Luận án tiến sĩ kỹ thuật 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 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN HỒNG GIANG NGHIÊN CỨU MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC DI ĐỘNG BĂNG RỘNG VỚI ĐIỀU KIỆN THÔNG TIN TRẠNG THÁI KÊNH TRUYỀN KHƠNG HỒN HẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - 2017 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN HỒNG GIANG NGHIÊN CỨU MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC DI ĐỘNG BĂNG RỘNG VỚI ĐIỀU KIỆN THÔNG TIN TRẠNG THÁI KÊNH TRUYỀN KHƠNG HỒN 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 ĐÀ NẴNG - 2017 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan kết trình bày Luận án cơng trình nghiên cứu 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, ngày 20 tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Hồng Giang Luận án tiến sĩ Kĩ thuật LỜI CẢM ƠN Trong q trình nghiên cứu hồn 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 trình nghiên cứu hoàn thành Luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn khoa Công nghệ Thông tin, trường ĐHBKĐHĐN 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - - MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG xii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC xiii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THƠNG HỢP TÁC 14 1.1 Phân loại mạng khơng 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 Ảnh hưởng 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật -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 Ý tưởng 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 TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC MIMO VÀ MẠNG CHUYỂN TIẾP HỢP 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - ii - 2.2 Mạng chuyển tiếp hợp tác đa chặng 63 2.2.1 Nghiên cứu liên quan 63 2.2.2 Mơ hình hệ thống 64 2.2.3 Xác suất dừng hệ thống 66 2.2.4 Xác suất dừng hệ thống 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 KẾT HỢP TÍN HIỆU THU NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - iii - 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 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 CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 117 4.1 Lựa chọn nút chuyển tiếp mạng truyền thông 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 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 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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - iv - 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 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO 155 PHỤ LỤC 174 Chứng minh cơng thức tính ζ 174 Chứng minh công thức (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 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật -v- DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt 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 Thơng tin trạng thái kênh CDF Cumulative Hàm phân phối tích lũy distribution 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 Least Mean-Square Bình phương trung bình LMS nhỏ Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - 113 - 10 η=0.4 η=0.5 OP η=0.6 −1 10 N=L=M=2, P=18 dB, PI=2 dB Kết tính theo cơng thức Kết mô −2 10 −5 10 15 Q (dB) 20 25 Hình 3.11: Xác suất đứt chặng mạng thứ cấp với giá trị Q η khác 10 Tính theo cơng thức Kết mô L=2 −1 10 OP L=4 L=6 −2 10 N=M=2, η=0.9, Q=20 dB, PI=2 dB −3 10 10 15 20 25 P(dB) Hình 3.12: Xác suất dừng mạng thứ cấp với P L khác Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - 114 - 10 N=L=2 −1 10 OP N=L=3 N=L=4 −2 10 M=2, η=0.75, Q=20 dB, P=25 dB Tính theo công thức Kết mô −3 10 10 15 20 25 PI (dB) Hình 3.13: Xác suất dừng mạng thứ cấp theo PI , N L Hình 3.13 xác suất dừng hệ thống thứ cấp theo PI giá trị khác N L Quan sát cho thấy, PI tăng hiệu mạng thứ cấp giảm thơng qua xác suất đứt chặng tăng lên Tuy nhiên, PI tăng đến giá trị lớn 15dB xác suất