ĐỊNH HƯỚNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ANTEN MẠNG PHA Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật Số 188 (02 2018) Học viện KTQS 109 ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI CÔNG SUẤT TỨC THỜI VÀ TRUNG BÌNH LÊN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THỨ CẤP SỬ DỤNG[.]
Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Số 188 (02-2018) - Học viện KTQS ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐỔI CƠNG SUẤT TỨC THỜI VÀ TRUNG BÌNH LÊN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG THỨ CẤP SỬ DỤNG GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN Hoàng Văn Toàn1, Võ Nguyễn Quốc Bảo2 1Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn; 2Học viện Công nghệ BCVT Tóm tắt Trong báo này, nhóm tác giả tiến hành so sánh chất lượng mạng thứ cấp chuyển tiếp hai chiều dạng hai trường hợp: Sử dụng cơng suất phát thứ cấp trung bình cơng suất phát thứ cấp tức thời với mức xác suất chịu đựng can nhiễu cho trước Với trường hợp cơng suất phát thứ cấp tức thời, nhóm tác giả sử dụng kỹ thuật điều chỉnh giảm (backoff) để đạt mức xác suất can nhiễu chịu đựng mạng sơ cấp Bài báo đưa biểu thức xác xác suất dừng hệ thống hai trường hợp Các kết giải thích mơ cho thấy trường hợp nút thứ cấp sử dụng cơng suất phát trung bình cho chất lượng hệ thống thứ cấp tương đương với chất lượng hệ thống trường hợp theo công suất phát tức thời mà không yêu cầu phải biết thông tin trạng thái kênh gây nhiễu từ nút thứ cấp đến nút sơ cấp Từ khóa: Vơ tuyến nhận thức; chuyển tiếp hai chiều; kênh truyền khơng hồn hảo Giới thiệu Trong bối cảnh phổ tần số vô tuyến ngày trở nên khan nhu cầu truyền thông ngày lớn người dùng, công nghệ vô tuyến nhận thức lên giải pháp tiềm nhận quan tâm lớn nhà khoa học giới Gần đây, công bố vô tuyến nhận thức đa dạng phân loại theo ba hướng sau: i) Kết hợp áp dụng công nghệ vô tuyến nhận thức vào hệ thống nghiên cứu trước [1]; ii) Kết hợp với công nghệ [2]; iii) Đề xuất, xây dựng mơ hình hệ thống đánh giá chất lượng hệ thống [3] Bên cạnh công nghệ vô tuyến nhận thức, kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều nhận quan tâm giới nghiên cứu năm gần Kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều giải pháp cho phép mở rộng vùng phủ sóng mà cịn nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần số vô tuyến [4] Cụ thể, với kỹ thuật chuyển tiếp chiều, chu trình trao đổi liệu hai nút đầu cuối cần bốn pha thời gian để hoàn thành, với kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều cần hai pha thời gian [5] ba pha thời gian [6] cho chu trình truyền dẫn Ngồi ra, năm gần đây, nhóm nghiên cứu tập trung đánh giá chất lượng nhiều mơ hình hệ thống sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều mơ hình kênh pha-đinh khác [7] 109 Journal of Science and Technique - N.188 (02-2018) - Military Technical Academy Sự kết hợp kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều công nghệ vô tuyến nhận thức để nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm với nhiều cơng bố khoa học năm gần đây, ví dụ [8 -13] Trong [8], nhóm tác giả phân tích chất lượng hệ thống thứ cấp chuyển tiếp hai chiều có nhiều nút trung gian chuyển tiếp sử dụng giải mã chuyển tiếp (Decode-and-Forward) sử