Luận án nghiên cứu mạng truyền thông hợp tác di động băng rộng với điều kiện thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐAI HOC ĐÀ NẴNG NGUYỄN HỒNG GIANG NGHIÊN CỨU MANG TRUYEN THÔNG HỢP TÁC DI ĐỘNG BĂNG RỘNG VỚI ĐIÊU KIỆN THÔNG TIN TRANG THÁI KÊNH TRUYỀN KHƠNG HỒN HẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN HỒNG GIANG ĐÀ NẴNG - 2017 NGHIÊN CỨU MẠNG TRUYEN THÔNG HỢP TÁC DI ĐỘNG BĂNG RỘNG VỚI ĐIÊU KIỆN THÔNG TIN TRẠNG THÁI KÊNH TRUYỀN KHÔNG HOÀN HẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 62.48.01.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN LÊ HÙNG PGS TS VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày Luận án cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn cán hướng dẫn Các số liệu, kết trình bày Luận án hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình trước Các kết sử dụng tham khảo trích dẫn đầy đủ theo quy định ĐÀ NẴNG - 2017 Đà Nẵng, ngày 20 tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Hồng Giang ĐÀ NẴNG - 2017 LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu hoàn thành Luận án này, tác giả nhận nhiều giúp đỡ đóng góp quý báu Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới hai thầy PGS TS Nguyễn Lê Hùng PGS TS Võ Nguyễn Quốc Bảo giúp đỡ tác giả q trình nghiên cứu hồn thành Luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn khoa Công nghệ Thông tin, trường ĐHBK- ĐHĐN tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận án Tác giả xin cảm ơn Quỹ phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) hỗ trợ phần cho nghiên cứu Luận án Nhân dịp này, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới trường Đại học Thông tin Liên lạc, đơn vị chủ quản, tạo điều kiện cho phép tác giả tham gia nghiên cứu năm làm nghiên cứu sinh Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, đồng chí, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua khó khăn để hồn thành Luận án Đà nẵng, ngày 20 tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Hồng Giang MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT v DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG xii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC xiii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VE TRUYEN THÔNG HƠP TÁC 14 1.1 Phân loại mạng không dây 15 1.1.1 Mạng cá nhân không dây WPAN 15 1.1.2 Mạng cục không dây WLAN 16 1.1.3 Mạng không dây đô thị WMAN 17 1.1.4 Mạng diện rộng không dây WWAN 18 1.2 Kênh truyền không dây 19 1.2.1 Ánh hưỏng phản xạ, tán xạ nhiễu xạ 20 1.2.2 Suy hao đường truyền 22 1.2.3 Trải trễ (delay spread) 23 1.2.4 Băng thông liên kết 23 1.2.5 Hiệu ứng Doppler 23 1.2.6 Mơ hình kênh truyền 24 -i- 1.2.7 Thông tin trạng thái kênh truyền 30 1.3 Đánh giá hiệu mạng 31 1.3.1 Tỉ số tín hiệu tạp âm 33 1.3.2 Tỉ số BER 34 1.3.3 Tỉ số SER 34 1.3.4 Dung lượng lượng kênh 34 1.3.5 Xác suất dừng hệ thống 35 1.4 Các kỹ thuật phân tập kết hợp tín hiệu 36 1.4.1 Các kỹ thuật phân tập 36 1.4.2 Các kỹ thuật kết hợp tín hiệu nút đích 39 1.5 Mạng truyền thông hợp tác 41 1.5.1 Y tưỏng truyền thông hợp tác 41 1.5.2 Giải pháp đề xuất 44 1.5.3 Mạng chuyển tiếp hợp tác 47 1.6 Kết luận chương 52 Chương HIỆU NĂNG MẠNG TRUYEN THÔNG HƠP TÁC MIMO VÀ MẠNG CHUYEN TIEP HƠP TÁC ĐA CHẶNG 54 2.1 Mạng truyền thông hợp tác MIMO 54 2.1.1 Nghiên cứu liên quan 54 2.1.2 Mơ hình hệ thống 55 2.1.3 Phân tích hiệu hệ thống 59 2.1.4 Kết mô 61 2.2 Mạng chuyển tiếp hợp tác đa chặng 63 2.2.1 Nghiên cứu liên quan 63 - ii - 2.2.2 Mô hình hệ thống 64 2.2.3 Xác suất dừng hệ thống 66 2.2.4 Xác suất dừng hệ thống ỏ miền SNR cao 68 2.2.5 Tỉ lệ lỗi bit (BER) 69 