Nghiên cứu hiệu năng mạng truyền thông vô tuyến đa chặng trong điều kiện công suất phát hạn chế

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ PHẠM MINH NAM NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN ĐA CHẶNG TRONG ĐIỀU KIỆN CÔNG SUẤT PHÁT HẠN CHẾ LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ PHẠM MINH NAM NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN ĐA CHẶNG TRONG ĐIỀU KIỆN CÔNG SUẤT PHÁT HẠN CHẾ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 9520203 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 1: TS Trần Trung Duy Ngƣời hƣớng dẫn khoa học 2: PGS.TS Phan Văn Ca Phản biện 1: PGS.TS Đỗ Hồng Tuấn Phản biện 2: TS Võ Nguyên Sơn Phản biện 3: TS Nguyễn Quang Sang Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2022 LÝ LỊCH CÁ NHÂN I Thông tin cá nhân: Họ tên: PHẠM MINH NAM Giới tính: Nam Ngày sinh: 03/05/1976 Nơi sinh: Thanh Hóa II Quá trình đào tạo: † Từ 1994 - 1999: Sinh viên khoa Điện - Điện tử, trƣờng Đại học Bách khoa Tp.HCM † Từ 2000 - 2004: Sinh viên khoa Kỹ thuật Máy tính, trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.HCM † Từ 2008 - 2010: Học viên cao học khoa Điện - Điện tử, trƣờng Đại học Bách khoa Tp.HCM † Từ 2017 - Nay: Nghiên cứu sinh khoa Điện - Điện tử, trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM III Q trình cơng tác: † Từ 1999 - 2010: Công tác công ty Ứng dụng Kỹ thuật Sản xuất TECAPRO, Bộ Quốc phòng † Từ 2010 - nay: Giảng viên khoa Điện tử, trƣờng Đại học Công nghiệp Tp.HCM Tp HCM ngày 23/01/2022 Phạm Minh Nam i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác, trích dẫn, đồng tác giả đƣợc thực theo qui định giáo dục nhƣ nhà trƣờng Tp Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 01 năm 2022 (Ký tên ghi rõ họ tên) ii LỜI CẢM TẠ Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn TS Trần Trung Duy PGS.TS Phan Văn Ca giúp tơi nhiều q trình học tập tận tình hƣớng dẫn để tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm tạ thầy cô khoa Điện - Điện tử, thầy cô phòng Đào tạo sau đại học thuộc trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh, giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi hồn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến ban Giám hiệu trƣờng Đại học Công nghiệp TPHCM, lãnh đạo khoa Công nghệ Điện tử đồng nghiệp khoa tạo điều kiện cho tơi q trình nghiên cứu sinh Tơi xin cảm ơn gia đình cổ vũ, động viên tinh thần cho tơi suốt q trình học tập Tp Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 01 năm 2022 (Ký tên ghi rõ họ tên) iii TÓM TẮT Luận án trình bày kết nghiên cứu hiệu mạng truyền thông đa chặng vô tuyến nhận thức dạng (MUCRN: Multi-hop Underlay Cognitive Radio Networks) Trong mạng MUCRN, thiết bị phát thứ cấp bị hạn chế công suất phát ràng buộc mức can nhiễu tối đa đƣợc quy định mạng sơ cấp Luận án đề xuất nghiên cứu bốn mô hình hiệu khác Mơ hình mạng đa chặng thứ cấp đƣợc xây dựng từ trạm thu phát bố trí tầm nhìn thẳng, hoạt động với mạng sơ cấp Trong mạng sơ cấp, thiết bị đƣợc trang bị nhiều anten để nâng