dụng ba pha thời gian kênh pha-đinh Rayleigh đưa biểu thức xác dạng tường minh xác suất dừng hệ thống Trong [9], Afana cộng phân tích đưa biểu thức xác xác suất dừng hệ thống, tỉ lệ lỗi bit hệ thống có nhiều nút chuyển tiếp trường hợp hệ thống có nhiều máy phát sơ cấp nhiều máy thu sơ cấp Hơn nữa, Afana cộng tiếp tục phát triển nghiên cứu đánh giá chất lượng hệ thống chuyển tiếp hai chiều môi trường vơ tuyến nhận thức với mơ hình hệ thống tổng quát [10, 11] Tuy nhiên, kết phân tích giải tích cơng bố Afana cộng với mơ hình hệ thống có số nút chuyển tiếp nhiều số máy thu sơ cấp Khắc phục điều này, [12] nhóm tác giả đưa biểu thức xác xác suất dừng hệ thống có nhiều nút chuyển tiếp nhiều máy thu sơ cấp với số lượng kênh pha-đinh Nakagami-m Trong [13], Zhang cộng đưa biểu thức xác xác suất dừng hệ thống xem xét ảnh hưởng can nhiễu từ máy phát sơ cấp đến nút mạng thứ cấp Điểm chung công bố nêu xem xét hệ thống thứ cấp với giả định thông tin trạng thái kênh truyền can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến nút thu sơ cấp hoàn hảo máy phát thứ cấp Thực tế, việc địi hỏi có thơng tin trạng thái kênh can nhiễu từ mạng thứ cấp đến mạng sơ cấp cách xác gần tức thời máy phát thứ cấp đặt vấn đề khó khăn cho tốn ước lượng kênh hồi tiếp thơng tin trạng thái kênh Do đó, việc tránh gây can nhiễu cách tuyệt đối từ hệ thống thứ cấp đến hệ thống sơ cấp khó Vì vậy, hướng tiếp cận thực tế chấp nhận mức xác suất gây can nhiễu tối đa máy thu sơ cấp gọi PI với PI , mà đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng sơ cấp Khi đó, hệ thống thứ cấp phải điều chỉnh để xác suất gây nhiễu hệ thống thứ cấp không mức ngưỡng cho phép, PI Có hai phương pháp điều chỉnh công suất phát cho nút thứ cấp từ giá trị PI sau: Công suất phát máy phát thứ cấp hàm hệ số kênh truyền can nhiễu tức thời Từ giá trị PI độ xác tốn ước lượng kênh gây nhiễu để xác định hệ số giảm công suất phát nút thứ cấp đảm bảo xác suất gây nhiễu nhỏ PI Trong báo này, nhóm tác giả gọi phương pháp điều chỉnh công suất phát tức thời với giả sử kênh truyền hồi tiếp từ máy thu sơ cấp đến máy phát thứ cấp hồn hảo, khơng lỗi khơng trễ 110 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Số 188 (02-2018) - Học viện KTQS Từ giá trị PI tham số thống kê kênh truyền can nhiễu để xác định công suất phát trung bình cho nút thứ cấp đảm bảo xác suất gây nhiễu nhỏ PI Phương pháp gọi điều chỉnh cơng suất phát trung bình với giả sử máy phát thứ cấp biết thông tin thống kê (tham số trung bình) kênh truyền can nhiễu Đến đây, câu hỏi đặt phương pháp cho chất lượng hệ thống thứ cấp tốt với phần cứng phức tạp thiết kế hệ thống Trong báo này, nhóm tác giả phân tích so sánh chất lượng hệ thống thứ cấp áp dụng hai phương pháp điều chỉnh cơng suất tức thời trung bình Phần báo bố cục sau Mục II trình bày mơ hình hệ thống hai phương pháp điều chỉnh công suất máy phát thứ cấp Mục III tập trung phân tích chất lượng hệ thống cho hai trường hợp trung bình tức thời dạng xác suất dừng kênh truyền pha-đinh Rayleigh Mục IV sử dụng kết mô để kiểm chứng kết phân tích so sánh chất lượng hệ thống hai trường hợp với mức can nhiễu tối đa cho phép nút thu sơ cấp Mục V phần kết luận báo Mơ hình hệ thống Hình Hệ thống vô tuyến nhận thức chuyển tiếp hai