Khảo sát thực trạng sử dụng phổ tần số nghiên cứu cải thiện hiệu suất và đề xuất các giải pháp sử dụng tần số động cho công nghệ vô tuyến nhận thức

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BỘ THÔNG TIN TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO NGHIỆM THU KHẢO SÁT THỰC TRẠNG SỬ DỤNG PHỔ TẦN SỐ, NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN HIỆU SUẤT VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP SỬ DỤNG TẦN SỐ ĐỘNG CHO CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Mã số: Chương Trình 1: Cơng Nghệ Thơng Tin GIS LÊ QUỐC CƯỜNG - VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 6/ 201 ỦY BAN NHÂN DÂN TP HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ BÁO CÁO NGHIỆM THU (Đã chỉnh sửa theo góp ý Hội đồng nghiệm thu) KHẢO SÁT THỰC TRẠNG SỬ DỤNG PHỔ TẦN SỐ, NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN HIỆU SUẤT VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP SỬ DỤNG TẦN SỐ ĐỘNG CHO CÔNG NGHỆ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI (Ký tên) CƠ QUAN CHỦ TRÌ (Ký tên/đóng dấu xác nhận) THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 06/2014 TĨM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Sự tăng trưởng nhanh chóng truyền thông vô tuyến gây nên khan phổ tần Điều phần gây sách phân bố phổ tần số định công nghệ vô tuyến nhận thức (CR) xem giải pháp hứa hẹn cho vấn đề Đặc điểm mạng vơ tuyến nhận thức người dùng khơng cấp phép (cịn gọi người dùng thứ cấp) có hội sử dụng vùng băng tần rỗi cấp phép cho hệ thống người dùng cấp phép (còn gọi người dùng sơ cấp) Tuy nhiên, để triển khai mạng vô tuyến nhận thức, việc quan trọng thực khảo sát tình trạng sử dụng tần số Trong đề tài này, thực khảo sát mức độ sử dụng phổ Việt Nam tầm 30 MHz – 3000 MHz thành phố thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai tỉnh Long An Mục đích việc đo đạc nhằm tìm hiểu cách thức vùng phổ vô tuyến phân bổ cho dịch vụ sử dụng Việt Nam đồng thời xác định vùng phổ tái sử dụng hệ thống thứ cấp tương lai định mức sử dụng thấp không dùng Các kết đo lường thực nghiệm cho thấy dịch vụ dùng cho truyền ti vi tương tự (tầm 470-806) chiếm mật độ sử dụng băng tần lớn Tuy nhiên, vùng phổ tiềm cho ứng dụng vô tuyến nhận thức thứ cấp mà trình chuyển đổi truyền hình tương tự sang số hoàn tất Bên cạnh kết đo đạc, chúng tơi đề xuất i) giải thuật tính tốn phổ tần trăng, ii) mơ hình mạng quản lý tần số đa điểm phù hợp với ứng dung vô tuyến nhận thức ii) đề xuất kỹ thuật MIMO để cải thiện hiệu mạng thứ cấp vô tuyến nhận thức i SUMMARY OF RESEARCH CONTENT The rapid growth of demand for wireless transmission has placed great pressure on the scarce radio spectrum due to the fixed spectrum allocation policy and cognitive radio (CR) is considered as a promising solution to such a problem The main idea behind a cognitive radio network is for the unlicensed users (also called secondary users) to exploit opportunistically the underutilized spectrum licensed to a licensed network (referred to as a primary network) Before investigating the technical and political implications of CR, it is important to know to what extent the licensed bands are temporally unoccupied In this report, for the first time, we investigate the spectrum usage pattern in Vietnam in the frequency bands ranging from 30 MHz to 3000 MHz in Ho Chi Minh City, Dong Nai and Long An province The purpose of the measurement is to find how the scarce radio spectrum allocated to different services is utilized in Vietnam and identify the bands that could be accessed for future opportunistic use due to their low or no active utilization The experiment results also show that the spectrum band assigned for analog television (470-806) is the highest