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 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, chúng em trân trọng cảm ơn thầy cô Khoa Công Nghệ Điện Tử trường Đại học Cơng Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành tốt khóa luận Chúng em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn khóa luận – thầy giáo ThS Tôn 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 hoàn chỉnh TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat THÔNG TIN CHUNG Họ tên sinh viên: Huỳnh Văn Nhật Lớp Chuyên ngành SĐT Email Địa liên hệ Tên đề tài Người hướng dẫn SĐT Email Cơ quan cơng tác 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 Tôn Thất Phùng Huỳnh Văn Nhật TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat THÔNG TIN CHUNG Họ tên sinh viên: Đoàn Hoàng Sơn Lớp Chuyên ngành SĐT Email Địa liên hệ Tên đề tài Người hướng dẫn SĐT Email Cơ quan cơng tác 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU 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 Mơ hình CRN dạng (underlay) 25 2.1.9.2 Mơ hình CRN dạng chồng lấn (overlay) 25 2.1.9.3 Mô 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 2.1.10.3 2.2Kỹ thuật đa truy cập không trực giao 2.2.1 G 2.2.2 K 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.3 K 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.3.3 2.2.4 Ư 2.3Truyền thông cộng tác 2.3.1 T 2.3.1.1 2.3.1.2 2.3.2 K 2.3.2.1 2.3.2.2 2.3.2.3 2.4Kênh truyền fading Rayleigh CHƯƠNG 3.1Tổng quan mơ hình nghiên cứu 3.2Mơ hình hệ thống 3.3Phân tích tỉ lệ tín hiệu nhiễu (SNR) 3.4Xác suất dừng hoạt động mạng sơ cấp 3.5Thông lượng CHƯƠNG 4.1Giới thiệu phần mềm mô MATLAB 4.2Mô đánh giá 4.2.1 M TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 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 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 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 vô tuyến nhận thức .19 Hình 2.4 Mạng vơ tuyến nhận thức 20 Hình 2.5 Sơ đồ khối phần vô 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 Thông lượng hệ thống với thay đổi khoảng cách 50 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1 Các thơng số mơ Hình 4.2 46 Bảng 4.2 Các thông số mơ Hình 4.3 47 Bảng 4.3 Các thông số mô Hình 4.4 49 Đổi thành : Các yếu tố thông tin bảng mơ theo hình TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat 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 10 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat trường hợp Hình 4.5 đáp ứng tốc độ liệu cao đảm bảo tối ưu hiệu hệ thống Có thể nói cần xác định vị trí đặt relay phù hợp để cải thiện hiệu hệ thống thứ cấp Kết luận: So với kết trình bày tác giả [10] kết mà luận văn đạt tốt Cụ thể: - Thông lượng hệ thống đạt tối ưu SNR phát 45dB tốc độ liệu R2 = 8.5 - Khi truyền với tốc độ liệu cao hiệu hệ thống đảm bảo mức ổn định 51 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận hướng phát triển Qua trình nghiên cứu, luận văn đạt mục tiêu đề xuất ban đầu: Xây dựng mơ hình hệ thống truyền thơng vơ tuyến nhận thức sử dụng NOMA, đưa biểu thức tốn học xác suất dừng hoạt động thơng lượng hệ thống tính tốn dựa SNR thu Đồng thời, cơng thức phân tích kiểm chứng phương pháp mô Monte - Carlo Qua kết mơ phỏng, ta phân tích thông số ảnh hưởng đến hiệu hệ thống Đối với sơ đồ phân phối công suất cố định, hiệu hệ thống tốc độ liệu cao thông lượng cao đạt tốc độ liệu cụ thể Ngồi tăng SNR phát góp phần cải thiện hiệu hệ thống Các hướng phát triển tiềm nghiên cứu là: - Phân tích mơ hình CR-NOMA truyền hợp tác hỗ trợ công nghệ thu lượng vô tuyến EH nút chuyển tiếp - Xem xét hiệu hệ thống sử dụng nhiều nút chuyển tiếp - Phân tích hiệu hệ thống thứ cấp có nhiều người dùng - Xác suất nghe qua kênh truyền fading Rayleigh Tác động xã hội phát triển nghề nghiệp - Tác động đề tài đến xã hội: Trong xu hướng phát triển nay, gia tăng cơng nghệ internet ,IOT góp phần giúp xã hội ngày phát triển Cùng với gia tăng số lượng người truy