chiều Trong báo này, nhóm tác giả xem xét hệ thống vơ tuyến nhận thức chuyển tiếp hai chiều hình 1, với mạng sơ cấp mạng thứ cấp hoạt động băng tần dạng Mạng sơ cấp gồm có máy phát sơ cấp PU-Tx máy thu sơ cấp PU-Rx Mạng thứ cấp gồm có hai nút đầu cuối A B khơng có kênh trao đổi liệu trực tiếp mà gửi liệu cho thông qua nút chuyển tiếp trung gian R Giả sử nút mạng trang bị ăng-ten tất nút hoạt động theo chế độ bán song công theo thời gian 111 Journal of Science and Technique - N.188 (02-2018) - Military Technical Academy Ký hiệu kênh truyền mơ hình hệ thống từ nút X đến nút Y hXY, X A, B, R, PU-Tx Y A, B, R, PU-Rx Cụ thể hơn, kênh truyền gây nhiễu từ nút thứ cấp đến máy thu sơ cấp PU-Rx hXP kênh truyền gây nhiễu từ máy phát sơ cấp PU-Tx đến nút mạng hệ thống thứ cấp hPX , A, B, R Giả sử, pha thời gian tất kênh truyền kênh pha-đinh phẳng, không thuận nghịch, độc lập thống kê có phân bố Rayleigh Khi độ lợi kênh truyền hXY từ nút X đến nút Y biến ngẫu nhiên phân bố mũ với giá trị trung bình λXY Quá trình trao đổi liệu sử dụng chuyển tiếp hai chiều hai nút A B chia làm ba pha truyền dẫn nút chuyển tiếp R xử lý tín hiệu theo kỹ thuật DF Trong pha thời gian thứ nhất, nút A phát tín hiệu đến nút chuyển tiếp R Tiếp đó, nút B phát tín hiệu đến nút chuyển tiếp R pha thời gian thứ hai Nút chuyển tiếp R giải mã tín hiệu nhận từ hai nút A B, thực mã hóa lại phát quảng bá cho hai nút đầu cuối pha thời gian thứ ba Trong hệ thống vô tuyến nhận thức dạng nền, với ngưỡng can nhiễu chịu đựng tối đa máy thu sơ cấp I P giả sử máy phát thứ cấp biết thông tin trạng thái kênh truyền gây nhiễu từ đến máy thu sơ cấp hoàn hảo, máy phát thứ cấp điều chỉnh công suất phát tối đa cho PX hXP I P với PX công suất phát nút X với X A, B, R , để đảm bảo không tồn can nhiễu từ hệ thống thứ cấp lên hệ thống sơ cấp Tuy nhiên, máy phát thứ cấp thực tế biết xác giá trị hXP , mà biết giá trị ước lượng hXP hˆXP , cách sử dụng kỹ thuật chuỗi ước lượng kênh truyền hồi tiếp, dẫn đến tồn xác suất gây can nhiễu h khác không từ hệ thống thứ cấp lên hệ thống sơ cấp I P XP I P [14] Mối liên hệ hˆ XP hXP hˆXP thường mô tả thông qua mơ hình tốn học sau [15]: hˆXP hXP XP (1) đó: XP - biến ngẫu nhiên Gauss phức đối xứng có trung bình khơng phương sai XP , với - hệ số tương quan hệ số kênh thực tế hệ số kênh ước lượng Để cho phép hệ thống thứ cấp hoạt động, tùy vào yêu cầu chất lượng dịch vụ mà hệ thống sơ cấp chấp nhận xác suất gây can nhiễu tối đa cho trước từ hệ thống thứ cấp lên hệ thống sơ cấp, đặt PI Biểu diễn theo biểu thức toán học, ta có: 112 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Số 188 (02-2018) - Học viện KTQS PI 1 1 1 1 1 1 (2) với k xác suất can nhiễu pha thời gian thứ k , k 1, 2,3 Theo Định lý [15], xác suất can nhiễu đến hệ thống sơ cấp nhỏ hệ số điều chỉnh giảm công suất phát chọn giống nhau, dẫn đến k k Khi đó, ta có: PI (1 )3 (3) Suy ra, ta tính hàm PI là: PI Theo phương pháp truyền dạng nền, máy phát thứ cấp điều chỉnh công suất phát, P , để đảm bảo xác suất can nhiễu pha thời gian khơng vượt q Biểu diễn theo tốn học, ta có: Pr P hXP I P (4) Để tăng hiệu mạng thứ cấp, dấu “ ” (4) thường thay dấu “=” ta dễ dàng nhận thấy có hai cách tính PX : (i) Tức thời (ii) Trung bình, trình bày phần 2.1 Công