occupancy band However, this is also the most promissing band for cognitive wireless applications Beside the measurement results, we also propose i) the algorithm for Television white space (TVWS) channel calculation ii) a monitoring network for spectrum governance, which is applicable for CR applications and iii) MIMO technology for cognitive underlay networks to improve its performance ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin chân thành cảm ơn thành viên đề tài tận tình hỗ trợ suốt trình thực đề tài Chúng tơi xin cảm ơn Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, Cơ Sở TP Hồ Chí Minh, tạo điều kiện để chúng tơi thực hiện, triển khai, hồn thành đề tài Chúng tơi xin gửi lời tri ân đến Trung tâm Tần số vô tuyến điện khu vực II, nhiệt tình hỗ trợ mặt kỹ thuật suốt trình triển khai dự án Chúng xin đặc biệt cảm ơn thành viên Phịng Thí Nghiệm Thơng Tin Vơ Tuyến, TS Trần Trung Duy, ThS Từ Lâm Thanh, ThS Nguyễn Thị Đan Ngọc đặc biệt KS Nguyễn Hữu Phong (Trung tâm BRAC), nhiệt tình hỗ trợ trình triển khai đề tài Chủ nhiệm đề tài TS Lê Quốc Cường - TS Võ Nguyễn Quốc Bảo Thành viên đề tài ThS Lê Quang Phú - ThS Trần Đình Thuần - ThS Lâm Minh Trung - Nguyễn Thiện Quý iii MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1 GIỚI THIỆU CHUNG CÁC ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CHÍNH SÁCH PHÂN BỐ PHỔ TẦN TẠI VIỆT NAM A B C D XU HƯỚNG CÔNG NGHỆ VÀ CHÍNH SÁCH PHỔ TẦN TRÊN THẾ GIỚI Các hệ thống thông tin di động tế bào 20 Công nghệ phát truyền hình số 22 Các hệ thống vệ tinh 23 Các hệ thống vô tuyến công suất thấp 23 CHƯƠNG II KHẢO SÁT HIỆU SUẤT SỬ DỤNG PHỔ TẦN 25 DẪN NHẬP 25 Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI VỀ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 29 A B THIẾT LẬP VÀ QUY TRÌNH ĐO 30 Hệ thống đo đạc 30 Tính tốn ngưỡng nhiều 32 ĐỘ CHIẾM DỤNG PHỔ TẦN 33 A B C KẾT QUẢ ĐO ĐỘ CHIẾM DỤNG PHỔ TẦN VÀ NHẬN XÉT 35 Kết đo đạt 35 Phân tích thảo luận 100 Kết luận 120 CHƯƠNG III CHÍNH SÁCH VÀ CHUẨN LIÊN QUAN ĐẾN CHÍNH SÁCH PHÂN BỔ PHỔ TẦN ĐỘNG 122 A B C D GIỚI THIỆU 122 White Space gì? 122 Kỹ thuật Cognitive Radio 123 Thiết bị TV White Space 124 Lộ trình số hóa truyền hình Việt nam 126 A B C D E F CÁC QUY TẮC, TIÊU CHUẨN CHO THIẾT BỊ CR HOẠT ĐỘNG TRÊN BĂNG TVWS 126 Quy tắc FCC 126 OFCOM 128 Tiêu chuẩn ECC Report 159 129 ETSI 129 ECMA 392 129 Tiêu chuẩn IEEE 802.22 WRAN 130 A B C D E F G TÌNH HÌNH TRIỂN KHAI MẠNG TVWS TRÊN THẾ GIỚI 132 Mỹ 132 Anh 132 Canada 133 Phần Lan 133 Nam Phi 133 Ireland 133 Nhật Bản 134 iv H Một số quốc gia khác 134 Tình hình triển khai mạng TVWS CR Việt Nam sách liên quan 134 CHƯƠNG IV ĐỀ XUẤT CÁC GIÁI PHÁP VÀ MƠ HÌNH MẠNG VƠ TUYẾN NHẬN THỨC SỬ DỤNG TV WHITE SPACE 136 ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH MẠNG QUẢN LÝ TẦN SỐ ĐỘNG ĐA ĐIỂM 136 A B C D E F ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH TÍNH TỐN PHỔ TẦN TRẮNG 142 Các phương pháp truy nhập phổ TVWS 143 Mơ hình hệ thống mạng sơ cấp (TV) thứ cấp (CR) 148 Mơ hình dự đốn cường độ trường theo khoảng cách cho trạm TV 150 Mơ hình truyền sóng thiết bị CR máy thu TV 157 Mơ hình thuật tốn điều khiển công suất đề xuất cho CR 166 Kết mô thảo luận 186 ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH CẢI THIỆN HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 195 CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 205 KẾT LUẬN 205 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 210 TÀI LIỆU THAM KHẢO 211 PHỤ LỤC 219 PHỤ LỤC 1: PHẦN MỀM ĐO ĐẠC VÀ QUẢN LÝ ROHDE&SCHWARZ (ARGUSMON VERSION 5.2) 219 PHỤ LỤC : PHÂN BỔ TẦN SỐ BĂNG UHF (470-806 MHZ) CHO TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT 247 QUYẾT TỐN KINH PHÍ 249 MINH CHỨNG 250 HỒ SƠ ĐỀ TÀI 251 v DANH MỤC HÌNH Hình