Luận án tiến sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nghiên cứu và phân tích các kỹ thuật giảm tác động của các can nhiễu đồng kênh trong mạng truyền thông không dây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM THỊ ĐAN NGỌC

NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCHCÁC KỸ THUẬT GIẢM TÁC ĐỘNGCỦA CÁC CAN NHIỄU ĐỒNG KÊNH

TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNGKHÔNG DÂY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN:

1 PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG2 PGS.TS TRẦN TRUNG DUY

LỜI CAM ĐOAN

Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các kếtquả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chéptừ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồntài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quyđịnh.

Tác giả luận án

Phạm Thị Đan Ngọc

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Luận án nghiên cứu và phân tích các kỹ thuật giảm tác động của các can nhiễu đồngkênh trong mạng truyền thông không dây Cụ thể, luận án xem xét ba mô hình mạng:mạng truyền thông không dây một chặng, mạng truyền thông không dây hai chặngvà mạng truyền thông không dây đa chặng Trong mạng truyền thông không dây mộtchặng, luận án xét các can nhiễu đồng kênh do khiếm khuyết phần cứng và can nhiễugiữa hệ thống thứ cấp-sơ cấp trong mạng truyền thông không dây nhận thức Ngoàira, mạng này còn xét tương quan kênh truyền tại nút thu thứ cấp và các kênh truyềncan nhiễu gây ra tại các nút thu sơ cấp có phân bố độc lập không đồng nhất Giảipháp đề xuất cho mạng này là dùng kết hợp chọn lựa để giảm ảnh hưởng đồng thờicủa các can nhiễu đồng kênh này

Trong mạng truyền thông không dây hai chặng, luận án xét các can nhiễu đồng kênhgồm khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu lẫn nhau giữa hai hệ thống thứ cấp-sơ cấp.Các nút chuyển tiếp trong mạng này sử dụng giao thức giải mã và chuyển tiếp để hỗtrợ chuyển tín hiệu từ nguồn tới đích Mạng này còn xét sự hiện diện của nút nghelén ở mạng thứ cấp Do vậy, mạng này cần cơ chế điều chỉnh công suất phát để đảmbảo truyền tin tin cậy và tránh bị nghe lén thông tin Giải pháp đề xuất cho mạngnày là chọn nút chuyển tiếp tốt nhất để giảm ảnh hưởng đồng thời của các can nhiễuđồng kênh.

Đối với mạng truyền thông không dây đa chặng, luận án xét các can nhiễu đồng kênhdo khiếm khuyết phần cứng và các nguồn can nhiễu đồng kênh do tái sử dụng tầnsố Các tác nhân gây can nhiễu này ảnh hưởng đồng thời lên mạng truyền thông đachặng trong môi trường truyền thông không dây thông thường Giao thức giải mã vàchuyển tiếp được dùng để chuyển tiếp tín hiệu trong toàn trình của mạng đa chặng.Bên cạnh đó, khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu giữa hai hệ thống thứ cấp-sơ cấpcũng được xem xét đồng thời trong mạng truyền thông không dây đa chặng trong

môi trường vô tuyến nhận thức Mô hình đề xuất này dùng hai giao thức: giải mãvà chuyển tiếp, khuếch đại và chuyển tiếp Giải pháp cho hai mô hình trong mạngtruyền thông không dây đa chặng được đề xuất là chọn đường truyền tốt nhất chotoàn trình.

Luận án đều phân tích hiệu năng của các giải pháp giảm can nhiễu đồng kênh thôngqua đề xuất các biểu thức toán học chính xác dạng tường minh Nhiều kết quả đượctrình bày để chứng minh tính chính xác của các biểu thức hiệu năng cũng như tínhhiệu quả của các giải pháp giảm can nhiễu đồng kênh đã đề xuất.

Dựa vào các kết quả đạt được, một số kiến nghị hữu ích có thể áp dụng cho các hoạtđộng truyền trong các hệ thống truyền thông không dây khi thiết kế mô hình hệ thốngthực Cụ thể hơn, với các mô hình được đề xuất, việc thiết lập các thông số phù hợpcho mô hình truyền một chặng phải đảm bảo mức khiếm khuyết phải dưới 0.7 để hệthống có thể hoạt động được Đối với môi trường truyền đa chặng dùng giao thức giảimã và chuyển tiếp thì mức khiếm khuyết phần cứng phải dưới 6.72 Trong khi đó, nếumô hình dùng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp thì mức khiếm khuyết này phảidưới 1.77 Các giá trị nêu ra ở trên là kết quả phân tích và đã được kiểm chứng tínhđúng đắn Lưu ý rằng, các giá trị kiến nghị này sẽ thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổicủa các thông số khác nhau khi thiết lập các mô hình đề xuất hệ thống khác nhau.

This Dissertation studies and analyzes techniques for reducing the impact of channel interferences in wireless communication networks Specifically, this Disser-tation considers three system models: single-hop wireless communication, two-hopwireless communication, and multi-hop wireless communication In the single-hopwireless communication, the Dissertation considers co-channel interferences causedby hardware impairment and interference between secondary and primary systems incognitive wireless communication networks In addition, this network also considerschannel correlation at secondary receiver and interference channels caused at primaryreceivers with heterogeneous independent distributions The proposed solution forthis network is to apply selection combining to reduce simultaneous effects of theseco-channel interferences.

co-In the two-hop wireless communication, the Dissertation considers co-channel terferences as hardware impairment and mutual interference between two primary-secondary systems Moreover, the relay nodes in this network use decode-and-forwardprotocols to assist signal transmission from the source to the destination Further,this network also considers the presence of an eavesdropping node in the secondarynetwork Therefore, this network needs a mechanism to adjust the transmit power toensure reliable transmission and avoid information eavesdropping The proposed so-lution for this network is to choose the best relay node to reduce simultaneous effectsof co-channel interferences.

in-In the multi-hop wireless communication, the Dissertation scrutinizes co-channel ferences as hardware impairment and co-channel interference sources due to frequencyreuse These co-channel interferences effect simultaneously on multi-hop networks inconventional wireless communications context The decode-and-forward protocol isused to forward signals throughout the multi-hop network Moreover, hardware im-

inter-pairment and interference between two primary-secondary systems are studied taneously in the multi-hop communication in a cognitive radio context The multi-hopcommunication uses two protocols: decode-and-forward and amplify-and-forward Thesolution proposed for the multi-hop wireless communication to reduce co-channel in-terferences is to select the best path for the whole process.

simul-The Dissertation analyzes the performance of solutions of reducing co-channel ferences via proposing precise mathematical expressions in closed-form Many resultsare presented to prove the accuracy of the performance expressions as well as theeffectiveness of the proposed co-channel interference reducing solutions.

inter-Based on these results, some useful recommendations can be applied to transmissionactivities in wireless communication systems when designing real systems To be morespecific, when setting proper system parameters for one-hop transmission, hardwareimpairment level must be below 0.7 for reliable communication For multi-hop trans-mission using the decode-and-forward protocol, hardware impairment level must beless than 6.72 Meanwhile, if the system model uses the amplify-and-forward proto-col, hardware impairment level should be below 1.77 The values stated above arethe results of the analysis and have been verified for correctness Note that these rec-ommended values will change depending on the change of different parameters whensetting up different proposed system models.