cao hiệu cho mạng, nâng cao công suất phát thiết bị phát thứ cấp Kết cho thấy đề xuất hiệu đánh giá qua thông số hiệu xác suất dừng (OP: Outage Probability) xác suất nghe (IP: Intercept Probability) mạng thứ cấp Tiếp tục phát triển mơ hình thứ nhất, mơ hình đề xuất thứ hai, trạm thứ cấp đƣợc trang bị nhiều anten để nâng cao hiệu chuyển tiếp liệu chặng Hơn nữa, trạm thứ cấp phải thu thập lƣợng sóng vơ tuyến từ trạm phát lƣợng (PB: Power Beacon) để phục vụ cho hoạt động chuyển tiếp Với xuất trạm nghe mạng thứ cấp, luận án nghiên cứu hiệu bảo mật với thông số hiệu năng: xác suất dừng bảo mật (SOP: Secrecy Outage Probability) xác suất dung lƣợng bảo mật khác không (PNSC: Probability of Non-zero Secrecy Capacity) Tiếp theo, mơ hình đề xuất thứ ba, luận án nghiên cứu giao thức truyền thông cộng tác đa chặng cho trạm thứ cấp đơn anten, sử dụng kỹ thuật thu thập lƣợng sóng vơ tuyến Giao thức cộng tác đa chặng đề xuất giúp thơng tin tắt trạm đích, bỏ qua số trạm trung gian, đồng thời nâng cao độ lợi phân tập trạm chuyển tiếp trung gian cịn lại trạm đích Sau so sánh hiệu xác suất dừng (OP) giao thức cộng tác với giao thức truyền iv thông thƣờng, mơ hình đề xuất chứng tỏ đƣợc ƣu điểm bật Hơn nữa, luận án đƣa toán tối ƣu để đạt đƣợc hiệu cao Mơ hình đề xuất thứ tƣ nghiên cứu giao thức chọn đƣờng mạng lƣới nhiều đƣờng MUCRN Luận án đề xuất đánh giá hiệu bảo mật ba giao thức BEST, MAXV, RAND qua kênh truyền Rayleigh fading Dựa vào giao thức đề xuất, tuyến MUCRN phù hợp kết nối nguồn đích đƣợc lựa chọn để truyền thơng đến điểm đích Cùng với đề xuất, việc đánh giá ƣu nhƣợc điểm ba giao thức đƣợc thảo luận đến dựa theo yêu cầu thông tin trạng thái kênh truyền (CSI: Channel State Information) khác Hiệu mơ hình đề xuất đƣợc đánh giá mơ phân tích tốn học Các kết mơ kiểm chứng xác kết phân tích lý thuyết Hơn nữa, biểu thức toán học đƣợc biểu diễn dƣới dạng tƣờng minh, giúp nhà thiết kế quy hoạch mạng dễ dàng việc đánh giá tối ƣu hệ thống mạng Bên cạnh đó, kết thu đƣợc đƣợc biện luận thêm để thấy đƣợc ƣu điểm bật mơ hình đề xuất Cuối cùng, để đúc kết toàn kết nghiên cứu đóng góp luận án, kết luận tổng thể đƣợc đƣa chƣơng cuối luận án v ABSTRACT This thesis presents the research on the performance of the multi-hop underlay cognitive radio networks (MUCRN) in which the secondary transmitters are limited power devices because of the maximum interference constraint required by the QoS of the primary network In this thesis, the author proposed and studied four different effective models In the first model, the secondary and primary networks can access the licensed bands simultaneously In this model, the data transmission in the secondary network is performed via multi-hop relaying technique, and adjacent single-antenna secondary nodes are placed to have Light-of-Sight Conversely, the primary transceivers are equipped with multiple antennas, which not only enhances the performance of the primary network but also increases the maximum allowed power of the secondary transmitters The results present