Bảng phân chia khu vực quản lý tần số giới Hình Sơ đồ hệ thống đo đạt 30 Hình Hệ thống đo đạt: phòng hệ thống Trung tâm Tần số vô tuyến điện khu vực II (Đường Trần Lưu - Khu đô thị An Phú An Khanh Phường Trần Phú - Quận - Tp Hồ Chí Minh) 32 Hình Hệ thống anten thực địa 32 Hình Lưu đồ kiểm sốt độ chiếm dụng phổ tần 34 Hình Bản đồ trạm đo cố định Tp Hồ Chí Minh 35 Hình Mật độ phổ cơng suất trung bình khoảng tần số từ 20 – 1000 MHz TP Hồ Chí Minh 103 Hình Mật độ phổ cơng suất trung bình khoảng tần số từ 1000 – 3000 MHz TP Hồ Chí Minh 103 Hình Amateur 30-54 MHz 104 Hình 10 Broadcasting (FM radio) 54-68 MHz 104 Hình 11 Aeronautical Radionavigation/Analog TV 68-87 MHz 105 Hình 12 Broadcasting (FM radio) 87-108 MHz 105 Hình 13 Aeronautical Radionavigation, Aeronautical Mobile (R), Mob Sat (SE)/Fixed/Mobile, Amateur/Amateur Satellite, Fixed/Mobile 108-174 MHz 106 Hình 14 Broadcasting (TV channels to 13) 174-230 MHz 106 Hình 15 Fixed/Radionavigation Sat./Meteorological Aids 230-406 MHz 107 Hình 16 Fixed/Radiolocation/Land Mobile 406-470 MHz 107 Hình 17 Broadcasting (TV channels 14 to 20)/Fixed 470-806 MHz 108 Hình 18 Fixed/Land mobile 810-960 MHz 108 Hình 19 Aeronautical Radionavigation 960-1350 MHz 109 Hình 20 Radio location/Earth Expl Sat./Radio Astronomy 1350-1427 109 Hình 21 Fixed 1427-1525 MHz 110 Hình 22 Mobile Satellite 1525-1660,5 MHz 110 Hình 23 Radio Astronomy/Space Research/Meteological Aids/Mobile/Fixed 17102300 MHz 111 Hình 24 Fixed/Mobile/Aeronatical navigation/Radiolocation 2300-3000 MHz 111 Hình 25 Độ chiếm dụng phổ tần trung bình TP Hồ Chí Minh 114 Hình 26 Độ chiếm dụng phổ tần trung bình Long An 115 Hình 27 Độ chiếm dụng phổ tần trung bình Đồng Nai 116 Hình 28 So sánh độ chiếm dụng phổ tần trung bình TP Hồ Chí Minh, Long An, Đồng Nai 117 Hình 29 Băng thông chiếm dụng thực tế dải tần TP Hồ Chí Minh, Long An, Đồng Nai 118 Hình 30 So sánh mức độ chiếm dụng trung bình 119 Hình 31 So sánh độ chiếm dụng phổ tần trung bình TP Hồ Chí Minh New York 120 Hình 32 Minh họa phổ TV White Space (DTT: Digital Terrestrial Television, PMSE: Programme Making and Special Events) 122 Hình 33 Băng UHF TV Anh sau chuyển sang truyền hình số (nguồn [47]) 124 Hình 34 Thiết bị TV White Space hãng Carlson-Mỹ (nguồn [50]) 125 vi Hình 35 Tám vùng quản lý phổ tần Việt Nam 138 Hình 36 Mơ hình mạng quản lý tần số đa điểm có sử dụng thiết bị đo đạc di động 141 Hình 37 Hiệu ứng “hidden node” đường tín hiệu bị che khuất 144 Hình 38 Mơ hình hệ thống TVWS sử dụng sở liệu định vị bao gồm tần số cịn trống băng truyền hình cho hoạt động CR theo tần số, vị trí thời gian 147 Hình 39 Mơ hình triển khai mạng TV White Space theo [95] 150 Hình 40 Khoảng cách an tồn tỉ số D/U trường hợp đồng kênh kênh liền kề cho truyền hình số Mỹ với D/U =23 dB cho đồng kênh, D/U= -26 dB cho kênh liền kề, với mức cường độ trường tối thiểu vùng biên 41 dBu 150 Hình 41 Điểm NLC theo cách gọi FCC 152 Hình 43 Xe đo cường độ trường với cột anten điều khiển 154 Hình 44 So sánh kết đo cường độ trường với hai mơ hình lý thuyết 157 Hình 45 Mơ hình hai tia 159 Hình 46 Thiết bị Rural Connect bao gồm BS (trái) CPE (phải) 162 Hình 47 Các vị trí lắp đặt CPE Q.9, TP.HCM 163 Hình 48 So sánh mơ hình free space, two-ray, Okumura-Hata kết đo 166 Hình 49 Mơ hình keep-away region, trạm CR phải giữ khoảng cách an toàn để tránh nhiễu đồng kênh 167 Hình 50 Mơ hình keep-away gồm thơng số dùng cho tính tốn 168 Hình 51 Xung đột với trạm phát khác 172 Hình 52 Lưu đồ thuật tốn keep-away [77] 173 Hình 53 Mơ hình thuật tốn điều khiển cơng suất [78] 174 Hình 54 Mơ hình nhiễu thiết bị CR (WSD) mạng truyền hình 176 Hình 55 Lưu đồ thuật tốn điều khiển cơng suất [78] 178 Hình 56 Vị trí trạm danh sách kênh hoạt động Đài Truyền Hình 180 Hình 57 