2.2.6 Kết mô 70 2.3 Kết luận chương 73 Chương SỬ DỤNG KỸ THUẬT KET HƠP TÍN HIỆU THU NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUYEN THÔNG HƠP TÁC 76 3.1 So sánh kỹ thuật kết hợp tín hiệu thu MRC SC 76 3.1.1 Giới thiệu 76 3.1.2 Mơ hình hệ thống 77 3.1.3 Xác suất dừng hệ thống 78 3.1.4 Kết mô 85 3.2 Hiệu mạng truyền thông hợp tác với mơ hình kênh pha-đinh Nakagami-m 88 3.2.1 Giới thiệu 88 3.2.2 Mơ hình hệ thống 88 3.2.3 Khảo sát hiệu hệ thống 90 3.2.4 Kết mô 100 3.3 Hiệu hệ thống truyền thông hợp tác môi trường vô tuyến nhận thức có ràng buộc can nhiễu 103 3.3.1 Các nghiên cứu liên quan 103 3.3.2 Mơ hình 104 - iii - 3.3.3 Xác suất đứt chặng mạng thứ cấp 106 3.3.4 Kết mô 112 3.4 Kết luận chương 115 Chương LựA CHỌN NÚT CHUYEN TIEP TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG HƠP TÁC 117 4.1 Lựa chọn nút chuyển tiếp mạng truyền thơng hợp tác với mơ hình kênh Rayleigh 117 4.1.1 Giới thiệu 117 4.1.2 Mơ hình hệ thống 118 4.1.3 Xác suất bị can nhiễu máy thu sơ cấp gây bỏi máy phát mạng thứ cấp 120 4.1.4 Xác suất dừng hệ thống thứ cấp 123 4.1.5 Xác suất dừng hệ thống thứ cấp ỏ miền SNR cao 126 4.1.6 Tỷ lệ lỗi symbol (Symbol Error Rate - SER) 127 4.1.7 Dung lượng Shannon 129 4.1.8 Mô đánh giá kết 131 4.2 Hiệu hệ thống truyền thông hợp tác môi trường pha-đinh không đồng 139 4.2.1 Giới thiệu 139 4.2.2 Mơ hình hệ thống 140 4.2.3 Xác suất dừng hệ thống 143 4.2.4 Kết mô 146 4.3 Kết luận chương 149 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI 150 - iv - DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG Bố 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO 155 PHỤ LỤC 174 Chứng minh cơngthức tính £ 174 Chứng minh côngthức (4.26) 175 Chương trình Matlab cho PDF phân bố Rayleigh 177 Chương trình Matlab cho CDF phân bố Rayleigh 177 Chương trình Matlab cho PDF phân bố Rician 177 Chương trình Matlab cho CDF phân bố Rician 178 Chương trình Matlab cho PDF phân bố Nakagami 179 Chương trình Matlab cho CDF phân bố Nakagami 180 -v- DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT 4G The fourth Generation Thế hệ thứ 5G The fifth Generation Thế hệ thứ AF Amplify-and-Forward Khuếch đại chuyển tiếp BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CDF Cumulative distribution Hàm phân phối tích lũy function DF Decode-and-Forward Giải mã chuyển tiếp EGC Equal Gain Combining Kết hợp đồng độ lợi PDF Probability density func Hàm mật độ xác suất tion ICI Inter-Channel Interference Nhiễu liên kênh ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên symbol i.i.d independent and identi- Độc lập phân bố đồng cally distributed LMS Least Mean-Square Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Bình phương trung bình Nghĩa Tiếng Việt nhỏ - 68 - ỏ p [0,1] hệ số tương quan gki g , " lỗi ước lượng kênh theo ki phương pháp sai số trung bình bình phương cực tiểu (MMSE: Minimum Mean Square Error), " biến ngẫu nhiên phân bố Gauss phức có trung bình không phương sai A k1 Trong chặng chuyển tiếp thứ nhất, nút Nguồn (T ) gửi symbol s với công o suất phát P1 cho không gây can nhiễu tới mạng sơ cấp Tức là, P1 < er (và i công suất phát cực đại cho phép T P1 = phát chặng thứ k Pk = max Q(|^.