the advantages of the proposed model in improving the end-to-end performances of the secondary network in terms of outage probability (OP) and intercept probability (IP) Further developing the first model, the second model proposes a multi-hop MIMO cognitive relaying protocol, where the secondary transceivers are equipped with multiple antennas Furthermore, the secondary transmitters in this model have to harvest the radio frequency originating from a power beacon (PB) for transmitting the source data Unlike the first model, the main performance metrics are studied in the second model are Secrecy Outage Probability (SOP) and Probability of Non-zero Secrecy Capacity (PNSC) Next, the third model concerns cooperative transmission protocol in MUCRN employing the energy harvesting technique from the radio frequency The proposed cooperative multi-hop protocol can enhance the diversity gain for the secondary network when all of the secondary transmitters and receivers have only a single vi antenna Moreover, the proposed cooperative multi-hop approach can skip some intermediate relays, reducing the end-to-end delay time As presented in the obtained results, the proposed protocol gets much better performance than the corresponding conventional one in terms of OP Moreover, optimization problems such as the optimal number of hops, optimal fraction of time used for the energy harvesting phase are also investigated The last model studies the multi-hop multi-path relaying protocols in UCRN The three protocols, named BEST, MAXV, and RAND, are presented and evaluated their secrecy performance over Rayleigh fading channel Based on the above protocols, one of the available paths between the secondary source and secondary destination is selected for the source-destination data transmission Moreover, discussions about Channel State Information (CSI) requirements are given to compare the complexity of the three proposed methods All of the models above are evaluated via both the mathematical analysis and simulation results The simulation results verify the accuracy of the theoretical ones Moreover, the analytical results are expressed by closed-form expressions, which can be used efficiently by designers in evaluating and optimizing the considered systems Also, the additional discussions on the obtained results are given to show clearly the advantages of the proposed models Finally, the last chapter presents the overall conclusions to summarize the obtained results and the contributions in this thesis vii hoạch lƣợng tối ƣu khơng phụ thuộc vào vị trí trạm Beacon trạm chuyển tiếp, cần bố trí gần mạng Nhƣ vậy, lĩnh vực nghiên cứu mạng chuyển tiếp, nhà nghiên cứu nƣớc gần nhƣ bắt kịp với xu hƣớng nghiên cứu giới 1.3 Kết luận chƣơng Những kết phân tích cho thấy đề tài “Nghiên cứu hiệu mạng truyền thông vô tuyến đa chặng điều kiện công suất phát hạn chế” hƣớng nghiên cứu khả thi giải đƣợc vấn đề cấp bách truyền thông Xuất phát từ nghiên cứu thành công trƣớc hiệu nhƣ bảo mật lớp vật lý mạng hai