Mơ hình đề xuất triển khai mạng IEEE 802.22 180 Hình 58 Lưu đồ thuật tốn đề xuất với I số trạm TV 183 Hình 59 Số kênh TVWS 10 vị trí khác khu vực Nam Bộ 189 Hình 60 So sánh số kênh TVWS hai thuật tốn 194 Hình 61 Số kênh TVWS cho thiết bị CR 22 vị trí khác nhau: có khơng có kênh liền kề TV 195 Hình 62 Hệ thống SIMO dạng kênh truyền fading tương quan 197 Hình 63 Xác suất dừng hệ thống với R    PU  (0.8,0.8) 203 Hình 64 Khảo sát ảnh hường hệ số tương quan, R    PU  (0.5,0.5) 204 Hình 65 Giao diện ESMB 226 Hình 66 Giao diện lựa chọn tần số 227 Hình 67 Giao diện định nghĩa measurement 228 Hình 68 Giao diện timing 229 Hình 69 Giao diện automatic meas 230 Hình 70 Giao diện navigator 231 Hình 71 Giao diện Navigator 232 Hình 72 Giao diện lựa chọn ngưỡng 233 Hình 73 Giao diện phân tích độ chiếm dụng 234 Hình 74 Giao diện lựa chọn thơng số để phân tích độ chiếm dụng kênh 235 Hình 75 Giao diện phân tích kết độ chiếm dụng theo % 236 Hình 76 Giao diện lựa chọn loại đồ thị biểu diễn 237 vii Hình 77 Giao diện dạng 3DW 238 Hình 78 Giao diện lựa chọn tần số phân tích 239 Hình 79 Giao diện Overshot frequency 240 Hình 80 Giao diện cung cấp thơng tin file 240 Hình 81 Giao diện lựa chọn mức ngưỡng 241 Hình 82 Giao diện cung cấp số liệu thống kê thời gian phát tín hiệu kênh thời gian nghỉ lần phát 242 Hình 83 Phân bổ kênh tần số băng UHF cho truyền hình mặt đất (nguồn [69]) 247 viii The first NAFOSTED Conference on Information and Computer Science particular, the authors in [9] studied the outage probability (OP) of dual hop equally correlated Rayleigh fading channels It is shown that the diversity order is equal to the number of available relays regardless of the correlation coefficient values Taking into account the effect of co-channel interference (CCI), Sekulovic et al investigated the outage performance of single hop selection combiner using exponential correlation model [10] However, all of the above-mentioned works limit their focus on the impact of correlated fading channels in un-cognitive systems In this paper, we for the first time investigate underlay SIMO networks over equally correlated rayleigh fading channels In particular, the exact closed-form and asymptotic form of the system outage probability are derived It is shown that the system performance will be degraded considerably when the correlation coefficient is sufficiently high The rest of this paper is organized as follows In Sect 2, the system model under consideration is presented while the exact and asymptotic performance analyses in terms of outage probability over Rayleigh fading channels are presented in Sect In Sect 4, we provide some typical numerical results to verify the analysis Finally, we conclude this paper in Sect System Model P hf h1 Tx h2 Rx Fig Cognitive radio over correlated Rayleigh fading The system under consideration is illustrated in Fig 1, where the secondary network operates on the same frequency band licensed to the primary network (P) The secondary network consists of one single-antenna transmitter (Tx) and one receiver (Rx), which is equiped with two antennas3 Here, we limit our model on two receiving antennas, but it can be straighforwardly extended to multi antennas with the same analysis approach 65 The first NAFOSTED Conference on Information and Computer Science Let us denote hi with i ∈ (1, 2) as the channel coefficient of the channel from Tx to antenna i of Rx Taking into account correlation effect among adjacent antennas, hi can be modeled by making use the approach in [12, 13] as follows:  p p √ √ (1) hi = − ρXi + ρX0 + j − ρYi + ρY0 , √ where j = −1 Furthermore, X0 , Y0 , Xi , and Yi are the set of normal distribution RVs with zero mean and variance λ/2 [12] Here, ρ denotes the cross correlation coefficient between h1 and h2 , given by E {h1 h∗2 } ρ= r n o, o n 2 E |h1 | E |h∗2 | 0≤ρ≤1 (2) In (2), E {X} and X ∗ respectively denote the average and the complex conjugate of X By adopting the same steps as in [13], the channel gain, |hi | , conditioned 2 on U = X0 + Y0 , will follow non central chi-square distribution with two  de√ (1−ρ)λ ρu, The grees of freedom and noncentrality parameter ρu, i.e., χ2 contiditonal cumulative distribution function (CDF) of |hi | is given by [14] s s ! 