LỜI CẢM ƠN

Luận án được thực hiện tại Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia TP HồChí Minh dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Hồ Văn Khương và TS Trần Trung Duy.Xin trân trọng biết ơn sâu sắc hai Thầy luôn giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi nhất,luôn định hướng khoa học và quan tâm từ trước khi thực hiện luận án cho tới khihoàn thành luận án này Đồng thời, tôi chân thành cảm ơn tới các tác giả của cáccông trình đã công bố và các nhà khoa học được trích dẫn trong luận án vì đã cungcấp nguồn tài liệu vô cùng quý báu, nhiều kiến thức bổ ích và liên quan trong suốtthời gian thực hiện luận án.

Xin trân trọng cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học Quốc Gia TP HCM đãtạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu để hoàn thành chương trình nghiên cứusinh Xin cảm ơn Khoa Đào Tạo Sau Đại Học và Khoa Điện Tử đã luôn giúp đỡ trongcác thủ tục, kết nối thông tin học tập để hoàn thành khóa học đào tạo Đặc biệt, xinchân thành biết ơn Bộ môn Viễn Thông - Khoa Điện Tử của Trường Đại Học BáchKhoa Ban chủ nhiệm Bộ môn là nơi trực tiếp quản lý, hướng dẫn, luôn tạo điều kiệntrao dồi kiến thức, hỗ trợ học tập và giúp đỡ cho tôi trong suốt thời gian đào tạo tạiTrường.

Xin cảm ơn chân thành tới Khoa Kỹ Thuật Điện Tử 2 - Học viện Công Nghệ Bưuchính Viễn thông cơ sở tại TP HCM, các đồng nghiệp và những người bạn đã độngviên, ủng hộ tinh thần trong suốt quá trình học tập.

Sau cùng, cho phép tôi gửi lời biết ơn sâu sắc tới gia đình đã luôn ở bên cạnh chiasẻ, động viên về nhiều khía cạnh để tôi hoàn thành tốt nhất cho chương trình nghiêncứu sinh của mình.

Mục lục

1.1Lý do chọn đề tài 1

1.2Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.2.1Mục đích nghiên cứu 2

1.2.2Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.2.3Sự cần thiết, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn .4

1.3Tổng quan tình hình nghiên cứu 5

1.3.1Tình hình nghiên cứu ngoài nước 5

1.3.2Tình hình nghiên cứu trong nước 9

1.4Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 12

1.4.1Mục tiêu nghiên cứu 12

1.4.2Nội dung nghiên cứu 13

1.5Cơ sở lý luận 14

1.5.1Mạng truyền thông không dây 15

1.5.2Mạng vô tuyến nhận thức 16

1.5.3Mạng chuyển tiếp không dây .20

1.5.4Can nhiễu đồng kênh 26

1.5.5Kênh truyền fading 40

1.6Phương pháp nghiên cứu 41

1.7Bố cục luận án 42

2MẠNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY MỘT CHẶNG442.1Mô hình truyền thông một chặng 45

2.1.1Công suất phát tại nguồn thứ cấp 48

2.1.2Tín hiệu thu tại nút đích .49

2.1.3Giải pháp đề xuất: kỹ thuật kết hợp chọn lựa (SC) 51

2.2Phân tích hiệu năng hệ thống 52

2.3Các kết quả .55

2.3.1Xác suất dừng theo mức ngưỡng công suất can nhiễu .55

2.3.2Xác suất dừng theo hệ số tương quan kênh truyền 56

2.3.3Xác suất dừng theo mức khiếm khuyết phần cứng .57

2.4Kết luận chương 58

3MẠNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY HAI CHẶNG593.1Mô hình hệ thống 60

3.1.1Giải pháp đề xuất: chọn nút chuyển tiếp tốt nhất .61

3.1.2Ràng buộc can nhiễu 62

3.3.4Xác suất dừng theo mức khiếm khuyết phần cứng .78

3.3.5Xác suất dừng theo vị trí tọa độ của nút chuyển tiếp .79

3.4Kết luận chương 80

4MẠNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY ĐA CHẶNG814.1Mô hình#1: Truyền thông đa chặng trong mạng không dây thông thường 834.1.1Giới thiệu mô hình hệ thống thứ nhất 83

4.1.2Giải pháp: chọn đường truyền toàn trình tốt nhất 84

4.1.3Đánh giá hiệu năng 86

4.1.4Các kết quả đạt được của mô hình truyền thông đa chặng trongmạng không dây thông thường 91

4.1.5Kết luận cho mô hình truyền thông đa chặng trong mạng khôngdây thông thường 94

4.2Mô hình #2: Truyền thông đa chặng trong mạng không dây nhận thức944.2.1Giới thiệu mô hình hệ thống thứ hai 95

4.2.2Hai giao thức chuyển tiếp trong mạng 98

4.2.3Giải pháp đề xuất: chọn lựa đường truyền tốt nhất 101

4.2.4Phân tích hiệu năng hệ thống của mô hình truyền thông đachặng trong mạng không dây nhận thức 102

4.2.5Các kết quả đạt được của mô hình truyền thông đa chặng trong

5.2Dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo 123

DANH MỤC CÁC BÀI BÁO CÔNG BỐ124TÀI LIỆU THAM KHẢO128PHỤ LỤC143A Các chứng minh trong Chương 2143A.1 Chứng minh M1 143

A.2 Chứng minh M2 145

B Các chứng minh trong Chương 3148C Các chứng minh trong Chương 4151C.1 Chứng minh công thức (4.67) 152

C.2 Chứng minh công thức (4.72) và (4.73) 154

C.3 Chứng minh công thức (4.77) 158

C.4 Chứng minh công thức (4.84) 158

1.5Mô hình truyền thông đa chặng 25

1.6Sơ đồ khối một hệ thống MIMO truyền thống 27

1.7Mật độ phổ công suất một bên của bộ dao động tập trung quanh fc .29

1.8Khiếm khuyết phần cứng trong mô hình truyền thông một chặng .32

1.9Ràng buộc công suất phát trong mạng UCRN .34

1.10 Xét mạng UCRN đơn giản 34

1.11 Mô hình tái sử dụng tần số .40

2.1Đề xuất mô hình truyền thông không dây một chặng trong mạng vôtuyến nhận thức dạng nền .46

2.2Xác suất dừng theo Ξ (dB) .55

2.3Xác suất dừng theo hệ số tương quan kênh truyền ρ .56

2.4Xác suất dừng theo mức khiếm khuyết phần cứng κ2 .57

3.1Đề xuất mô hình mạng vô tuyến nhận thức hai chặng 60

3.2Tỷ số công suất phát trên công suất nhiễu theo PPT/N0 khi xR = 0.5,xE = yE = 0.5, κ2P = 0.01, κ2E = 0.05, κ2s,p = κ2p,e = 0.02 và CS = 0.25 bps/Hz 763.3Xác suất dừng và xác suất chặn theo PPT/N0 khi xR = 0.5, xE = yE =0.5, κ2P = 0.01, κ2E = 0.05, κ2s,p = κ2p,e = 0.02 và CS = 0.25 bps/Hz .76