chặng, đề xuất nghiên cứu mạng đa chặng bƣớc phát triển Sử dụng mơ hình lý thuyết vơ tuyến nhận thức dạng (UCR) giải pháp hiệu để phục vụ nhiều ngƣời dùng dải tần hạn hẹp Các lý thuyết đặc tả đặc điểm môi trƣờng truyền tin chuyên biệt thu đƣợc kết sát với thực tế đo đạc Việc giải toán đa anten phân tập kiểu TAS/SC làm giảm bớt tính tốn nhƣ cập nhật CSI, thích hợp cho trạm xử lý muốn nâng cao hiệu nhƣng nhƣng khả tính toán hạn chế Đặc biệt, việc thu thập lƣợng vô tuyến để truyền tin với việc phát huy tính cộng tác phần tử truyền tin nội mạng đa chặng mục tiêu lẫn bên mạng giải pháp mang tính thực tiễn cao môi trƣờng truyền tin động, đại, phần tử mạng thay đổi nhanh chóng số lƣợng lẫn tính chất theo thời gian 27 Chƣơng CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu Luận án hoàn toàn dựa tảng lý thuyết tín hiệu, lý thuyết tốn để đánh giá, so sánh đặc điểm mạng vô tuyến điều kiện truyền tin khác Tuy nhiên, cách thức tiếp cận phân tích lý thuyết kỹ thuật truyền thơng tiên tiến gần phức tạp Vì vậy, phần sau trình bày số lý thuyết kỹ thuật truyền thơng có liên quan đƣợc sử dụng luận án 2.2 Đặc tả kênh truyền vơ tuyến Để đánh giá đặc tính kênh truyền vô tuyến, nhà nghiên cứu dựa vào mô hình tốn học mơ tả kênh truyền Sau số mơ tả tốn học kênh truyền đƣợc sử dụng cho luận án 2.2.1 Rayleigh fading Đây mơ hình kênh truyền phổ biến nghiên cứu [46, 77, 91-94] Đặc tả toán học kênh truyền đƣợc xây dựng từ giả thiết tín hiệu từ trạm phát đến trạm thu bị phản xạ mơi trƣờng truyền khơng có tín hiệu đến từ đƣờng trực tiếp tầm nhìn thẳng (LOS) [42] Độ lợi kênh truyền Rayleigh fading đƣợc mơ tả tốn học với hàm mật độ xác suất (PDF) phân bố xác suất (CDF) tƣơng ứng nhƣ sau: fU  u   U exp  U u  , (2.1) FU  u    exp  U u  , (2.2) với U  1/ U , giá trị kì vọng biến ngẫu nhiên U Trong lĩnh vực vô tuyến  U  XY  dXY với d XY khoảng cách từ trạm phát X đến trạm thu Y,  số mũ 28 mơ hình suy hao đơn giản d  tùy theo môi trƣờng truyền tin (đô thị, cận đô thị, nơng thơn,v.v…) 2.2.2 Rician fading Mơ hình kênh truyền Rician fading [16, 52] đƣợc sử dụng tín hiệu nhận đƣợc trạm thu phần chủ yếu đến từ đƣờng trực tiếp tầm nhìn thẳng [42] Độ lợi kênh truyền Rician fading  XY có hàm phân bố tƣơng ứng nhƣ sau: F XY  x    Q1   K D , 1  K D  D x , (2.3) với Q1 . hàm Marcum Q đƣợc định nghĩa [95] D  /  XY Giá trị K D tỉ lệ công suất đến từ hƣớng trực tiếp so với hƣớng khác tán xạ, đa đƣờng 2.3 Các mơ hình truyền thơng đa chặng Trong mạng đa chặng [16, 19, 93], liệu nguồn đƣợc chuyển tiếp đến đích thơng qua nhiều trạm chuyển tiếp trung gian (gọi relay) Hình 2.1 minh họa mơ hình chuyển tiếp đa chặng thơng thƣờng hoạt động chế độ Half-duplex, nút nguồn S0 gửi liệu đến nút đích S K thơng qua K - nút chuyển tiếp trung gian lần lƣợt đƣợc ký hiệu S1 , S2 , , SK 1 Mặc dù mơ hình thƣờng đƣợc sử dụng mạng thông tin vô tuyến đơn giản thiết kế triển khai nhƣng hiệu mạng bị suy giảm nghiêm trọng dƣới tác động fading kênh truyền nhiễu đồng kênh [96, 97] Hình 2.1: Mơ hình chuyển tiếp đa chặng thông thƣờng Giải pháp hiệu