|2) max Q(|^,|2) Tương tự vậy, công suất với r = {1,2, ,N }■ Đe bảo vệ tốt cho máy thu ỏ mạng sơ cấp, sử dụng thêm hệ số dự phịng (back-off), ỏ công suất máy phát mạng thứ cấp bị giảm với hệ số điều khiển công suất (a back-off power control coefficient) p Tỉ số công suất tín hiệu tạp ẵm SNR ỏ chặng thứ k tính: Ph I No k đặt X1 = \hk| , Y1 = max r(|g | ) í = ie ki í\hk I max, r(|âti|2)’ e ■ NQ■ Mối quan hệ p p công thức (2.13), viết lại biểu thức (2.22) ta có (2.23) 2.2.3 Xác suất dừng hệ thống Xác suất dừng (outage Probability) hay gọi xác suất đứt liên lạc hệ thống tính xác suất SNR hệ thống nhỏ giá trị ngưỡng q cho th trước Với giả thuyết, kênh truyền chặng độc lập có phân bố pha-đinh Rayleigh, xác suất dừng hệ thống giải mã - 69- chuyển tiếp (DF) đa chặng đưa bỏi [114, 116, 117] OP = Pr[min(7i; ;7K) < 7th]; K = -n [1 - Fk (7th)], (2.24) k=i Fy (7 ) hàm phân bố xác suất tích lũy CDF , tức xác suất outage k th k chặng thứ k tính sau F 7k ( 7th) = Ị F X ( I yộ fYi (yi )dyi; (2 25) - với F (.) FY (.) hàm phân bố xác suất tích lũy (CDF) X , Y X1 1 tính sau (2.26) Fxi(xi) = - exp / F Y1 (y i )= \7 N nmí-yix — exp I —— I (2.27) X kp / _ f (.) hàm mật độ phân bố xác suất (PDF) Y tính Y1 N Xi íN - 1\ ị A i P i=0 \ / f ( Yi yi) = ( 1) ex Zj - i P k (ỉ + 1A X /'kp / (2.28) yi Thế (2.26) (2.28) vào (2.25), hàm CDF tính k N F,k (7th) = - Ăk X (_1)V exp i+1 P i=0 ^■kp th \ Xkt) yi d yi; (2.29) Thực tích phân (2.29) theo y , ta i F (7 7k th )= 1+ X-i 22 i=0 (-1) i 7thXkp NỆXkt + (1 + i) Xkt (2.30) - 70 - Cuối cùng, xác suất dừng hệ thống (OP) tính cách thay (2.30) vào (2.24) có dạng sau: K V-1 OP=1 -n k=1 ( _ 1) i+1 _NỆ^kt Tth^kp + Ệ^kt(1 + i) (2.31) 2.2.4 Xác suất dừng hệ thống miền SNR cao Mặc dù cơng thức dạng đóng (closed-form) đưa (2.31) hữu ích khảo sát hiệu hệ thống Tuy nhiên, cơng thức chưa thực dl sử dụng tất kịch Hơn nữa, cơng thức dạng đóng cịn chứa hàm biểu thức tốn học đặc biệt, khơng diln tả tốt ý nghĩa vật lý ảnh hưỏng pha-đinh, bóng râm vơ tuyến, bậc phân tập tới hiệu hệ thống Trong trường hợp vậy, người ta thường sử dụng biểu thức xấp xỉ gần (thường xấp xỉ ỏ miền SNR cao), cung cấp kết có ý nghĩa hơn, giúp hiểu biết sâu sắc so với công thức dạng đóng tính xác Điều thúc đẩy nghiên cứu sử dụng phân tích xấp xỉ gần (approximate) hay tiệm cận (asymptotic) Đe xem xét hành vi hệ thống ỏ miền SNR cao, Từ biển thức (2.22), tỉ số cơng suất tín hiệu tạp âm (SNR) lớn P ! dẫn đến Q ! áp dụng công thức gần — exp (—X) ~ x, biểu thức (2.25) viết lại thành: k F (^th) = í J QẤkt ĨY1 (yì)dyi, NX y1exp ^ P i=0 fi + 1A k dyi; ■ (2.32 ) - 71 - Sử dụng phương pháp tích phân phần để tính tích phân (2.32), cuối ta ) = NXkp7th X íN - A (-1? F fc (7 ) íh i=0[ (2.33) i )(1 + i) Thay (2.33) vào (2.24) ta tính xác suất dừng hệ thống ỏ miền SNR cao K 1(BER) 2.2.5 Tỉ lệ lỗi bit OP « -n N ^kp7th X k=1 N1 (-ự (1 + i) i=0 BER hệ thống tính theo cơng thức [114, CT (34)] sau ,K, 2ln2./o ) d7 1+ (3.66) Bằng cách F7e (7) (3.56) vào (3.66), dung lượng ergodic hệ 2e thống thứ cấp viết lại sau r(fc + m )r(Z + m ) UỊU2 2ln2r(m )r(m4) ^0 r1 k+l x Jo (1 + 7) (1 + U17) (1+ U27) t fc!í! k+m (3 67) ‘ l+m d7 ' (2.34) - 72 - Sử dụng [130, CT (7.2)] để tính tích phân (3.67), sau B (a,a ) R(a,b1, ,bn; Z1, ,Zn)=[ t ỊỊ (1 + Zịt)~ dt, bi a_1 (3.68) ■Jo 7=7 hàm R gọi hàm siêu bội R (R hypergeometric function), định nghĩa [130, CT (2.1)] R(a, bi, , bn; Z1, , Zn) = FD (a, bi, , bn; c; - Z1, n) Z n) ( ) đó, B (a, a') hàm beta, c = b , + ,bn, a + a' = c F( hàm siêu n) bội Lauricella (Lauricella hypergeometric) , định nghĩa [132, CT (2.17)] b - F (a b c (a,b , ,b ,c; X , ,X ) ■ (n) n x x n )= r Ị F(c ) (a)r(c _ a) ta- (1 - t) -a~1(1 - X t)- ■■■ (1 - X t)- dt c b1 n bn ( ) Thế công thức (3.68) vào (3.67) ta có , - 73 - _ "^"^ppk +l + 1)T(k + m3 )r(l + m ) UfU = 2ln(2)r(m )r(m4) E ị=0 k\l\ X B (k + l + , | ) R(k + l + , , k + , l + 'm4 ; , U1 , U2) (3.71) Dung lương Ergodic tính gần Sử dụng bất đẳng thức Jensen, sau sử dụng tích phân phần, đường bao dung lượng ergodic [133] 1, C