suất phát tức thời Trong trường hợp này, phải sử dụng kỹ thuật điều chỉnh giảm công suất phát máy phát thứ cấp để đảm bảo mức can nhiễu tối đa PI hệ thống thứ cấp lên hệ thống sơ cấp [15] Cơng suất phát nút phát thứ cấp tính P I p / hˆ P , với hệ số điều chỉnh giảm công suất phát (back-off power control coefficient), Khi đó, xác suất gây nhiễu đến máy thu sơ cấp pha thời gian là: Pr hXP / hˆXP 1/ (5) Theo [15], ta có: 1 1 / 1 2 (6) Giải phương trình (6) theo biến , ta giá trị hệ số giảm công suất lớn đảm bảo xác suất gây nhiễu đến máy thu sơ cấp PI là: 2 / 1 (7) đó: 2 113 Journal of Science and Technique - N.188 (02-2018) - Military Technical Academy Gọi P công suất phát trung bình máy phát sơ cấp phương sai nhiễu trắng cộng tính (AWGN) đầu vào máy thu hệ thống, tỉ số cơng suất tín hiệu cơng suất nhiễu tạp âm SINR (Signal to Interferce plus Noise Ratio) nút chuyển tiếp hai pha thời gian đầu là: AR I p hAR hˆ AP 2 P hPR , BR I p hBR hˆ BP P hPR (8) Trong pha thời gian thứ ba, SINR hai nút A B xác định là: RA I p hRA hˆ RP P hPA , RB I p hRB hˆ RP P hPB (9) 2.2 Công suất phát trung bình Sử dụng cơng suất phát trung bình dựa vào tham số thống kê kênh truyền gây nhiễu giá trị xác suất gây nhiễu PI để tính giá trị cơng suất phát trung bình nút thứ cấp Biểu diễn theo tốn học, ta có: Pr PX hXP I p (10) Ở kênh truyền pha-đinh Rayleigh, hXP biến ngẫu nhiên phân bố mũ, nên ta tính cơng suất phát trung bình nút thứ cấp thỏa mãn điều kiện (10) sau: P I p / P ln 1 (11) Khi đó, tỉ số cơng suất tín hiệu công suất nhiễu tạp âm (SINR) nút chuyển tiếp hai pha thời gian là: AR PA hAR / P hPR , BR PB hBR / P hPR 2 2 (12) đó: P P / P P / Trong pha thời gian thứ ba, nút chuyển tiếp phát tín hiệu mã hóa đồng thời đến cho hai nút đầu cuối, SINR nút A B là: RA PR hRA / P hPA , RB PR hRB / P hPB 2 2 (13) Khi hệ thống sử dụng kỹ thuật giải mã chuyển tiếp, tỉ số tín hiệu nhiễu tương đương pha thứ ba cho hai phương pháp điều chỉnh công suất phát thứ cấp có dạng sau: e min( RA , RB ) (14) Phân tích xác suất dừng hệ thống Trong phần này, nhóm tác giả phân tích chất lượng hệ thống thứ cấp để đưa biểu thức xác suất dừng hệ thống theo hai phương pháp điều chỉnh công suất với giả sử mức PI cho trước 114 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Số 188 (02-2018) - Học viện KTQS Hệ thống thứ cấp xem xét hệ thống truyền chuyển tiếp hai chiều, nên xác suất dừng hệ thống OP (Outage Probability) xác suất mà có tỉ số cơng suất tín hiệu cơng suất nhiễu tạp âm đầu vào máy thu pha truyền dẫn nhỏ ngưỡng th xác định trước, biểu diễn dạng toán học sau [16]: OP=1- Pr AR th Pr BR th Pr e th (15) =1- 1-F AR th 1-F BR th 1-F e th đó: FZ z kí hiệu CDF (Cumulative Distribution Function) Z 3.1 Công suất phát tức thời Để xác định dạng tường minh xác suất dừng hệ thống phải xác định dạng tường minh CDF AR , BR e Áp dụng kết phụ lục A, ta có biểu thức tường minh xác suất dừng hệ thống sau: OP=1- I p AR m k Ip BR m k e Ei -m1k1 e Ei -m k th PPR AP th PPR BP 1 2 x5 + x6 + RP RP e Ei -x + e Ei -x + x -x RP x -x RP RP RP đó: I p I p / , m1 k2 (16) I p AR I th , k1 , m2 p BR , I p AR AP th PPR th PPR I p RA I p RB th th th , x5 , x6 , , th PPA I p BR BP I p RA I p RB th PPB 2I p2RARB / th2 P 2PAPB , Ei hàm tích phân mũ [17, ct (8.211)] 3.2 Cơng suất phát trung bình Tương tự phương pháp điều chỉnh công suất phát thứ cấp tức thời, ta cần biết xác suất dừng pha thời gian để tính xác suất dừng hệ thống thứ cấp Áp dụng kết phụ lục B, ta có biểu thức xác suất dừng hệ thống thứ cấp là: OP AR BR RA PPR th / PA AR PPR th / PB BR PPA th / PR RA RB PPB th / PR RB e th th th th PA AR PB BR PR RA PR RB (17) Kết mô Trong phần này, nhóm tác giả thực mơ Monte-Carlo để kiểm chứng kết phân tích lý thuyết Giả sử nút mạng hệ thống nằm 115 Journal of Science and Technique - N.188 (02-2018) - Military Technical Academy mặt phẳng Oxy khoảng cách hai nút đầu cuối A B chuẩn hóa Do vậy, kịch mơ phỏng, nút mạng xác định tọa độ sau: A [0; 0], B [1; 0], PU-Tx [0; 1], PU-Rx [1; 1] R [0,5; 0] Gọi d XY khoảng cách vật lý hai nút X Y, X A, B, R, PU-Tx Y A, B, R, PU-Rx Theo mơ hình suy hao đường truyền đơn giản, ta có XY d XY , hệ số suy hao truyền sóng với Để đơn giản, nhóm tác giả lựa chọn tham số mô chung , th 1, 25 , P = 15dB, ngoại trừ điều kiện mơ riêng hình cụ thể Hình Xác suất dừng hệ thống thứ cấp P = 15dB, =3, th =1,25 Hình Xác suất dừng hệ thống hệ số thay đổi, PI = 0,05 Hình biểu diễn xác suất dừng hệ thống thứ cấp cho hai trường hợp: i) Sử dụng công suất phát tức thời theo hệ số giảm công suất ii) Sử dụng công suất phát trung bình nút thứ cấp Cố định công suất phát máy phát sơ cấp 15dB hệ số tương quan 0,94 , nhóm tác giả thay đổi xác suất gây nhiễu PI theo ba trường hợp: PI = 0,05; PI = 0,1 PI = 0,2 Kết mô cho thấy kết phân tích giải tích hồn tồn đắn xác Tại mức xác suất dừng 101 , hai phương pháp điều chỉnh công suất phát cho hiệu hệ thống thứ cấp tương tự PI = 0,2, nhiên, với mức PI nhỏ phương pháp điều chỉnh theo cơng suất trung bình cho hiệu hệ thống thứ cấp hồn tồn vượt trội, đến 3dB cho trường hợp PI = 0,05 Điều có ý nghĩa lớn, với phương pháp sử dụng cơng suất phát trung bình, nút thứ cấp khơng cần phải biết thông tin trạng thái tức thời kênh gây nhiễu từ nút xem xét đến máy thu sơ cấp mà cần biết giá trị trung bình độ lợi kênh, cho phép giảm độ phức tạp hệ thống khơng phải ước lượng hồi tiếp thơng tin kênh truyền can nhiễu tức thời máy phát thứ cấp 116 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Số 188 (02-2018) - Học viện KTQS Hình khảo sát ảnh hưởng hệ số tương quan kênh truyền , hiệu hệ thống thứ cấp phương pháp điều chỉnh công suất phát tức thời so sánh điều kiện can nhiễu với phương pháp điều chỉnh trung bình Bằng cách cố định giá trị P = 15dB, xác suất gây nhiễu PI = 0,05 thay đổi theo giá trị: 0,9; 0,92; 0,94; 0,96; 0,98 Kết mô cho thấy, chất lượng hệ thống sử dụng công suất phát trung bình tương đương với chất lượng hệ thống 0,96 vùng SINR thấp tương đương với chất lượng hệ thống 0,98 vùng SINR cao Điều thấy rằng, phương pháp điều chỉnh công suất phát tức thời sử dụng hệ số giảm công suất cho chất lượng hệ thống thứ cấp tương đương với phương pháp điều chỉnh cơng suất trung bình tốn ước lượng đạt độ xác cao, lần xác nhận ưu điểm phương pháp điều chỉnh cơng suất phát trung bình mơi trường thực tế Hình Xác suất dừng hệ thống thứ cấp thay đổi công suất máy phát sơ cấp P Hình Xác suất dừng hệ thống thay đổi vị trí nút chuyển tiếp Hình vẽ xác suất dừng hệ thống thứ cấp theo công suất phát trung