nhằm nâng cao hiệu mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng truyền thơng cộng tác Một số hình thức cộng tác nhƣ sau: † Mơ hình chuyển tiếp đa chặng cộng tác sử dụng nút chuyển tiếp nằm tuyến đƣợc thiết lập nguồn đích [17, 98] nhƣ Hình 2.2 29 Hình 2.2: Mơ hình chuyển tiếp đa chặng cộng tác sử dụng nút tuyến † Sử dụng mơ hình mạng cụm (Cluster) cho chuyển tiếp [99, 100] Hình 2.3 Hình 2.3: Mơ hình chuyển tiếp đa chặng cộng tác với giúp sức cụm † Kết hợp nhiều tín hiệu từ trạm trung gian khác tuyến [46, 59, 92] Trong Hình 2.4, S0  SK nhận liệu đƣợc gửi nút trƣớc Hình 2.4: Truyền thông cộng tác đa chặng sử dụng nút chuyển tiếp nội † Chọn lựa tuyến tốt từ nguồn đến đích [76, 77, 101] tồn lúc nhiều tuyến truyền liệu tƣơng đƣơng nhƣ Hình 2.5 Hình 2.5: Mơ hình đa chặng đa đƣờng sử dụng kỹ thuật chọn đƣờng tốt 30 2.4 Giao thức truyền thông mạng đa chặng 2.4.1 Giao thức chuyển tiếp thông tin Để truyền thông qua chặng, trạm chuyển tiếp trung gian cần phải sử dụng chung giao thức truyền thông Các hình sau mơ tả số giao thức phổ biến Hình 2.6: Giao thức Amplify-and-Forward (AF) Hình 2.7: Giao thức Decode-and-Forward (DF) Hình 2.8: Giao thức Randomize-and-Forward (RF) Trong giao thức AF [78, 102] Hình 2.6, trạm chuyển tiếp nhận tín hiệu khuyếch đại G lần trƣớc phát đến trạm kế mà không quan tâm đến thông tin Ngƣợc lại, giao thức DF [43, 79] Hình 2.7 trạm thu giải mã thơng tin xˆ , sau mã hố lại nhƣ cũ để phát Giao thức RF [72, 103] Hình 2.8 giống DF ngoại trừ thơng tin xˆ đƣợc mã hoá theo bảng mã khác chặng khác 2.4.2 Giao thức truy nhập kênh truyền Các thủ tục để chiếm giữ kênh truyền chủ yếu dựa vào lớp MAC với báo hiệu RTS/CTS theo IEEE 802.11 [104] Hình 2.9 vẽ lại Figure 9-4 tài liệu [104] Khi trạm phát muốn phát tín hiệu, trạm phát cần gởi RTS Trạm thu 31 nhận đƣợc gởi CTS đáp ứng với yêu cầu RTS Chỉ trạm phát nhận đƣợc CTS liệu phát đƣợc gởi Ngồi ra, CTS cịn đƣa thời gian chờ đợi để trạm khác muốn truy cập kênh truyền phải trì hỗn để trạm hồn thành phát liệu RTS/CTS hiệu trƣờng hợp độ dài khung RTS nhỏ so với liệu truyền [105] Hình 2.9: Giao thức truy nhập kênh truyền vơ tuyến IEEE 802.11 Trong truyền thông dạng cụm, đa anten, truyền thông cộng tác, nhà nghiên cứu thƣờng sử dụng kỹ thuật phân tập có lựa chọn [99, 106], phần tử đƣợc chọn ngẫu nhiên tốt theo tiêu chí Đơn cử nhƣ cụm sử dụng lựa chọn ngẫu nhiên, nút chủ cụm chọn ngẫu nhiên nút cụm để nhận (phát) liệu Đối với giao thức liên quan đến việc chọn lựa nút tốt cụm để tối ƣu độ lợi kênh, sử dụng giao thức MAC nhƣ tài liệu [107] Đầu tiên, nút phát cụm trƣớc gửi thơng điệp điều khiển đến tất nút cụm Sau nhận đƣợc thông điệp này, nút thiết lập định thời (timer) tỷ lệ nghịch độ lợi kênh chúng nút vừa phát Thời gian sau đó, nút hết trƣớc (là nút có độ lợi kênh lớn nhất) phát tín hiệu để xác nhận Các nút khác cụm nhận đƣợc tín hiệu dừng định thời Nút phát xác định dựa vào tiêu chí nút thu tốt Ngồi phƣơng pháp nhƣ [107], có nhiều đề xuất để thiết kế giao thức MAC khác Đặc biệt, cơng trình [108] đề cập đến giao thức