2ρu 2z F |hi |2 |U (z|u) = − Q , (3) , (1 − ρ) λ (1 − ρ) λ where Q (a, b) is Marcum-Q function defined in [15, Eq 1] For the underlay approach, the transmit power of the secondary network is constrained by the maximum tolerable interference power at the primary receiver, Ip Mathematically, we have P = Ip |hf | 2, (4) where hf denotes the channel coefficient of the interference link from Tx to the primary receiver For Rayleigh fading, |hf |2 is exponentially distributed with parameter ω As a result, we can write the end-to-end SNR at Rx with selection combining as γΣ = max(γ1 , γ2 ), (5) where γi = P |hi |2 /N0 with N0 being the noise variance 3.1 Performance Analysis Exact Outage Probability Outage probability is defined as the probability that the end-to-end SNR falls below a certain predetermined threshold SNR, γth Mathematically, we have OP = Pr(γΣ ≤ γth ), 66 (6) The first NAFOSTED Conference on Information and Computer Science where γth = 2R − with R being the expected data rate It is easy to observe that γ1 and γ2 have two common random variables, i.e., U and hf To obtain OP, the conditional probability approach is adopted Starting from F |hi |2 |U (z|u) and making the fact that γ1 |(U, T ) is independent on γ2 |(U, T ), we can write OP = Z∞ Z∞ FγΣ |(U,T ) (γth |(u, t))fU (u)fT (t)dudt = Z∞ Z∞ Fγ1 |(U,T ) (γth |(u, t))Fγ2 |(U,T ) (γth |(u, t))fU (u)fT (t)dudt 0 0 (7) where T = |hf |2 Substituting (3) into (7) and after some manipulations yields Z∞ Z∞ ( s 2ρu , (1 − ρ) λ s 2γth tN0 OP = − 2Q (1 − ρ) Ip λ 0 s s " !#2   2ρu 2γth tN0 + Q ,  (1 − ρ) λ (1 − ρ) Ip λ    u t 1 dudt exp − × exp − ω ω λ λ ! (8) With the help of the identities [15, √ Eq 36] and [15, Eqs 59] and then making a change of variables, namely g = u, (8) can be rewriten as OP = Z∞   √ − 2Q 0, b t − exp −  tb2 λ (a2 + p2 )  √ !#   p2 tb2 ab t + exp − × − Q 0, p a + p2 a + p2 s ! √ √ a2 b t (a2 + p2 ) ,b t ×Q p (2a2 + p2 ) (a2 + p2 ) (2a2 + p2 ) s " !# √ √ (a2 + p2 ) a2 b t + 1−Q b t ,p (2a2 + p2 ) (a2 + p2 ) (2a2 + p2 )     t p2 tb2 dt, exp − × exp − a + p2 ω ω " where a = q 2ρ (1−ρ)λ , b= q 2γth N0 (1−ρ)Ip λ and p2 = λ2 67 (9) The first NAFOSTED Conference on Information and Computer Science Finally, by making a change of variables again, i.e., ℓ = probability of system is given by √ t, the outage
  2λ a2 + p2 OP =1 − J1 0, b, , − ω ω λ (a2 + p2 ) + ωb2  !  ab b2 + J1 0, p ,0 + ,2 ω ω λ (a2 + p2 ) a + p2 s  !  (a2 + p2 ) a2 b p b2 + J2 p ,0 ,2 + ,b ω (p2 + 2a2 ) ω a + p2 (a2 + p2 ) (p2 + 2a2 ) s   ! (a2 + p2 ) a2 b p b2 ,2 − J2 b ,0 ,p + ω (p2 + 2a2 ) ω a + p2 (a2 + p2 ) (p2 + 2a2 )
a + p2 , (10) + (a2 + p2 ) + ωp2 b2 where J1 and J2 are two auxilary functions, respectively defined as follows: J1 (b, a, p, c) = J2 (a, b, p, c) = Z∞ c Z∞ c  px2 x exp −  Q (b, ax) dx, px2 x exp −  Q (ax, bx) dx  (11) With the help of [15, Eq 40] and [15, Eq 55], J1 and J2 can be obtained in a closed form as J1 (b, a, p, c) = and      pc2 a2 b2 p exp − Q (b, ac) − exp − p p + a2 (a2 + p) !# p ab , c a2 + p (12) ×Q p a +p " ! r r   s−r s+r pc2 t J2 (a, b, p, c) = exp − Q (ac, bc) + Q c ,c p r 2     