bình máy phát sơ cấp ba trường hợp xác suất gây nhiễu PI là: 0,05, 0,1, 0,2 Ta thấy, máy phát sơ cấp tăng công suất phát từ 0dB đến 30dB làm xác suất dừng hệ thống thứ cấp tăng Khi giá trị P tiến đến 20dB xác suất dừng hệ thống thứ cấp gần bão hòa giá trị (Dừng hoàn toàn), xác nhận ảnh hưởng quan trọng can nhiễu từ hệ thống sơ cấp lên hiệu hệ thống thứ cấp Bên cạnh đó, quan sát đánh đổi hiệu mạng sơ cấp mạng thứ cấp, nghĩa giá trị xác suất gây can nhiễu lên hệ thống sơ cấp tăng hiệu mạng thứ cấp cải thiện ngược lại Hình thể tổng quan ảnh hưởng vị trí nút chuyển tiếp lên xác suất dừng hệ thống thứ cấp cách di chuyển nút chuyển tiếp R đoạn thẳng nối liền 117 Journal of Science and Technique - N.188 (02-2018) - Military Technical Academy hai nút đầu cuối A B, cụ thể hoành độ xR nút chuyển tiếp thay đổi từ 0,1 đến 0,9 tham số khác chọn P = 15dB, IP = 10dB, PI = 0,1 0,92 Thực mô hai trường hợp tọa độ máy thu sơ cấp PU-Rx [0,5; 1] [1; 1] Kết mô cho thấy, với tham số chọn chất lượng hệ thống thứ cấp tốt sử dụng cơng suất phát trung bình Hơn nữa, cách sử dụng phương pháp số dựa vào biểu thức tường minh xác suất dừng hệ thống thứ cấp ta tìm gần vị trí tối ưu nút chuyển tiếp, cho chất lượng hệ thống thứ cấp tốt Trong kịch mô phỏng, máy thu sơ cấp [0,5; 1] [1; 1] vị trí nút chuyển tiếp tốt tương ứng có hồnh độ 0,48 0,52 Kết luận Trong báo này, nhóm tác giả so sánh chất lượng hệ thống thứ cấp vô tuyến nhận thức dạng chuyển tiếp hai chiều theo phương pháp sử dụng cơng suất phát trung bình nút thứ cấp công suất phát tức thời theo hệ số giảm công suất kênh truyền pha-đinh Rayleigh Kết so sánh cho thấy, với xác suất gây nhiễu đến máy thu sơ cấp chất lượng hệ thống thứ cấp sử dụng cơng suất phát trung bình tốt, tương đương với trường hợp sử dụng công suất phát tức thời có chất lượng ước lượng kênh gây nhiễu tốt (Hệ số tương quan cao) Điều có ý nghĩa lớn với phương pháp sử dụng cơng suất phát trung bình cần biết tham số thống kê kênh gây nhiễu mà không cần biết thông tin trạng thái kênh tức thời Phụ lục A: Tìm biểu thức CDF AR , BR e [18] Để tìm dạng tường minh hàm CDF AR , BR e , ta cần xem xét bổ đề sau đây: Bổ đề 1: Cho X Y hai biến ngẫu nhiên phân bố mũ có giá trị trung bình lần X lượt X Y Z biến ngẫu nhiên xác định theo biểu thức Z , Y 1 số thực dương Khi hàm phân bố xác suất tích lũy Z xác định theo công thức sau: FZ z X exp z X zY X (18) Chứng minh: Ta bắt đầu phần chứng minh từ định nghĩa xác suất Z sau: X FZ z Pr z Pr X z zY fY y dy Y 1 1 e z zy X Y e y Y dy Y e z X e z X Y y dy Áp dụng công thức [17, ct.(3.310.11)], ta biểu thức CDF Z (18) 118 (19) Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Số 188 (02-2018) - Học viện KTQS Để xác định CDF AR ta phải tính CDF AR điều kiện biết: hˆAP , tức F AR hˆAP F AR hˆAP th x th x Ta có: I p hAR Pr x P h PR hAR th Pr 1 P h PR x th Ip (20) đó: I p I p / P P / Áp dụng kết Bổ đề 1, ta có: F AR hˆAP th x 1 I p AR th PPR x I p AR th PPR exp x th I p AR (21) Khi đó, ta tính CDF AR sau: F AR th F AR hˆAP th x f I p AR hˆAP x dx I th PPR AP x p AR th PPR e th x I p AR AP dx (22) Áp dụng công thức [17, ct.