expression for Bit Error Rate of Decode-and-Forward Relaying Using Selection Combining over Rayleigh Fading Channels," Journal of Communications and Networks, vol 10, no 5, pp 480-488, 2009 [21] E Bjornson, M Matthaiou, M Debbah, “A New Look at Dual-Hop Relaying: Performance Limits with Hardware Impairments,” IEEE Trans Commun, pp 4512-4525, 2013 [22] A Papoulis and S.U Pillai, “Probability, Random Variables and Stochastic Process,” 2002 [23] P T D Ngoc, T T Duy, V N Q Bao and H V Khuong, "Performance 48 Enhancement for Underlay Cognitive Radio with Partial Relay Selection Methods under Impact of Hardware Impairment," in Proc of the 2015 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC 2015), pp 645-650, Oct 2015 [24] T T Duy, P N Son, "Secrecy Performances of Multicast Underlay Cognitive Protocols with Partial Relay Selection and without Eavesdropper’s Information," KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS), vol 9, no 1, pp 4623-4643, Nov 2015 [25] Minh-Sang Van Nguyen, Dinh-Thuan Do and Miroslav Voznak, “Improving Performance of Far Users in Cognitive Radio: Exploiting NOMA and Wireless Power Transfer,” Energies, 2019 [26] Dinh-Thuan Do, Anh-Tu Le 2, Chi-Bao Le and Byung Moo Lee, "On Exact Outage and Throughput Performance of Cognitive Radio based NonOrthogonal Multiple Access Networks With and Without D2D Link," Sensors, vol 19, no 15, 2019 [27] Sultangali Arzykulov, Theodoros A Tsiftsis, , Galymzhan Nauryzbayev, "Outage Performance of Underlay CR-NOMA Networks with Detect-andForward Relaying," 2018 49 PHỤ LỤC Chứng minh công thức số (3-12) Đặt , hàm phân phối tích lũy (CDF) biểu diễn sau: Thay công thức (2-4) (2-6) vào công thức ta được: Đặt , thực đổi cận viết lại sau: Khai triển định lý nhị thức ta được: Trong Đặt E2 viết lại sau: Cuối A1 viết lại sau: 50 Dựa vào công thức số (3-10) kết phân tích A1, A2, A3 công thức (3-12) đưa sau: Công thức (3-12) chứng minh 51