t sc (13) − 1+ exp − I0 abc2 , r where s = p + a2 + b2 , t = p + a2 − b2 , r = 68 √ s2 − 4a2 b2 The first NAFOSTED Conference on Information and Computer Science 3.2 Asymptotic Outage Probability To gain insights on the system performance, we next derive the asymptotic expression for OP By making use the binomial expansion, i.e., (1 + x) −n = − nx +
n (n + 1) x + O x2 (14) the OP can be asymptotically approximated as γ→∞ OP ≈ A + where  1  B (1 − A) + C + B (A − 1) , γ (γ) A =q B= C= c−e , (f + c + e) − 4ce λ (a2 ωp2 γth , + p2 ) (1 − ρ) 4(ωaγth ) 2 − λρ2
2, λ3 (a2 + p2 ) (1 − ρ) a4 d c= , (a + p ) (p2 + 2a2 ) 2γth , d= (1 − ρ) λ
d a + p2 e= , (p + 2a2 ) p2 d f= a + p2 (15) (16) Numerical Results In this section, Monte-Carlo simulation results are provided to verify the correctness of the analysis For illutrative purpose, we consider a 2-D normalized plane, where the secondary transmitter and receiver are placed at coordinates (0,0) and (1,0), respectively Taking into the pathloss effect, we model the channel gains as λ = d−η ij , where dij denotes the distance between node i and j and η is the pathloss exponent Fig shows the system outage probability as a function of Ip /N0 As can be observed from Fig 2, the analysis results are in excellent agreement with the simulation for all cases of ρ Furthermore, when the correlation coefficient ρ approaches one, the system diversity gain limits to However, the system achieves full diversity of two since two branches are independent, i.e., ρ = We also observe that the gap between two curves ρ = and ρ = 0.5 is quite small at high SNRs regime, e.g., dB 69 The first NAFOSTED Conference on Information and Computer Science 10 −1 Outage Probability 10 ρ=1 −2 10 ρ = 0.5 ρ=0 Analysis Asymptotic Simulation −3 10 10 15 Ip /Np 20 25 Fig OP vs Ip /N0 with R = 1, η = and PU = (0.8,0.8) 70 30 The first NAFOSTED Conference on Information and Computer Science 10 −1 Outage Probability 10 −2 10 ρ = 0, 0.1, 0.7, 0.8, 0.9, −3 10 Analysis Asymptotic Simulation −4 10 10 15 Ip /N0 20 25 Fig OP vs Ip /N0 with R = 1, η = and PU = (0.5,0.5) 71 30 The first NAFOSTED Conference on Information and Computer Science The impact of ρ on the outage probability is illustrated in Fig by varying ρ from to In particular, we consider cases of ρ, i.e., 0, 0.1, 0.7, 0.8, 0.9 and We can see that the system will achieve the same diversity order if ρ is smaller than Stated another way, the diversity of one is obtained if ρ = Acknowledgments This work was supported by Project 272/HD-SKHCN granted by Ho Chi Minh City Department of Science and Technology Conclusion In this paper, we have derived outage probability of dual branches equally correlated Rayleigh fading It is proven that the diversity order of the considered system is in between and and depends on the correlation coefficient value Moreover, the numerical results are presented to confirm our analysis References S Haykin, Cognitive Radio: Brain-Empowered Wireless Communications, IEEE J Sel Areas Commun., vol 23, no 2, pp 201–220, Feb 2005 I F Akyildiz, W Y Lee, M C Vuran, and S Mohanty, A Survey on Spectrum Management in Cognitive Radio Networks, IEEE Commun Mag., vol 46, no 4, pp 40–48, Apr 2008 T T Duy, and H Y Kong, Performance Analysis of Two-Way Hybrid Decodeand-Amplify Relaying Scheme with Relay Selection for Secondary Spectrum Access, Wirel Pers Commun., vol 69, no 2, pp 857–878, Jul 2012 V N Q Bao, D Q Trung, 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, no 3, pp 475–478, Mar 2013 T Q Duong, P L Yeoh, V N Q Bao, M Elkashlan, and N Yang, Cognitive Relay Networks with Multiple Primary Transceivers Under Spectrum Sharing, IEEE Signal Process Lett., vol 19, no 11, pp 741–744, Nov 2012 T L Thanh, V N Q Bao, and B An, On the Performance of Outage Probability in Underlay