(3.352.4)], ta được: F AR I th p AR th mk P PR AP e 1 Ei m1k1 (23) đó: m1 I p AR / th PPR , k1 th / I p AR 1/ AP Tương tự, ta tính hàm CDF BR sau: F BR th I p BR em k Ei m2 k2 th PPR BP (24) 2 đó: m2 I p BR / th PPR k2 th / I p BR 1/ BP Tiếp theo, ta tính CDF e Chú ý RA RB không độc lập với 2 có chung hˆRP Cho nên, tính CDF e với điều kiện biết hˆRP , tức tính F e hˆRP th F x sau: e hˆRP th 2 I p hRA I p hRB x Pr , x P h x P h PA PB hRA Pr 1 P h PA x th Ip hRB Pr 1 P h PB th x th Ip (25) 119 Journal of Science and Technique - N.188 (02-2018) - Military Technical Academy Áp dụng kết Bổ đề cho xác suất (25) thực biến đổi đại số, ta có: F e hˆRP th x x x5 x x6 exp x (26) đó: th / I p RA th / I p RB , I p2RA RB / th2 P2PA PB , x5 I p RA / th PPA x6 I p RB / th PPB Khi đó, ta có: F e th x x5 x x6 e x f ˆ hRP x dx x x RP RP 1 e dx e dx RP x6 x5 0 x x5 RP x6 x5 0 x x6 (27) Áp dụng công thức [17, ct.(3.352.4)], ta kết sau: F e th x5 e RP Ei x5 RP x6 x5 RP x6 RP Ei x6 e RP (28) Thế (23), (24) (28) vào (15), ta biểu thức xác xác suất dừng hệ thống thứ cấp nút thứ cấp điều chỉnh công suất phát tức thời cơng thức (16) Phụ lục B: Tìm biểu thức CDF AR , BR e Mục đích Phụ lục B xác định dạng tường minh CDF AR , BR e phương pháp điều chỉnh cơng suất trung bình theo giá trị PI cho trước Áp dụng kết Bổ đề 1, ta tính biểu thức CDF AR sau: F AR PA hAR th AR PA AR th e th Pr P / P P h PR th A AR PR (29) Tương tự, ta tính biểu thức dạng tường minh CDF BR sau: F BR th BR PPR th / PB BR e th PBBR (30) Tiếp theo, ta thực tìm biểu thức tường minh e RA , RB Do RA RB độc lập thống kê với nhau, nên ta có: F e th = Pr min RA , RB th Pr RA th Pr RB th (31) Sử dụng lại kết Bổ đề cho hai biểu thức xác suất (31) thực số bước biến đổi đại số, ta biểu thức tường minh CDF e sau: 120 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Số 188 (02-2018) - Học viện KTQS F e th RA RB PPA th / PR RA PPB th / PR RB e th th PR RA PR RB (32) Thế công thức (29), (30) (32) vào công thức (15), ta biểu thức dạng tường minh xác suất dừng hệ thống thứ cấp nút thứ cấp sử dụng cơng suất phát trung bình cơng thức (17) Tài liệu tham khảo G Scutari, D P Palomar, and S Barbarossa Cognitive MIMO radio IEEE Signal Process Mag., Vol 25, Nov 2008, pp 46-59 A G Fragkiadakis, E Z Tragos, and I G Askoxylakis A survey on security threats and detection techniques in cognitive radio networks IEEE Commun Sur & Tut., Vol 15, Jan 2013, pp 428-445 Z Xing, Z Yan, Y Zhi, X Jia, and W Wenbo Performance analysis of cognitive relay networks over Nakagami-m fading channels IEEE J Sel Areas Commun., Vol 33, May 2015, pp 865-877 R Boris and W Armin Spectral efficient protocols for half-duplex fading relay channels IEEE J Sel Areas Commun., Vol 25, Feb 2007, pp 379-389 L Song Relay selection for two-way relaying with amplify-and-forward protocols IEEE Trans Veh Technol., Vol 60, May 2011, pp 1954-1959 S Yadav and P Upadhyay Impact of outdated channel estimates on opportunistic two-way ANC-based relaying with three-phase transmissions IEEE Trans Veh Technol., Vol 64, Dec 2015, pp 5750-5766 Z Chensi, G Jianhua, L Jing, R Yun, and M Guizani A unified approach for calculating the outage performance of two-way AF relaying over fading channels IEEE Trans Veh Technol., Vol 64, Mar 2015, pp 1218-1229 T T Duy and H Y Kong Exact outage probability of cognitive two-way relaying scheme with opportunistic