3.4Xác suất dừng của mạng thứ cấp theo PPT/N0 khi xR = 0.5, xE = yE =0.5, κ2P = 0.01, κ2D= κ2E = 0.05, κ2s,p = κ2p,e = κ2p,s= 0.02, CS = 0.25bps/Hzvà εIP = 0.25 .77

3.5Xác suất dừng của mạng thứ cấp theo κ2D khi PPT/N0 = 25 dB, xE =yE = 0.5, κ2P = 0, κ2E = κ2D, κ2s,p = κ2p,e = κ2p,s = κ2D/5, CS = 0.25 bps/Hz,M = 15 và εIP = 0.25 .78

3.6Xác suất dừng của mạng thứ cấp theo vị trí của các nút chuyển tiếp RkhiPPT/N0 = 25dB,xE = 0.5, κ2P = 0,κ2D= κ2E = 0,κ2s,p = κ2p,e= κ2p,s = 0,CS = 0.25 bps/Hz, M = 15 và εIP = 0.25 .79

4.1Đề xuất mô hình truyền thông đa chặng trong mạng vô tuyến thôngthường 834.2Xác suất dừng theo P/N0 khi M = 3, Lm ∈ {2, 3, 4}, N = 2, xn ∈

{0.5, 0.5}, yn ∈ {−1, 1}, γth= 1 dB và κ2 = 0.01 .914.3Xác suất dừng theo P/N0 khi M = 2, Lm ∈ {3, 4}, Q = 10 dB, xn =

0.5 (∀n), yn = 1 (∀n), γth = 1 dB và κ2= 0.01 .924.4Xác suất dừng theo P/N0 khi M = 2, Lm = 2 (∀m), Q = 10 dB, N = 1,

xn = 0.5, yn = 1, γth = 1 dB và κ2 = 0.01 .934.5Xác suất dừng theo κ2 khi M = 4, Lm ∈ {1, 2, 3, 4}, Q = 10 dB N = 2,

xn ∈ {0.5, 0.5}, yn ∈ {1, −1}, γth∈ {1, 1.25, 1.5} dB 944.6Đề xuất mô hình mạng truyền thông đa chặng trong mạng không dây

nhận thức .954.7Tỷ số công suất phát của các máy phát thứ cấp trên công suất nhiễu

của ba đường truyền theo tỷ số công suất phát sơ cấp trên công suấtnhiễu PPT/N0 khi κ2sp = 0.01 1124.8Xác suất dừng đầu cuối của hai giao thức M-DF-P và M-AF-P theo

PPT/N0 khi κ2ss = 0.05, κ2sp = κ2ps = 0.01 1134.9Xác suất dừng đầu cuối của hai giao thức M-DF-P và M-AF-P theo

PPT/N0 khi CS,th= 0.03 bps/Hz 1144.10 Xác suất dừng đầu cuối của hai giao thức M-DF-P và M-AF-P theo

CS,th khi PPT = 15 dB, κ2ss = κ2sp = κ2ps = 0 1154.11 Xác suất dừng đầu cuối của giao thức M-DF-P và M-AF-P theoκ2ss khi

PPT = 30 dB, κ2sp= κ2ps = κ2ss/5 116

Danh sách bảng

4.1Các giá trị của các tham số hệ thống 111

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADCAnalog-to-Digital ConverterBộ chuyển đổi tương tự sang số

AWGNAdditive White Gaussian NoiseNhiễu Gauss trắng cộng

CSIChannel State InformationThông tin trạng thái kênh truyền

ETSIEuropeanTelecommunicationsStandards Institute

Viện Tiêu chuẩn Viễn thôngChâu Âu

FCCFederal Communications sion

Commis-Ủy ban Truyền thông Liên bang

FDMAFrequency Division MultiplexingAccess

Đa truy cập phân chia theo tầnsố

IEEEInstitute of Electrical and ics Engineers

Electron-Hội kỹ sư và Điện Tử

IETFInternet Engineering Task ForceNhóm đặc nhiệm kỹ thuật net

I/QIn-phase and QuadratureĐồng pha và vuông góc

Liên minh Viễn thông Quốc tế

LoRaLong RangeTầm xa

LPWANLow-Power Wide Area NetworkMạng diện rộng công suất thấp

MCNMulti-hop Communication NetworkMạng truyền thông đa chặngMIMOMultiple-Input Multiple-OutputNhiều ngõ vào nhiều ngõ raMRCMaximal Ratio CombiningKết hợp tỷ số cực đạiNB-IoTNarrowBand-Internet of ThingsInternet vạn vật băng hẹpNC-

NOMANon-Orthogonal Multiple AccessĐa truy cập không trực giao

PAPRPeak to Average Power RatioTỉ số công suất đỉnh trung bìnhPDFProbability Density FunctionHàm mật độ xác suất

SEPSymbol Error ProbabilityXác suất lỗi ký tự

SICSuccessive Interference CancellationKhử nhiễu tuần tự

SINRSignal Interference to Noise RatioTỷ số tín hiệu trên nhiễu và cannhiễu

SNRSignal to Noise RatioTỷ số tín hiệu trên nhiễu

TASTransmission Antenna SelectionChọn lựa anten phát

TDMATime division Multiple AccessĐa truy cập phân chia thời gianUCRNUnderlay Cognitive Radio NetworkMạng vô tuyến nhận thức dạng

nềnUMTSUniversal Mobile Telecommunica-

tion System

Mạng viễn thông di động toàncầu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

CS Tốc độ mong muốn được cho phép bởi hệ thống thứ cấp

CX,E Dung lượng kênh tức thời tại E trong hai khe thời gian

M Số nút chuyển tiếp trong mạng hai chặng

PI Công suất phát của nguồn can nhiễu I

b Công suất phát tại Rb trong khe thời gian thứ hai

PS(1) Công suất phát tại S trong khe thời gian thứ nhất

Pth Mức công suất ngưỡng can nhiễu

Ω Tham số đặc trưng kênh truyền can nhiễu

Z1 Tập các nút chuyển tiếp R giải mã thành công tín hiệu

Z2 Tập các nút chuyển tiếp R giải mã không thành công tín hiệu

χD Mất cân bằng I/Q tại D trong mô hình lỗi

χS Mất cân bằng I/Q tại S trong mô hình lỗi

dX,Y Khoảng cách giữa liên kết X - Y

εOP Mức ngưỡng dừng được định trước bởi hệ thống sơ cấp

ηS Nhiễu pha tại S trong mô hình lỗi

ηD Nhiễu pha tại D trong mô hình lỗi

ηPUn Khiếm khuyết phần cứng tại nút thu sơ cấp PU thứ ngIQI Tín hiệu mất cân bằng I/Q tại băng gốc