MAC 32 mạng vô tuyến đa chặng [109] Bên cạnh đó, q trình truy nhập kênh truyền, trạm phát ƣớc lƣợng đƣợc CSI nhờ vào tín hiệu bắt tay 2.5 Chế độ hạn chế công suất phát Với truyền thông đại, mạng truyền thơng hoạt động vùng phủ sóng chung chia sẻ dải tần phục vụ Trong điều kiện nhƣ vậy, trạm thu phát phải chịu ràng buộc giới hạn công suất phát cơng suất thu để hoạt động Hình 2.10: Mơ hình hạn chế cơng suất phát dựa vào mức can nhiễu tối đa IP Hình 2.11: Mơ hình hạn chế dựa vào xác suất dừng mạng sơ cấp  OP Cơng trình [49] đƣa cách tính cơng suất phát tối đa đƣợc phép trạm phát thứ cấp mơ hình tƣơng tự Hình 2.10 nhƣ sau:    PS   Pth , IP  ,  S PU  33 (2.4) I P mức ngƣỡng can nhiễu tối đa mà PU giải mã đƣợc thơng tin mạng sơ cấp thƣờng đƣợc qui định trƣớc,  SPU độ lợi kênh truyền từ trạm phát thứ cấp sang trạm thu sơ cấp, Pth công suất tối đa phần cứng đáp ứng đƣợc trạm phát Trong trƣờng hợp có L trạm PU cơng thức (2.4) đƣợc viết dạng tổng qt nhƣ sau [110, 111]:  IP PS   Pth ,  max  S PUi i 1, , L     ,   (2.5) với i  1, 2, , L số PUi Nếu có tính đến ảnh hƣởng khiếm khuyết phần cứng, theo [C2], công suất trạm phát thứ cấp thứ k  1,  k  1,2, K  mạng đa chặng là: PS k 1  IP   Pth ,    I2  max  S PU   i k 1 i 1, , L     ,    (2.6)  I2 mức ảnh hƣởng nhiễu phần cứng kênh gây nhiễu Trong đó, dựa vào mức ngƣỡng xác suất dừng tối đa tuyến thơng tin sơ cấp  OP nhƣ Hình 2.11, cơng thức tính cơng suất phát tối đa trạm thứ cấp điều kiện hạn chế công suất nhƣ sau [44, 80]: PS k 1  PP S PR  k 1   Pth ,  P PT PR       L      1  ,      OP      (2.7) RP PP lần lƣợt tốc độ công suất phát trạm sơ cấp,  P  2RP  S k 1PR PT PR đƣợc tính nhƣ (2.2) Ngồi ra, kí hiệu  x  max  x,0  Tổng quát hơn, tác giả tài liệu [112] liệt kê cụ thể số trƣờng hợp sau: † Hạn chế can nhiễu (Interference constraint) † Hạn chế theo tốc độ (Rate constraint) 34 † Hạn chế theo công suất tổng (Total power constraint) † Hạn chế theo cấp phát cho kênh phụ (subchannel allocation constraint) † Hạn chế theo độ nhạy thu (receiver sensitivity constraint) 2.6 Khiếm khuyết phần cứng Khiếm khuyết phần cứng (HI) đƣợc đề cập đến nghiên cứu có tính đến ảnh hƣởng phần cứng không lý tƣởng lên hiệu hệ thống [113] Nguyên nhân nhiễu pha [114], cân I/Q [115, 116] hay tính chất phi tuyến khuyếch đại [117] Hình 2.12: Mơ hình tuyến thông tin không lý tƣởng Về mặt lý thuyết phân tích, có kênh truyền từ X đến Y, theo [J9] tín hiệu Y nhận đƣợc là: y  PX hXY  x  t   r  nY , (2.8) PX cơng suất trạm phát, x tín hiệu nguồn, hXY hệ số kênh truyền từ X đến Y Bên cạnh đó,  t  r biểu diễn mức nhiễu tín hiệu gây đặc tính khiếm khuyết phần cứng (đặc tính khơng lý tƣởng) đầu phát đầu thu tƣơng ứng Ngoài nY nhiễu AWGN đầu thu Theo [113, 118],  t  r mơ tả tốn học nhƣ biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian phức đối xứng vòng tròn (Circularly-symmetric complex Gaussian) với kỳ vọng không phƣơng sai tƣơng ứng là:  2 t   X,2 t ,  2 r   Y,2 r PX hXY Tiếp đến, tỉ số cơng suất tín hiệu nhiễu đầu thu cho bởi: 35 (2.9)  XY  PX hXY  X,t   Y,r  P 2 