relay selection under interference constraint IET Commun., Vol 6, 2012, pp 2750-2759 A Afana, A Ghrayeb, V R Asghari, and S Affes Distributed beamforming for two-way DF relay cognitive networks under primary-secondary mutual interference IEEE Trans Veh Technol., Vol 64, Sep 2015, pp 3918-3930 10 A Afana, A Ghrayeb, V Asghari, and S Affes On the performance of spectrum sharing two-way relay networks with distributed beamforming In Proc IEEE 14th Works Signal Process Adv Wireless Commun (SPAWC), 2013, pp 365-369 11 A Afana, A Ghrayeb, V Asghari, and S Affes Distributed Beamforming for SpectrumSharing Systems with AF Cooperative Two-Way Relaying IEEE Trans Commun., Vol 62, Sep 2014, pp 3180-6778 121 Journal of Science and Technique - N.188 (02-2018) - Military Technical Academy 12 H V Toan and V N Q Bao Opportunistic relaying for cognitive two-way network with multiple primary receivers over Nakagami-m fading In Proc Int Conf Adv Technol Commun (ATC), Ha Noi, Vietnam, 2016, pp 141-146 13 X Zhang, Z Zhang, J Xing, R Yu, P Zhang, and W Wang Exact outage analysis in cognitive two-way relay networks with opportunistic relay selection under primary user's interference IEEE Trans Veh Technol., Vol 64, Jun 2015, pp 2502-2511 14 V N Q Bao, T Q Duong, D B d Costa, G C Alexandropoulos, and A Nallanathan Cognitive amplify-and-forward relaying with best relay selection in non-identical Rayleigh fading IEEE Commun Lett., Vol 17, 2013, pp 475-478 15 V N Q Bao, T Q Duong, and C Tellambura On the performance of cognitive underlay multihop networks with imperfect channel state information IEEE Trans Commun., Vol 61, Dec 2013, pp 4864-4873 16 H V Toan, V N Q Bao, and N.-L Hung Cognitive two-way relay systems with multiple primary receivers: Exact and asymptotic outage formulation IET Communications, Vol 11, Dec 2017, pp 2490-2497 17 I S Gradshteyn, I M Ryzhik, A Jeffrey, and D Zwillinger Table of integrals, series and products 7th ed Amsterdam, Boston: Elsevier, 2007 18 H V Toan, V N Q Bao, and K N Le Performance analysis of cognitive underlay two-way relay networks with interference and imperfect channel state information EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking (under review), 2017 EFFECTS OF INSTANTANEOUS AND AVERAGE TRANSMIT POWER VARIATIONS ON PERFORMANCE OF THE SECONDARY TWO-WAY DECODE-AND-FORWARD RELAY SYSTEM IN UNDERLAY COGNITIVE RADIO NETWORKS Abstract: In this paper, the authors compare the performance of secondary underlay decode-and-forward relay systems under a given probability of interference for two cases: using the instantaneous and the average transmit power For the case using the instantaneous power, we employ the back-off technique to keep the probability of interference below a given threshold This paper derives the exact close-form expression of the system outage probability for both cases Numerical and simulation results show that the system using average transmit power provides equivalent performance with that using the instantaneous power without requiring instantaneous channel state information of the interference links from the secondary nodes to the primary ones Ngày nhận bài: 21/4/2017; Ngày nhận sửa lần cuối: 07/12/2017; Ngày duyệt đăng: 06/3/2018 122