đứt chặng bão hịa khơng tăng Mặt khác, giá trị PI , tăng số ăng-ten N L hiệu mạng tăng tương ứng với xác xuất đứt chặng giảm Hình 3.14 xác suất đứt chặng mạng thứ cấp theo số ăng-ten thu M máy thu sơ cấp PU-Rx Hình 3.14 cho thấy xác suất dừng mạng thứ cấp tăng theo số ăng-ten M Mặt khác, xác suất dừng khảo sát theo số ăng-ten máy thu thứ cấp N L Hình 3.14 chia làm hai vùng, vùng thứ M khoảng [1, 6] xác suất đứt chặng tăng N L tăng Trong đó, vùng thứ hai M khoảng Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - 115 - 0.9 Tính theo cơng thức 0.85 Kết mơ 0.8 N=M=2 0.75 OP 0.7 0.65 N=M=4 0.6 0.55 N=M=6 0.5 η=0.8, Q=10 dB, 0.45 PI=2dB, P=30 dB 0.4 10 M Hình 3.14: Xác suất dừng hệ thống theo M , N L [7, 10] xác suất đứt chặng lại giảm N L tăng Điều cho thấy rằng, đặc điểm mạng vô tuyến nhận thức dạng M nhỏ OP phụ thuộc vào số ăng-ten mạng thứ cấp, M đủ lớn OP phụ thuộc vào số ăng-ten mạng sơ cấp 3.4 Kết luận chương Luận án sâu phân tích so sánh kỹ thuật kết hợp tín hiệu đích SC MRC để nâng cao hiệu mạng thứ cấp thay phải nâng cơng suất phát dẫn đến tăng xác suất can nhiễu cho máy thu sơ cấp Luận án phân tích với mơ hình pha-đinh Nakagami-m, cơng thức rút gọn tính xác suất bị can nhiễu mạng sơ cấp máy phát thứ cấp gây lên Đối với mạng thứ cấp, độ đo hiệu bao gồm xác suất dừng hệ thống, dung Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - 116 - lượng ergodic, tỉ lệ lỗi ký hiệu trung bình ASER đưa Để cung cấp thêm hiểu biết đặc tính mạng, Luận án cung cấp xác suất dừng hệ thống tính gần đường bao dung lượng ergodic Ngồi ra, Luận án có khảo sát ảnh hưởng diện máy phát sơ cấp PU-Tx tới hiệu hệ thống thứ cấp Kết khảo sát số sử dụng kỹ thuật MRC tốt kỹ thuật SC, tăng số ăng-ten thu hay tăng η tiến tới làm cải thiện tốt hiệu mạng thứ cấp Việc sử dụng đa ăng-ten thu kỹ thuật back-off bảo vệ tốt máy thu sơ cấp giảm can nhiễu từ máy phát thứ cấp cao hiệu mạng thứ cấp Tuy nhiên tăng số ăng-ten đến giá trị định xẩy tình trạng hiệu mạng thứ cấp bão hịa khơng tăng thêm, chí giảm (Hình 3.14) Đây đặc điểm mạng vô tuyến nhận thức dạng Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - 117 - Chương LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 4.1 Lựa chọn nút chuyển tiếp mạng truyền thông hợp tác với mơ hình kênh Rayleigh 4.1.1 Giới thiệu Các hệ thống truyền thông chuyển tiếp hợp tác lên kỹ thuật phân tập không gian (MIMO ảo) giúp giảm ảnh hưởng phađinh, nâng cao hiệu tổng thể hệ thống số khía cạnh, chẳng hạn: tăng tốc độ/thơng lượng truyền liệu; tối ưu việc phân bổ lượng giảm công suất tiêu thụ; cải thiện xác suất dừng; cải thiện kỹ thuật cảm biến phổ trống cho truyền dẫn thứ cấp môi trường vô tuyến nhận thức, giảm chi phí triển khai, thi cơng lắp đặt Mặc dù vậy, để tăng bậc phân tập yêu cầu phải sử dụng kênh truyền trực giao để truyền thông điệp Điều dẫn đến việc tốn phổ tần số Để giải hạn chế này, ý tưởng lựa chọn chuyển tiếp tốt cơng bố cơng trình nghiên cứu [70] Gần đây, kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp thu hút ý giới kỹ thuật Hiệu hệ thống chuyển tiếp hợp tác hai chặng kiểm chứng công bố cơng trình [14, 116, 125] Tuy nhiên, cơng trình đánh giá hiệu hệ thống với giả sử CSI đường can nhiễu người dùng thứ cấp SU người dùng sơ cấp PU Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - 118 - hồn hảo khơng lỗi, khơng trễ Mơ hình xem xét đơn giản có đơn ăng-ten thu, thơng số đánh giá chưa phong phú, chủ yếu xem xét thơng số xác suất dừng 4.1.2 Mơ hình hệ thống Trong phần Luận án đề xuất mơ hình hệ thống vô tuyến nhận thức, điều kiện trạng thái thông tin kênh truyền CSI hai hệ thống khơng hồn hảo Trong chương này, tác giả khảo sát mơ hình hệ thống PU-Tx PU-Rx p fr p fsp k SU-Tx s r1 rk rN RU RxTx ⋮ RU RxTx ⋮ RU RxTx d1 d j ⋮ SU-Rx (MRC) dM Hình 4.1: Mơ hình hệ thống lựa chọn nút chuyển tiếp trình bày Hình 4.1 Mạng thứ cấp gồm nút Nguồn s, nút Đích d N nút Chuyển tiếp định nghĩa r1 , , rN hoạt động băng tần số