Cognitive Radio with Imperfect CSI, In Proc IEEE International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC’13), Ho Chi Minh, Vietnam, Oct 2013, pp 125–130 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, no 16, pp 2750–2759, Nov 2012 M Elkashlan, P L Yeoh, N Yang, D Q Trung, and C Leung, A Comparison of Two MIMO Relaying Protocols in Nakagami-m Fading, IEEE Trans Veh Technol., vol 61, no 3, pp 1416–1422, Mar 2012 N V Binh, R O Afolabi, and K Kim, Dependence of Outage Probability of Cooperative Systems with Single Relay Selection on Channel Correlation, IEEE Commun Lett., vol 17, no 11, pp 2060–2063, Nov 2013 72 The first NAFOSTED Conference on Information and Computer Science 10 N Sekulov´ıc, M Stefanov´ıc, D Den´ıc, and D Aleks´ıc, Performance Analysis of Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio-based Selection Diversity over Correlated Rayleigh Fading Channels, IET Commun., vol 5, no 2, pp 127–134, Jan 2011 11 T Sanguanpuak, N Rajatheva, and A Taparugssanagorn, Performance Analysis of OSTBC for Partial Relay Selection with Correlated Antennas over Nakagami-m Fading, IEEE Wirel Commun Lett., vol 2, no 3, pp 355–358, Jun 2013 12 Y Chen, and C Tellambura, Performance of L-Branch Diversity Combiners in Equally Correlated Rician Fading Channels, In Proc IEEE Global Telecommunications Conference, GLOBECOM ’04, Dallas, Texas, Dec 2004, pp 3379–3383 13 Y Chen, and C Tellambura, Distribution Functions of Selection Combiner Output in Equally Correlated Rayleigh, Rician, and Nakagami-m Fading Channels, IEEE Trans Commun., vol 52, no 11, pp 1948–1956, Nov 2004 14 M R Bhatnagar, On the Capacity of Decode-and-Forward Relaying over Rician Fading Channels, IEEE Commun Lett., vol 17, no 6, pp 1100–1103 , Jun 2013 15 A H Nuttall, Some integrals involving the Q-function, DTIC Document, 1972 73 International Conference on Green and Human Information Technology (ICGHIT) 2014 Outage Performance with Selection Decode and Forward in Cognitive Radio with Imperfect CSI Tu Lam Thanh∗ , Vo Nguyen Quoc Bao † Tran Trung Duy† and Nguyen Luong Nhat ∗ ∗ School of Electronics Engineering Posts and Telecommunications Institute of Technology, Vietnam † School of Telecommunications Posts and Telecommunications Institute of Technology, Vietnam Email: {thanhtl, baovnq, trantrungduy, nhatnl}@ptithcm.edu.vn Abstract—In underlay cognitive radio (CR) scheme, the primary users (PUs) will not be protected completely when the channel state information (CSI) of interference links between two networks is imperfect In this paper, we derive the exact closed-form expression of interference probability (IP) at primary networks owing to imperfect CSI between two systems by adopting the Selection Decode and Forward (SDF) at relay node It is shown that IP depends not only on the maximal tolerance level Ip but also on the outage threshold γth of secondary networks Moreover, a back-off power control scheme is applied in order to ensure that IP at primary user below an acceptable level The outage probability of secondary networks is also derived with two different techniques at destination, i.e., selection combining (SC) and maximal ratio combining (MRC) Some numerical results are provided to verify our analysis results Index Terms—Cognitive Radio, Imperfect CSI, Outage Probability, Underlay, Selection Decode and Forward I I NTRODUCTION Wireless communications is predicted to become the most important fields in telecommunications with dramatically growing in recent However, study in [1], [2] have reported that most of licensed spectrum are underutilized The inefficiency of using spectrum bands has lead to promote a new technology called cognitive radio Being introduced by Mitola