X hXY  N  P ,  P   N0 X XY XY X XY (2.10) 2 với  XY   X, t   Y,r đƣợc xem mức độ khiếm khuyết phần cứng ảnh hƣởng lên tuyến thông tin Ứng dụng mô hình trên, cơng trình [87, 110] khảo sát ảnh hƣởng phần cứng không lý tƣởng lên hiệu hệ thống, số khác [71, 118, 119] phân tích ảnh hƣởng mức khiếm khuyết phần cứng lên tính bảo mật hệ thống Ngồi việc khảo sát ảnh hƣởng phần cứng hệ thống MIMO [71], thu thập lƣợng vô tuyến [77] đƣợc quan tâm 2.7 Mạng vô tuyến dạng cụm Là mạng có trạm chuyển tiếp đƣợc xây dựng từ nhiều phần tử thu phát đặt gần tƣơng tự nhƣ Hình 2.3 cho chênh lệch cự ly thơng tin không đáng kể Ƣu điểm cách xếp tận dụng ngẫu nhiên kênh truyền từ trạm phát đến nhiều phần tử thu tƣơng đƣơng cụm, từ chọn lọc hay tổ hợp đƣợc tín hiệu thu tốt theo tiêu chí cụ thể để chuyển tiếp tín hiệu phía sau Hình 2.13: Mơ hình trạm vơ tuyến dạng cụm Điểm chung mơ hình dạng cụm cho phép phần tử (nút) cụm (trong số NX nút) đƣợc phép phát thông tin thời điểm, phần tử khác cụm phát nhiễu hay trạng thái nghỉ Tiêu chí chọn trạm phát cụm là: † Chọn ngẫu nhiên (RAND) [99, 100] † Chọn dựa vào dung lƣợng tối đa chặng (BEST), [120-122] [J5] † Chọn dựa vào dung lƣợng lớn từ nguồn đến đích (MAX) [99] 36 † Chọn dựa vào dung lƣợng thấp trạm phát nghe (MIN) [120] Về phía thu, trạm thu cụm (gồm có NY trạm) anten trạm thu nhận tín hiệu từ nguồn phát nhƣng kết tín hiệu thu đƣợc khác đặc tính ngẫu nhiên kênh truyền hSi D j Để chọn lọc hay tổ hợp tín hiệu nơi thu, có ba kỹ thuật phân tập tín hiệu thu sau đƣợc sử dụng nghiên cứu: NY † Maximal Ratio Combining (MRC) [123-125]  MRC    j (2.11) j 1 † Selection Combining (SC) [41, 121, 126]: † Equal Gain Combining (EGC) [127, 128]:  SC  max  j  (2.12) j 1,2, , NY  EGC  NY     j   j 1  NY (2.13) 2.8 Bảo mật lớp vật lý Lý thuyết bảo mật kênh truyền vô tuyến PLS lần đƣợc đƣa Wyner [33], sau [34] Vì số khó khăn thực thời điểm nhƣ xuất giải pháp bảo mật thay khác [129] nên PLS đƣợc nghiên cứu thêm Cho đến gần đây, Bloch cộng [67] đề xuất mơ hình bảo mật PLS nhƣ hình dƣới đây: ` Hình 2.14: Mơ hình tuyến thơng tin vơ tuyến bảo mật PLS Tín hiệu nhận đƣợc qua kênh (Bob) kênh nghe (Eva) nhƣ sau: 37 yD  PS hSD x  nD , (2.14) yE  PS hSE x  nE , (2.15) PS cơng suất trạm phát, x tín hiệu nguồn, hSD , hSE hệ số kênh truyền từ S đến D, E tƣơng ứng Dung lƣợng bảo mật kênh truyền vô tuyến:    S SD    ,    S SE     CSec  max 0,log   (2.16) Xác suất nghe từ Eva: IP  Pr  S SE   th  (2.17) Xác suất dừng bảo mật kênh truyền vô tuyến: SOP  Pr  CSec  Cth  (2.18) Xác suất dung lƣợng bảo mật khác không kênh truyền vô tuyến: PNSC  Pr  CSec   (2.19) 2.9 Thu hoạch lƣợng vô tuyến để truyền tin Thu hoạch lƣợng vô tuyến truyền tin đồng thời (SWIPT) cách thức trạm thu phát thu lƣợng từ sóng điện từ mơi trƣờng khơng gian xung quanh trạm phát mạng để phát tín hiệu chuyển tiếp nhƣ Hình 2.15 Hình 2.15: Mơ hình SWIPT thu lƣợng trạm thu phát chuyển tiếp Tuỳ theo giao thức thu hoạch lƣợng mà có mức lƣợng thu đƣợc khác Có hai giao thức Time Switching-based Relaying (TSR) Power Spliting-based Relaying (PSR) [78] Giao thức TSR dùng khoảng thời gian đầu  38 cho thu hoạch lƣợng, khoảng thời gian sau 1    chia cho hai trình từ nguồn đến trạm chuyển tiếp trạm chuyển tiếp đến trạm đích nhƣ Hình 2.16 Hình 2.16: Phân chia thời gian TSR Trong Hình 2.15, khơng tính CCI [78]: EH R   PS SR (2.20) Trong trƣờng hợp có tính CCI [130]: L   EH R    PS SR   PTi  Xi R ,    i 1 (2.21) Giao thức lại PSR chia hai phần cố định τ/2 time block nhƣ Hình 2.17, phần đầu thực đồng thời việc thu thập lƣợng nhận thông tin trạm trung gian theo hệ số phân chia công suất tƣơng ứng  1  Thời gian τ/2 sau thực truyền thơng tin từ trạm trung gian đến đích Hình 2.17: Phân chia công suất PSR Trong trƣờng hợp CCI [78]: EHR    2 PS SR Trong trƣờng hợp có CCI [130]: 39 (2.22) L   EH R       PS SR   PTi  Xi R ,    i 1 (2.23) Đối với mạng đa chặng, nhà nghiên cứu [77], [C3] cải tiến giao thức TSR để dùng cho mạng đa chặng nhƣ Hình 2.18 dƣới đây: Hình 2.18: Giao thức TSR cải tiến cho mạng đa chặng Năng lƣợng thu đƣợc khe thời gian thứ k trạm phát Sk (đƣợc trang bị N D anten) từ trạm phát lƣợng PB nhƣ sau: ND EHSk   PB   PBS u 1 k,u (2.24) 2.10 Kết luận chƣơng Nội dung chƣơng trình bày sở lý thuyết kỹ thuật truyền thông đƣợc sử dụng luận án đồng thời giải thích chi tiết thuật ngữ chuyên sâu nhƣ hạn chế công suất phát, bảo mật lớp vật lý, thu hoạch lƣợng vô tuyến để truyền tin với khiếm khuyết phần cứng Các lý thuyết góp phần xây dựng tảng vững mặt sở lập luận cho đề xuất, phân tích mơ hình mạng phần sau 40 Chƣơng MẠNG ĐA CHẶNG THỨ CẤP GỒM CÁC TRẠM THU PHÁT BỐ TRÍ TRONG TẦM NHÌN THẲNG 3.1 Giới thiệu Gầy đây, nhiều cơng trình nghiên cứu mạng chuyển tiếp hai chặng với kênh truyền Rayleigh fading [43-46, 131], Nakagami-m fading [47-49], Rician fading [16, 50, 51] đời Hầu hết nghiên cứu, kênh truyền vô tuyến chịu loại fading Trong thực tế mạng VANET [132], phƣơng tiện gần đƣợc xem nhƣ có đặc tả kênh truyền Rician Ngƣợc lại, phƣơng tiện xa hay trạm phát ngoại mạng kênh truyền Rayleigh Do cần nghiên cứu mơ hình mạng có nhiều đặc tả kênh truyền khác phù hợp với thực tế Ngồi ra, mạng vơ tuyến với số chặng lớn hai đƣợc kỳ vọng có vùng phủ sóng lớn nhƣng sử dụng cơng suất phát thấp [19] Vì vậy, nghiên cứu sinh đề xuất nghiên cứu mạng đa chặng thứ cấp hoạt động theo dạng vô tuyến nhận thức (MUCRN) với trạm chuyển tiếp đƣợc đặt tầm nhìn thẳng LOS, kênh truyền đặc tả Rician fading Ngƣợc lại, tầm nhìn từ trạm đến mạng sơ cấp NLOS đƣợc đặc tả Rayleigh fading Để đánh giá bảo mật thông tin, trạm nghe đƣợc đặt nơi có tầm nhìn thẳng LOS đến mạng đa chặng mục tiêu Các cơng trình trƣớc nghiên cứu sinh [C2, J9] cho thấy hiệu mạng đa chặng bị ảnh hƣởng lớn từ yếu tố PUs mạng sơ cấp Nhƣ vậy, ảnh hƣởng từ PUs giảm tăng hiệu mạng mục tiêu Dựa kết đó, nghiên cứu sinh đề xuất giải pháp trang bị nhiều anten mạng sơ cấp với mong muốn nâng cao hiệu mạng sơ cấp Từ đó, trạm phát thứ cấp có hội nâng cao cơng suất phát, cải thiện hiệu mạng Do trạm thu phát có khả tính tốn hạn chế, kỹ thuật phân tập TAS/SC đƣợc đề xuất sử dụng mạng sơ cấp có 41