cập internet nhu cầu hiệu sử dụng phổ tần xã hội ngày lan rộng Dẫn đến cần thiết nghiên cứu mạng ngành Viễn thông, nhằm đáp ứng đầy đủ cần thiết vấn đề trên.Trong 52 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat luận văn chúng em đề cập đến hiệu việc kết hợp mạng vô tuyến nhận thức với NOMA phát triển chung ngành viễn thơng Góp phần công nghiên cứu, phát triển chung xã hội - Phát triển nghề nghiệp : Qua kiến thức kinh nghiệm sau hoàn thành luận văn Chúng em cảm thấy nâng cao trình độ học vấn thành thạo cơng việc tìm kiếm, xử lí liệu Ngồi tiếp thêm niềm đam mê nghiên cứu sáng tạo lĩnh vực Các kỹ quản lý thời gian, quản lý cơng việc, làm việc nhóm cải thiện phát triển tốt Qua tất điều giúp em có tảng vững chãi để phát triển mặt nghề nghiệp tương lai 53 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Goldsmith, S A Jafar, I Maric, anh S Srinivasa, "Breaking spectrum gridlock with cognitive radios: An information theoretic perspective," Proc IEEE, vol 97, no 5, pp 894-914, May 2009 [2] L Lv, J Chen, and Q.Ni, "Cooperative non-orthogonal mutiple access in cognitive radio," IEEE Commun Lett, vol 20, no 10, pp 2059-2062, Oct 2016 [3] X Kang, Y.C Liang, A Nallanathan, H K Garg, and R Zhang, "Optimal power allocation for fading channels in cognitive radio networks: Ergodic capacity and outage capacity," IEEE Trans Wireless Commun, vol 8, no 2, pp 940-950, Feb 2009 [4] A Goldsmith, "Wireless communications," Cambridge University Press, 2005 [5] Y Pei, Y C Liang, K C Teh, and K H Li, "Secure communication in multiantenna cognitive radio networks with imperfect channel state information," IEEE Transactions on Signal Processing, vol 59, no 4, pp 1683-1693, April 2011 [6] Z Ding, Z Yang, P Fan, and H V Poor, "On the performance of nonorthogonal multiple access," IEEE Signal Process Lett, vol 21, no 12, pp 1501-1505, Jul 2014 [7] Z Ding, M Peng, and H V Poor, "Cooperative non-orthogonal multiple access in 5G systems," IEEE Commun Lett, vol 19, no 8, pp 1462-1465, Aug 2015 [8] L Lv, Q Ni, Z Ding, J Chen, "Application of non-orthogonal multiple access 54 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat in cooperative spectrum-sharing networks over Nakagami-m fading channels," IEEE Trans Veh Technol, vol 66, no 6, pp 5506-5511, Nov 2016 [9] K-T Nguyen, Dinh-Thuan Do, X-X Nguyen, N-T Nguyen, D-H Ha, "Wireless information and power transfer for full duplex relaying networks: performance analysis," Proc of Recent Advances in Electrical Engineering and Related Sciences (AETA 2015), HCMC, Vietnam, pp 53-62, 2015 [10] Hong-Nhu Nguyen, Si-Phu Le, Chi-Bao Le and Dinh-Thuan Do, "Cognitive Radio Assisted Non-Orthogonal Multiple Access: Outage Performance," IEEE, 2019 [11] X Yue, Y Liu, S Kang, A Nallanathan and Z Ding, "Exploiting Full/Half- Duplex User Relaying in NOMA Systems," IEEE Transactions on Communications, vol 66, no 2, pp 560-575, 2018 [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 55 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat [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 56 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat [23] P T D Ngoc, T T Duy, V N Q Bao and H V Khuong, "Performance 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 57 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat PHỤ LỤC Chứng minh công thức số (3-12) A ¿ ¿ Pr (| S T,SU2| ¿ Đặt x= h | R,SU2| sau: τ ¿∫F h | | ST ,SU Thay công thức (2-4) (2-6) vào công thức ta được: τ ( ¿∫ 1−e τ ¿∫0 ( d−R,mSU −τ d−R,Sm U ¿ 1−e E Đặt y=a1 ρx+1, thực đổi cận E1được viết τ a1 ρ+1 ∫ ¿ R ,SU 1 ¿ −m d −m −γ e ρ d−STm,S U d R, SD Khai triển định lý nhị thức ta được: 58 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat ¿ e ∑∞ ξ ❑¿¿ Ψ n=0 ξ= Trong E2 viết lại sau: 1 ¿ E2 ∫ τ ¿ a1 ρ +1 ¿ Cuối A1 viết lại sau: A1 ¿ A ¿ ¿∫ ∞ ¿ ¿∫ ¿ ¿ ¿ ¿ z n+ ¿ 59 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat ¿ d−STm, R d−STm, R +γ2 d−PTm | A3 =Pr (γ R, x 2