với người dùng PU Thơng tin truyền từ Nguồn đến Đích diễn khe thời gian, khe thời gian đầu nút Nguồn phát quảng bá liệu đến tất nút Chuyển tiếp Tại nút Chuyển tiếp, sử dụng giao thức giải mã lựa chọn chuyển tiếp, nên nút Chuyển tiếp giải mã tín hiệu mà nhận từ nút Nguồn phát đến, tỷ số tín hiệu nhiễu SNRs lớn ngưỡng xác định Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - 119 - trước γth Tại khe thời gian thứ hai, nút Chuyển tiếp có mức SNRs lớn tập nút chuyển tiếp giải mã thành cơng tín hiệu từ nguồn truyền đến, tái mã hóa sử dụng kiểu điều chế nút nguồn chuyển tiếp đến nút đích Tại nút Đích d áp dụng kĩ thuật phân tập thu MRC để kết hợp đường tín hiệu Giả định rằng, tất hệ số kênh truyền mơ hình có phân bố Rayleigh độc lập thống kê Do đó, độ lợi kênh truyền hai nút mạng thứ cấp |hab |2 với a ∈ {s, rk } b ∈ {rk , dj } có dạng phân bố hàm mũ với trung bình khơng phương sai λab Đặt fsp frk p hệ số kênh truyền đường can nhiễu nút mạng thứ cấp với mạng sơ cấp s → p rk → p, tương ứng Trong p định nghĩa máy thu sơ cấp Thêm nữa, mơ hình tác giả giả sử trạng thái thông tin kênh truyền CSI can nhiễu người dùng sơ cấp PU người dùng thứ cấp SUs khơng hồn hảo biểu diễn theo [105] sau: fˆap = ρfap + p − ρ2 ε, (4.1) Trong đó, ε biến ngẫu nhiên Gauss đối xứng phức có kỳ vọng không phương sai λap , ρ hệ số tương quan kênh ước lượng với kênh thực tế fˆap fap , giá trị ρ nằm khoảng [0, 1] Cụ thể, ρ kênh truyền ước lượng cách xác khơng lỗi Dựa vào [105], có hàm PDF giao hai biến ngẫu nhiên phân bố mũ sau √   − x+y 2ρ xy e (1−ρ2 )λsp I0 , f|fsp |2 ,|fˆsp |2 (x, y) = (1 − ρ2 )λ2sp (1 − ρ2 )λsp với I0 (.) hàm Bessel bậc không loại định nghĩa [4] Luận án tiến sĩ Kĩ thuật (4.2) - 120 - Để đơn giản cho khảo sát, tác giả giả sử nút chuyển tiếp gần nên ta coi độ lợi kênh nhau, dẫn đến tham số viết lại sau λsrk = λsr , λrk p = λrp λrk dj = λrd Để đảm bảo cho máy thu sơ cấp PU không bị ảnh hưởng từ máy phát thứ cấp SU cơng suất phát nút Nguồn nút Chuyển tiếp mạng thứ cấp tính [84, 125] Ps = Q Q P = , r k |fsp |2 |frk p |2 (4.3) với Q ngưỡng can nhiễu cho phép máy thu sơ cấp Trong trường hợp thông tin kênh truyền đường can nhiễu khơng hồn hảo, fap (4.3) thay fˆap 4.1.3 Xác suất bị can nhiễu máy thu sơ cấp gây máy phát mạng thứ cấp Trước đánh giá thông giá số hiệu hệ thống thứ cấp tác giả khảo sát xác suất can nhiễu (PI ) hệ thống sơ cấp Do thông tin kênh truyền hai hệ thống khơng hồn hảo, nên có can nhiễu xuất hệ thống sơ cấp Cụ thể hơn, xác suất can nhiễu xảy hai trường hợp Can nhiễu gây nút nguồn khe thời gian thứ công suất phát vượt giới hạn cho phép Q Can nhiễu xảy khe thời gian thứ hai nút chuyển tiếp tốt gây nên vượt mức công suất phát cho phép Q Vì vậy, để bảo vệ tốt người dùng sơ cấp, tác giả sử dụng thêm thông số điều chỉnh công suất phát hồi tiếp η biểu diễn lại công suất phát Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - 121 - hệ thống thứ cấp sau ( Ps0 = ηPs Pr0k = ηPrk với ≤ η ≤ 1) Theo luật tổng xác suất, xác suất can nhiễu PI PU đưa [106] PI = Pr(Ps |fsp |2 > Q) + Pr(Ps |fsp |2 ≤ Q) Pr(Prk∗ p |frk∗ p |2 > Q) (4.4) Ta thấy phần thứ thứ hai (4.4) tương ứng với hai khe thời gian Trong (4.4), k ∗ định nghĩa nút Chuyển tiếp tốt theo [136] k ∗ = arg max |hsrk |2 (4.5) k=1, ,K Ta biết Pr(Ps |fsp |2 > Q) + Pr(Ps |fsp |2 ≤ Q) = 1, để tính cơng thức (4.4), cần tính Pr(Ps |fsp |2 > Q) Pr(Prk∗ p |frk∗ p |2 > Q) Đối với Pr(Ps |fsp |2 > Q), có  Pr(Ps |fsp | > Q) = Pr |fsp | > fˆsp , =  Z∞ Z∞ f|f sp | y=0 x=y f|f sp | 2 ,|fˆsp | ,|fˆsp | (x, y)dxdy, (4.6) (x, y) hàm mật độ xác suất đồng thời (the joint probability density function: PDF) fsp fˆsp đưa theo (4.2) Thế công thức (4.2) vào (4.6) sau tính tích phân, có Pr(Ps |fsp |2 > Q) = 1/2 (4.7) Đối với Pr(Prk∗ p |frk∗ p |2 > Q), sử dụng phương pháp tính (4.6), có Pr(Prk∗ p |frk∗ p | > Q) = N X k=1 Pr  ! |frk p | >1 |fˆr p |2 k ×Pr |hsrk | > Luận án tiến sĩ Kĩ thuật max i=1, ,N,i6=k (4.8) |hsri |