gide Tín hiệu mất cân bằng tự do

γi Độ lợi kênh truyền tín hiệu thứ iγth Mức ngưỡng dừng của hệ thống

κt/r1,2 Khiếm khuyết phần cứng tại máy phát/thu

κt/r Lệch biên độ tại máy phát/máy thu

κ2S Khiếm khuyết phần cứng tại S

κ2D Khiếm khuyết phần cứng tại D

n Khiếm khuyết phần cứng tại PU thứ n

κ2P Tổng mức khiếm khuyết phần cứng giữa liên kết S-PU

κ2 Tổng mức khiếm khuyết phần cứng giữa liên kết S-D

κ2E Tổng mức khiếm khuyết phần cứng tại E giữa các liên kết S - E,

Rb - E

κ2p,e Tổng mức khiếm khuyết phần cứng giữa liên kết PT - E

hi Hệ số kênh truyền tín hiệu thứ i

hX,Y Hệ số kênh truyền tín hiệu giữa liên kết X-Y

λ Tham số đặc trưng kênh truyền tín hiệu

µn Mức công suất ngưỡng của PU thứ nn(1)R Nhiễu nền tại R trong khe thời gian thứ 1

n(2)R Nhiễu nền tại R trong khe thời gian thứ 2

φt,r Lệch pha tại máy phát/máy thu

ϕn Độ lợi kênh truyền can nhiễu thứ n

Ψe2e Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu và can nhiễu đầu cuối

Ψme2e Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu và can nhiễu đầu cuối trênđường truyền thứ m

Ψi Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu và can nhiễu

- PR trong khe thời gian thứ nhất

ΨRb,PR Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu và can nhiễu giữa liên kết Rb PR

yD(2) Tín hiệu thu tại D trong khe thời gian thứ 2

yP R(1), yP R(2) Tín hiệu thu tại PR trong khe thời gian thứ nhất và thứ hai

chưa có bản quyền sử dụng các dải tần Điều này cải thiện đáng kể khả năng đáp ứngvới sự gia tăng về số lượng người dùng Hơn nữa, các “dải tần trống" trong các kênhquảng bá cũng sẽ được tận dụng bởi mạng vô tuyến nhận thức với các ràng buộc vềcông suất phát nhằm đảm bảo chất lượng cho các mạng hiện có Nói cách khác, ngườidùng trong mạng vô tuyến nhận thức phải điều chỉnh công suất phát ở mức thấp đểkhông gây can nhiễu đáng kể đến người dùng chính Điều này dẫn đến vùng phủ sóngcho hoạt động truyền phát của nhiều người dùng nhận thức bị giới hạn [6–9].

Hạn chế của vô tuyến nhận thức về vùng phủ sóng sẽ được khắc phục khi kết hợpvới mạng chuyển tiếp [7–9] Cụ thể hơn, các mạng truyền thông cộng tác hay truyềnthông đa chặng được xem là giải pháp hữu hiệu để mở rộng phạm vi hoạt động chongười dùng nhận thức.

Mặt khác, chất lượng dịch vụ trong truyền thông không dây cũng được quan tâm khicác điều kiện thiết kế hệ thống không còn được giả sử là lý tưởng [10–15] Các côngtrình nghiên cứu trước đây cho thấy ảnh hưởng đáng kể của các tác nhân gây ra cannhiễu lên hiệu năng hệ thống Các tác nhân này bao gồm các thành phần phi tuyến,tương quan kênh truyền hay khiếm khuyết phần cứng lần lượt được phân tích và đánhgiá trong các mô hình riêng [16].

Với lý do đáp ứng sự gia tăng số lượng người dùng và đảm bảo chất lượng liên kếtgiữa các kết nối mạng, luận án hướng tới nghiên cứu và phân tích các kỹ thuật giảmtác động của các can nhiễu đồng kênh trong mạng truyền thông không dây Trướctiên, các mô hình hệ thống được đề xuất và sau đó giải pháp cho từng mô hình đượcđưa ra, phân tích và đánh giá.

1.2Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.2.1Mục đích nghiên cứu

Luận án trước tiên đề xuất các mô hình truyền thông không dây nhằm mở rộng vùngphủ sóng có xem xét chất lượng dịch vụ của người dùng và các tác nhân gây can nhiễu

đồng kênh Kế đó, các giải pháp giảm ảnh hưởng của các tác nhân gây can nhiễu đồngkênh cho từng mô hình được đề xuất, phân tích và đánh giá.

1.2.2Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Với mục đích nghiên cứu đề ra, luận án hướng tới từng đối tượng và phạm vi nghiêncứu sẽ được thực hiện cho các mô hình đề xuất, cụ thể như sau:

- Các mô hình sẽ được thực hiện trên kênh truyền Rayleigh fading.

- Các kỹ thuật kết hợp: kỹ thuật kết hợp chọn lựa, kỹ thuật kết hợp tỷ số cực đại.

- Nút chuyển tiếp xử lý tín hiệu theo các giao thức: giải mã và chuyển tiếp, khuếchđại và chuyển tiếp, ngẫu nhiên và chuyển tiếp.

- Các kỹ thuật chọn nút chuyển tiếp hiệu quả trong mạng chuyển tiếp.

- Mạng truyền thông không dây, mạng chuyển tiếp, vô tuyến nhận thức.

Các đối tượng trên được nghiên cứu và phân tích qua thông số hiệu năng hệ thốngcụ thể như xác suất dừng hệ thống, xác suất chặn, Theo lý thuyết thông tin, xácsuất dừng hệ thống của một kênh truyền thông tin được định nghĩa là xác suất màtốc độ thông tin nhỏ hơn tốc độ thông tin ngưỡng yêu cầu [17] Thông số này chothấy một hệ thống đề xuất có khả năng hoạt động được hay là phải dừng hoạt độngtruyền thông Ngoài ra, với mô hình đề xuất nào đó nếu xảy ra vấn đề nghe trộmthông tin, thì thông số xác suất chặn có thể là thông số được phân tích nhằm đánhgiá hiệu năng hệ thống Xác suất chặn là xác suất mà thông tin lớn hơn mức ngưỡngđược định trước bản chất của xác suất chặn là ngăn khả năng nghe lén thông tin củangười dùng đối với người muốn nghe trộm thông tin Hay nói cách khác, đây chính làkhả năng người nghe lén có khả năng giải mã thành công thông tin nghe được.

1.2.3Sự cần thiết, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễnNgày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của xã hội thì truyền thông tin luôn được xemlà lĩnh vực tiên phong và đi đầu trong mọi khía cạnh Cụ thể như các hệ thống truyềnthông thế hệ mới đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt về tốc độ nhưng chất lượng dịch vụvẫn phải đảm bảo Để đáp ứng được các nhu cầu càng cao trong khi nguồn tài nguyênhạn hẹp thì các công nghệ truyền thông mới phải nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tầnsố cũng như đảm bảo chất lượng dịch vụ và số lượng người dùng Một số giải phápđược xem là hiệu quả trong việc cải thiện hiệu quả sử dụng phổ như tái sử dụng tầnsố, công nghệ vô tuyến nhận thức.