and Maguire in [3], the principle idea of cognitive radio (CR) is permitted unlicensed users (secondary users-SUs) coexist with primary users (PUs) in the same frequency bands To achieve this, two spectrum sharing protocols have been proposed in [4] by Goldsmith, i.e., overlay and underlay For underlay scheme, the secondary users and primary users can operate simultaneously as long as the interference temperature [5] at primary users is not exceeded Such this protocol guarantees the reliable operation of primary networks regardless of secondary activity Although underlay approach is the best solution for CR networks, it also has a drawback that is short coverage area due to limiting transmit power On the other hand, relay communications has become an attracted technology recently because it is an efficient method for combating the fading effect of wireless channels and extending coverage range Thus, by combining relay communications into CR networks, the performance of secondary users can be improved significantly [6]–[8] In particular, Bao et al in [6] has studied the performance of multihop cognitive 978-1-4799-3792-9/14/$31.00 ©2014 IEEE underlay with several important metrics, namely outage probability (OP), bit error rate and ergodic capacity Moreover, the author also finds out the optimal relay position for minimizing outage probability and bit error rate In [7], the author has addressed the outage probability of opportunistic relaying for secondary networks with impact of multiple primary users It is shown that the diversity order only depends on number of relays as well as fading severity of Nakagami-m channels and independent of number of primary users However, all of the above-mentioned works study performance of CR networks with assume that the channel state information (CSI) of interference links between two networks is perfect In fact, obtaining the perfect CSI between two systems is considerably difficult on account of various reasons, i.e., feedback delay, error or channel estimator out of order As a result, some works have been done on studying this effect [9]–[11] Different with those works, in this paper, we derive the exact closed-form expression of interference probability in case of adopting selection decode and forward (SDF) at relay Next, based on the interference probability constraint, the outage probability of secondary networks is derived with using either selection combining (SC) or maximal ratio combining (MRC) at destination The rest of this paper is organized as follows: In section II, we present our system model The interference probability of primary networks is provided in section III In this section, we also study the outage probability of secondary networks with two techniques combining at destination Next in section IV, numerical results based on Monte-Carlo method are presented to confirm our analysis Finally, we sum up this paper in section V II S YSTEM M ODEL As can be observed in Fig 1, the system model includes two networks, i.e., secondary and primary, respectively The first one, secondary networks consist of one source node S, one destination D and one relay node R, while the second one has a Primary User (PU) All nodes are assumed to be equipped with one antenna and operated in half duplex mode The information transmits from source to destination over two phases In the first phase, S broadcasts its modulated signal to the relay and destination Due to adopting selection 156 International Conference on Green and Human Information Technology (ICGHIT) 2014 Data links Interference links PU are given by [10] fr f e (x, y) = |fj | , fj fs R h1   x+y exp − (1−ρ )λ j λ2j (1 − ρ2 )  I0  √ 2ρ xy , (1 − ρ2 ) λj (4)   y