Ưu điểm của các giải pháp trên là cho phép một lượng lớn người dùng nhưng lại gâyra can nhiễu đồng kênh Bên cạnh đó, mặc dù công nghệ thiết kế phần cứng ngàycàng tiên tiến nhưng những khiếm khuyết trong quá trình thiết kế và sản xuất hàngloạt vẫn tồn tại Do vậy, các nguồn can nhiễu đồng kênh luôn hiện diện trong các hệthống truyền thông không dây trên thực tế Đây cũng là hệ quả của sự bùng nổ sốlượng người dùng trong khi tài nguyên phổ tần số bị giới hạn Bản chất của các nguồncan nhiễu này sẽ ảnh hưởng đáng kể làm suy giảm hiệu năng của hệ thống trong cácmạng truyền thông không dây Do vậy, sự cần thiết khi sử dụng một số kỹ thuật giảmcan nhiễu có thể sử dụng như kết hợp chọn lựa, lựa chọn các nút chuyển tiếp tốt nhấthay chọn đường truyền tốt nhất cho các mô hình đề xuất Việc áp dụng các kỹ thuậtnày thật sự cần thiết khi hiệu quả đem lại cho thấy mức ảnh hưởng do các nguồn cannhiễu gây ra được cải thiện đáng kể.

Các kết quả đạt được sẽ mô tả khả năng hoạt động của các mô hình được đề xuất nhưthế nào Mặt khác, các kết quả phân tích chính xác được kiểm chứng bằng phươngpháp mô phỏng Monte-Carlo Điều này giúp luận án thể hiện các đóng góp đáng tincậy hơn Ngoài ra, các kết quả phân tích và mô phỏng khi đã trùng khớp t việc đánhgiá hiệu năng hệ thống dưới ảnh hưởng do can nhiễu đồng kênh gây ra, thì các kếtquả phân tích có thể được dùng để tối ưu hiệu năng một cách nhanh chóng.

Qua đây cho thấy, việc nghiên cứu và phân tích các kỹ thuật giảm tác động của cáccan nhiễu đồng kênh trong mạng truyền thông không dây thật sự cần thiết, cũng nhưmang lại ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn với các kết quả đóng góp đáng tin cậycủa luận án đem lại.

1.3Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.3.1Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Ngày nay, hiệu suất sử dụng phổ tần số trong hoạt động truyền thông không dây đãđược cải thiện đáng kể khi sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức [5–7] Công nghệnày được xem như là một trong các giải pháp hiệu quả khắc phục sự cạn kiệt tàinguyên phổ tần [18–20] Trong mạng vô tuyến nhận thức, người dùng thứ cấp (nhậnthức) có thể sử dụng phổ tần được cấp phép qua các phương pháp truy cập khácnhau như xen kẽ (interweave), chồng (overlay) hay nền (underlay) Trong [19], nhómtác giả dựa trên mô hình Markov để phân tích hiệu năng của người dùng nhận thứcdạng chồng khi người này ít có cơ hội chọn lựa kênh truyền cho hoạt động truyền tin.Do vậy, giải pháp về ước lượng độ dài hàng đợi trung bình cho người dùng nhận thứcđược đưa ra và đạt được tính chính xác khá cao Ngoài ra, các tiêu chí như độ tin cậy,tính hiệu quả hay tính công bằng trong việc cấp phát phổ tần cho người dùng nhậnthức cũng được khảo sát trong [20] Kết quả của công trình này cho thấy hiệu năngcủa phương pháp truy cập phổ tần dạng chồng trong mạng vô tuyến nhận thức đạthiệu quả hơn so với mạng truyền thống Bên cạnh đó, kiến trúc mạng vô tuyến nhậnthức trong [20] cũng đáp ứng tốt chất lượng dịch vụ Hơn nữa, [21] và [22] đã xem xétgiải pháp cho mạng vô tuyến nhận thức để giảm đáng kể khối lượng công việc củangười dùng mạng và tải của các trạm gốc.

Trong [23], nhóm tác giả phân tích xác suất dừng bảo mật trong mạng chuyển tiếpnhận thức dạng xen kẽ khi nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp tỷ số cực đại (MRC:Maximal Ratio Combining) để nâng cao hiệu năng mạng Hơn nữa, kết quả công

trình cho thấy rằng khoảng cách giữa nút nguồn và nút đích thứ cấp ngắn sẽ đảmbảo hiệu năng bảo mật của người dùng thứ cấp tốt hơn so với người dùng chính (sơcấp) Trong [24], giải pháp cải thiện hiệu suất phổ tần cho mạng vô tuyến nhận thứcđược trình bày có xem xét sự bất đồng bộ giữa người dùng chính và người dùng nhậnthức Lấy mẫu rất nhiều mức được thực hiện để khai thác đặc tính bất đồng bộ trongmạng vô tuyến nhận thức Công trình [24] cho thấy cần thiết kế bộ dò tìm phổ hiệuquả (SS: spectrum sensing) cho hoạt động truyền tin để tăng cường tín hiệu mà ngườidùng chính nhận được trong phương pháp truy cập phổ dạng xen kẽ Tuy nhiên, ngườidùng nhận thức tiết kiệm được nhiều năng lượng cho quá trình truyền tin nhưng hiệunăng của người dùng chính bị suy giảm Phương pháp truy cập phổ dạng nền khắcphục nhược điểm của phương pháp truy cập phổ dạng xen kẽ về khả năng đáp ứngthời gian thực khi cho phép hai hệ thống sơ cấp và thứ cấp cùng hoạt động tại cùngmột thời điểm [18] Trong phương pháp truy cập phổ dạng nền, người dùng nhận thứccó thể gây can nhiễu lên người dùng chính Do đó, ràng buộc về công suất phát đốivới người dùng nhận thức phải được xác định trước bởi người dùng chính Thế nên,các tác giả trong [18] đã đề xuất các cách chọn lựa anten tại nút phát và các kỹ thuậtkết hợp chọn lựa hay kỹ thuật kết hợp tỷ số cực đại tại nút thu để nâng cao hiệu năngcủa người dùng nhận thức Các kết quả được trình bày theo xác suất dừng chính xácdạng tường minh và dạng xấp xỉ Cả hai kỹ thuật kết hợp ở nút thu cho thấy hiệunăng của hệ thống đạt được cùng độ lợi phân tập đầy đủ.

,→ Các nghiên cứu nêu trên cho thấy mạng vô tuyến nhận thức là giải pháp hiệu quảtrong việc cải thiện hiệu suất phổ tần cũng như đáp ứng được số lượng người dùng Thế nhưng, khuyết điểm về khả năng đáp ứng thời gian thực hay ràng buộc về côngsuất phát của người dùng nhận thức đã giới hạn phạm vi phủ sóng của người dùng.Do vậy, mạng chuyển tiếp với ưu điểm vượt trội về mở rộng phạm vi phủ sóng cầnđược khai thác.

Mạng chuyển tiếp cộng tác được đề xuất sử dụng phương pháp chọn nút chuyển tiếptốt nhất trong [25] Nút chuyển tiếp sử dụng giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF:

decode-and-forward) và nhóm tác giả đã đánh giá hiệu năng theo tiêu chí xác suấtdừng dạng tường minh chính xác Trong [26], nhóm tác giả sử dụng kỹ thuật pháthiện năng lượng để phân tích khả năng phát hiện và cảnh báo sai cho các thiết bịnhận thức thực hiện cảm biến phổ tần Bên cạnh đó, tối ưu kênh truyền và đảm bảophân bổ công suất của người dùng chính và tối đa thông lượng của mạng vô tuyếnnhận thức được nghiên cứu trong [27] Các kết quả cho thấy giải thuật của [27] đemlại 20% ưu điểm so với giải thuật chuyển tiếp cộng tác truyền thống Trong [28], cáctác giả chứng minh hiệu quả phân bổ tài nguyên trong mạng cộng tác nhận thức khigiảm công suất phát trung bình, giảm can nhiễu đồng kênh và duy trì chất lượng dịchvụ nhất định Bên cạnh ưu điểm về gia tăng phạm vi phủ sóng thì tốc độ truyền tinvà ảnh hưởng của fading đa đường cũng là vấn đề mà nhiều nhà nghiên cứu quan tâmtrong hệ thống truyền thông không dây [29, 30] Trong các công trình này, nhóm tácgiả tập trung so sánh cách thức chọn nút chuyển tiếp ngẫu nhiên và cơ hội cho mạngtruyền thông cộng tác và chỉ ra rằng kỹ thuật chuyển tiếp cơ hội vượt trội hơn so vớikỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp ngẫu nhiên.

Các công trình trên cho thấy truyền thông cộng tác giúp gia tăng phạm vi hoạt độngcủa người dùng Do vậy, việc tận dụng ưu điểm của truyền thông cộng tác trong truyềnthông không dây làm cho mạng truyền thông đa chặng thu hút nhiều sự quan tâmtrong cộng đồng nghiên cứu [31, 32] Trong [31], nhóm tác giả cho thấy băng thôngđược sử dụng hiệu quả trong mạng đa chặng thay vì giảm tốc độ truyền thông quaviệc phân tích thông lượng Vì công suất phát tại biên tế bào có thể giảm nên ảnhhưởng của nhiễu bị giới hạn, làm cho phạm vi phủ sóng đồng đều hơn Trong [32],các tác giả đề xuất kỹ thuật chuyển tiếp và quản lý nhiễu để cải thiện hiệu nănghệ thống Xét đến thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo (CSI: ChannelState Information), [33] ứng dụng bảo mật lớp vật lý và đề xuất biểu thức xác suấtdừng bảo mật dạng tường minh để đánh giá nhanh hiệu năng mạng truyền thông đachặng Trong [33–36], các tác giả đánh giá ảnh hưởng của số lượng nút chuyển tiếp lênhiệu năng bảo mật trong mạng đa chặng Ngoài ra, [34, 36, 37] đề xuất phương pháp

chọn nút chuyển tiếp dựa vào quy trình quyết định Markov cho mạng chuyển tiếp đachặng mà đã cải thiện đáng kể tốc độ xử lý và độ trễ trong việc xử lý tín hiệu Quađó cho thấy, khối lượng công việc tại các nút chuyển tiếp đóng vai trò rất quan trọngtrong hoạt động truyền thông Vì vậy, các kết nối giữa các nút trung gian được nghiêncứu trong trường hợp không đảm bảo sự liên lạc hoặc không thể liên lạc để có thểthêm nút chuyển tiếp hay cần điều chỉnh công suất phát đối với các nút này [36] Vớiđặc thù vừa nhận tín hiệu từ nút nguồn, vừa phát tín hiệu tới nút đích hoặc các nútchuyển tiếp khác thì đồng bộ tín hiệu trong mạng truyền thông đa chặng cần đượcquan tâm [37] Các tác giả trong [37] xét mạng cảm biến đa chặng này và đề xuất giảithuật lập lịch với mục đích lập lịch làm việc-nghỉ và phát hiện các sự kiện Hiệu năngvượt trội của giải thuật này so với các giải thuật hiện hữu được chứng minh bằngthực nghiệm Bên cạnh đó, [38–40] cũng chứng minh rằng tăng số chặng truyền tinsẽ làm tăng khả năng bảo mật Nhóm tác giả trong công trình [39] đánh giá mức độcông bằng truy cập phổ tần cho người dùng và độ trễ của mạng chuyển tiếp đa chặngtheo tiêu chí xác suất dừng bảo mật Kết quả trong [39] cũng cho thấy hệ thống đạtđược phân tập đầy đủ.

,→ Các nghiên cứu nổi bậc nêu trên cho thấy mạng chuyển tiếp có ưu điểm là đápứng được số lượng người dùng ngày càng gia tăng Tuy nhiên, các công trình trên vềmạng truyền thông cộng tác hay mạng truyền thông đa chặng đều chưa xét đến cannhiễu Trong khi đó, các tác nhân gây ra can nhiễu ảnh hưởng đáng kể đến hiệu nănghệ thống.

Các tác nhân gây ra can nhiễu đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm khi đánhgiá chất lượng dịch vụ hệ thống [10–12, 43, 44, 74] Trong số các tác nhân này, khiếmkhuyết phần cứng được quan tâm đặc biệt Trong [74], khiếm khuyết phần cứng vẫncòn tồn tại trong hệ thống mặc dù đã áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu nhằm làmgiảm tác động của nó Ngoài ra, [74] đề xuất phương pháp thiết kế cơ bản để chọnphần cứng đáp ứng các yêu cầu của hệ thống truyền thông chuyển tiếp thực tế trênkênh truyền Nakagami-m [10] Với kênh truyền Rayleigh fading, nhóm tác giả trong

công trình [11] đã đánh giá xác suất lỗi ký tự trung bình cho thuật toán bù sự mất cânbằng I/Q trong mạng chuyển tiếp sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp Tuynhiên, các thuật toán bù đã đề xuất vẫn không thể loại bỏ hết ảnh hưởng của khiếmkhuyết phần cứng lên hệ thống [11] Trong [12, 13, 45], các tác giả đã phân tích một sốtiêu chí hiệu năng (xác suất dừng và dung lượng dừng) để đánh giá tác động của sựmất cân bằng I/Q tại nút chuyển tiếp lên hiệu năng mạng chuyển tiếp hai chặng Bêncạnh đó, [46–48] phân tích tác động của khiếm khuyết phần cứng lên phương phápchọn nút chuyển tiếp cơ hội và chọn nút chuyển tiếp từng phần cho mạng chuyển tiếpsử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify-and-Forward) Ngoài ra,bậc phân tập đầy đủ cũng đạt được tại tốc độ yêu cầu thấp cũng được đưa ra [46–48].

,→ Khảo sát các công trình nghiên cứu hiện hữu cho thấy rằng mạng truyền thôngkhông dây đã thu hút nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu ngoài nước Hơn nữa,số lượng người dùng cũng tăng đáng kể trong mạng vô tuyến nhận thức, mạng truyềnthông cộng tác và mạng truyền thông đa chặng Bên cạnh đó, nhiều tác giả đặc biệtquan tâm đến các tác nhân gây ra nhiễu và can nhiễu lên hiệu năng của hệ thốngtrong tình hình khan hiếm phổ tần như hiện nay Trên cơ sở đó, luận án sẽ đề cậpđến ảnh hưởng của các tác nhân gây ra can nhiễu lên các mô hình hệ thống được đềxuất mà được thể hiện cụ thể qua mục tiêu và nhiệm vụ của luận án.

1.3.2Tình hình nghiên cứu trong nước

Bên cạnh các nghiên cứu ngoài nước, nhiều công trình liên quan đến lĩnh vực truyềnthông không dây cũng đã được thực hiện trong nước Đặc biệt hơn, khi tài nguyênphổ tần vô tuyến trở nên khan hiếm thì nhiều nhà khoa học trong nước đã đề xuấtcác giải pháp nhằm khắc phục hiện trạng này qua các phương pháp truy cập phổ tầntrong mạng vô tuyến nhận thức như [49–51] Các phương pháp truy cập phổ tần nêutrên đã đem lại hiệu quả đáng kể về cải thiện hiệu suất phổ tần Trong [49], nhómtác giả đưa ra các tiêu chí đánh giá hiệu năng của hệ thống như xác suất dừng dạngtường minh chính xác, xác suất lỗi ký tự trung bình và dung lượng dừng của người

dùng nhận thức Các kết quả xấp xỉ trong [49] cho thấy độ lợi phân tập bằng với sốnút chuyển tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức có xem xét đến ràng buộc về côngsuất can nhiễu do người dùng chính định trước Ngoài ra, tỷ lệ lỗi bit cũng được đưara để đánh giá hiệu năng mạng nhận thức dạng nền sử dụng giao thức giải mã vàchuyển tiếp trên kênh truyền Rayleigh fading [50] Hơn nữa, [51–53] quan tâm đếnthiết kế về phần cứng để cải thiện hiệu năng hệ thống Các kết quả trong [53] chothấy rằng tỷ lệ lỗi ký tự thấp hơn khi chỉ dùng điều chế số theo pha tín hiệu tại ngườidùng chính so với sử dụng điều chế này cho cả người dùng chính và người dùng nhậnthức.

,→Các công trình trên cho thấy khả năng sử dụng hiệu quả tài nguyên phổ tần domạng vô tuyến nhận thức đem lại Thế nhưng, khoảng cách truyền lớn sẽ làm giảmđáng kể hiệu năng hệ thống Cho nên, truyền thông chuyển tiếp được nghiên cứu nhiềutrong thời gian qua [54–57].

Hiệu năng của mạng truyền thông cộng tác được phân tích và đánh giá trên các kênhtruyền fading khác nhau Như trong [54, 55], nhóm tác giả đã đề xuất biểu thức xácsuất dừng chính xác cho giải pháp chọn nút chuyển tiếp trên kênh truyền Rayleighfading Trong [56], thông lượng và dung lượng dừng ở dạng tường minh chính xácvà xấp xỉ đã được phân tích cho kênh truyền Nakagami-m có xét đến thu thập nănglương tần số vô tuyến Cùng xét kênh truyền Nakagami-m, các tác giả trong [58] đễxuất chọn lựa chuyển tiếp tối ưu mà được chứng minh là đạt hiệu quả hơn so vớichọn chuyển tiếp từng phần Trong [59], phân bổ công suất trong mạng cộng tác đượcđánh giá qua xác suất dừng và xác suất chặn Khi khoảng cách truyền tin càng lớn thìtruyền thông đa chặng lại là giải pháp phù hợp cho hoạt động truyền thông [60, 61].Các kết quả trong [60] chỉ ra vị trí tối ưu của các nút trung gian thực hiện chuyểntiếp tín hiệu trong mạng truyền thông đa chặng Tiêu chí hiệu năng được phân tíchtrong [60] là xác suất dừng và tỷ lệ lỗi bit.

,→Các công trình nghiên cứu trong nước vừa đề cập ở trên cho thấy khả năng mở rộngvùng phủ sóng được cải thiện đáng kể trong mạng chuyển tiếp Ngoài ra, các công trình

này không những quan tâm đến số lượng người dùng và khoảng cách truyền thông màcòn chất lượng dịch vụ của hệ thống Hơn thế nữa, nhiều nghiên cứu trong nước cũngđã phân tích các mô hình truyền thông không dây dưới ảnh hưởng của các tác nhângây ra can nhiễu, làm suy giảm hiệu năng hệ thống [62–64].

Trong công trình [62], nhóm nghiên cứu đã tận dụng hiệu suất sử dụng phổ tần caođể tăng số lượng người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức Ngoài ra, [62] cũngphân tích chính xác xác suất dừng và thông lượng có xét đến ảnh hưởng của khiếmkhuyết phần cứng Các kết quả trong [62] cho thấy hiệu năng đạt được tốt hơn khi nútchuyển tiếp sử dụng giao thức DF thay vì AF với cùng các thông số hệ thống Trongkhi đó, dung lượng kênh truyền trung bình của phương pháp chọn nút chuyển tiếptrên kênh truyền Rayleigh fading được phân tích trong [63] Các kết quả trong [63]cho thấy phương pháp chọn nút chuyển tiếp từng phần đạt hiệu quả tốt dưới tác độngcủa khiếm khuyết phần cứng Những năm gần đây, ảnh hưởng của các tác nhân gâyra can nhiễu đã được đẩy mạnh nghiên cứu trong [65–69] Trong [65], nhóm tác giả đãđề xuất giải pháp tăng số lượng nút chuyển tiếp và đã cải thiện đáng kể hiệu năng hệthống Đồng thời, đóng góp này đã chỉ ra mức khiếm khuyết phần cứng phù hợp đểhệ thống đạt được hiệu năng tốt nhất và vị trí tối ưu của các nút chuyển tiếp trongmô hình mạng.

Tính bảo mật của mạng cảm biến trong mạng cộng tác hai chặng nhận thức dưới ảnhhưởng của khiếm khuyết phần cứng đã được phân tích và đánh giá [66] Công trìnhnày cũng đề xuất giải pháp tốt nhất cho hoạt động truyền tin Với cùng kênh truyềnRayleigh fading, các tác nhân gây ra can nhiễu ảnh hưởng tới hiệu năng hệ thốngđược phân tích cho mạng vô tuyến nhận thức đa chặng có xét đến quá trình thu thậpnăng lượng và điều chỉnh công suất phát của người dùng nhận thức nhằm nâng caohiệu năng mạng [69].

,→ Đóng góp của các công trình nêu trên bao gồm đáp ứng tốt cho số lượng lớn ngườidùng và cải thiện đáng kể hiệu năng hệ thống Cụ thể là, nhiều nghiên cứu trong nướcđã đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện hiệu năng hệ thống dưới tác động của các

tác nhân gây ra can nhiễu Tuy nhiên, vào thời điểm khảo sát các công trình nổi bậtở trên thì các tác nhân gây ra can nhiễu được xem xét một cách riêng rẽ trong đánhgiá và phân tích hiệu năng hệ thống.

Sau quá trình khảo sát tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, luận án đã pháthiện ra các vấn đề mở cần nghiên cứu Cụ thể, luận án hướng tới phân tích, đánh giávà đề xuất các giải pháp cho các mô hình hệ thống liên quan đến hoạt động truyềnthông không dây Khác biệt so với những công trình đã công bố, các mô hình hệ thốngđược đề xuất trong luận án này có xem xét ảnh hưởng đồng thời của các tác nhân gâyra nhiễu và can nhiễu lên hiệu năng hệ thống Qua đó, luận án đề xuất các giải phápphù hợp cho các mô hình này nhằm cải thiện chất lượng hoạt động của hệ thống đềxuất Từ lý do chọn hướng nghiên cứu cho tới việc khảo sát tình hình nghiên cứu liênquan, luận án đã đưa ra các mục tiêu và đề xuất từng nhiệm vụ cụ thể cho từng môhình nghiên cứu.

1.4Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

1.4.1Mục tiêu nghiên cứu

Trên cơ sở khảo sát tình hình nghiên cứu liên quan tới mạng truyền thông không dây,luận án xác định hai mục tiêu và hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu thông qua các nộidung thực hiện trong những chương chính của luận án Các mục tiêu cụ thể như sau:

- Mục tiêu thứ nhất, luận án đề xuất được các mô hình hệ thống trong mạngtruyền thông không dây Chi tiết hơn, các hệ thống này sẽ được đề xuất hoạtđộng trong mạng truyền thông không dây thông thường và trong mạng khôngdây nhận thức Đặc biệt hơn, hiệu năng của các hệ thống sẽ được đánh giá dướiảnh hưởng đồng thời của các tác nhân gây can nhiễu đồng kênh.

- Mục tiêu thứ hai là phân tích được hiệu năng để đánh giá hoạt động của các hệthống đề xuất thông qua các công thức toán học dạng tường minh và dạng xấp

xỉ Ở đây, các giải pháp và các kỹ thuật kết hợp được áp dụng để cải thiện hiệunăng dưới tác động của các can nhiễu đồng kênh.

1.4.2Nội dung nghiên cứu

Sau khi xác định mục tiêu cụ thể, luận án sẽ được nghiên cứu sinh cụ thể hóa nhữngmục tiêu này thông qua các nội dung nghiên cứu chính như sau:

- Nhiệm vụ chính đầu tiên là "phân tích và đánh giá mạng truyền thông khôngdây một chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền dưới ảnh hưởngđồng thời của khiếm khuyết phần cứng và tương quan kênh truyền" Giải phápcho mô hình này là sử dụng kỹ thuật kết hợp chọn lựa tại phía thu nhằm nângcao hiệu năng hệ thống.

- Nhiệm vụ chính thứ hai là "phân tích và đánh giá mạng truyền thông không dâyhai chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền dưới ảnh hưởng đồngthời bởi các can nhiễu đồng kênh" Điều nổi bật của mô hình này là có xem xétbảo mật thông tin với sự hiện diện của nút nghe lén Do vậy, sự hiệu chỉnh vềcông suất phát của hệ thống nhằm hạn chế ảnh hưởng của can nhiễu lên ngườidùng chính cũng được đưa ra Bên cạnh đó, nhiệm vụ này đề xuất giải pháp làchọn nút chuyển tiếp tốt nhất để hỗ trợ chuyển thông tin và sử dụng kỹ thuậtkết hợp tỷ số cực đại để cải thiện hiệu năng hệ thống.

- Riêng đối với nhiệm vụ chính thứ ba, khối lượng công việc nhiều hơn khi luận ánđề xuất hai mô hình Đó là "phân tích và đánh giá mạng truyền thông đa chặngtrong mạng truyền thông không dây thông thường và trong môi trường vô tuyếnnhận thức" Cũng không nằm ngoài mục tiêu đưa ra, hiệu năng của cả hai môhình được đánh giá dưới ảnh hưởng đồng thời của các tác nhân gây can nhiễuđồng kênh Giải pháp cho cả hai mô hình này là chọn đường truyền toàn trìnhtốt nhất để cải thiện hiệu năng hệ thống.

Thông qua ba nội dung chính, các kết quả hiệu năng mô tả ảnh hưởng của can nhiễuđồng kênh làm suy giảm chất lượng hoạt động của hệ thống Từ đó, các giải phápkhác nhau đã được đề xuất như kỹ thuật kết hợp chọn lựa, kỹ thuật kết hợp tỉ sốcực đại, hay nút chuyển tiếp tốt nhất, chọn đường truyền tốt nhất được áp dụng chotừng mô hình.

1.5Cơ sở lý luận

Thông tin liên lạc luôn là khía cạnh quan trọng hàng đầu trong mọi hoạt động pháttriển của khoa học kỹ thuật Trong đó, truyền thông không dây là phân khúc đượcxem là phát triển nhanh nhất trong ngành truyền thông Đây cũng được xem là lĩnhvực thu hút nhiều sự quan tâm của người dùng và đồng thời cũng tạo ra những tháchthức cũng như cơ hội lớn cho các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông Sự phát triểncủa các hệ thống thông tin di động phát triển theo cấp số nhân trong thời gian gầnđây với hơn năm tỷ người dùng trên toàn thế giới Thực vậy, mạng truyền thôngkhông dây đã và đang thay thế cho mạng có dây ở nhiều môi trường khác nhau Bêncạnh đó, nhiều ứng dụng mới như mạng cảm biến không dây, các nhà máy tự động,các thiết bị thông minh, đang xuất hiện từ các ý tưởng nghiên cứu cho đến các hệthống cụ thể Điều này cho thấy, mạng truyền thông không dây thực sự bùng nổ vớitư cách là các hệ thống độc lập hay một phần của cơ sở hạ tầng mạng lớn hơn.Các ưu điểm vượt trội của mạng truyền thông không dây góp phần đáp ứng được nhucầu ngày càng tăng của người dùng cả về số lượng người dùng lẫn chất lượng dịchvụ Khi số lượng người dùng tăng lên thì vấn đề phát sinh đối với các nhà cung cấpdịch vụ và đặc biệt đối với nhiều nhà nghiên cứu là làm sao khai thác hiệu quả phổtần sẵn có để cung cấp đủ cho số lượng lớn người dùng Nghiên cứu về phân bổ phổtần trong truyền thông không dây cho thấy sự khan hiếm về tài nguyên phổ tần số vôtuyến [1] Bên cạnh đó, việc sử dụng phổ tần hiện hữu cũng chưa thật sự hiệu quả.Do vậy, các vấn đề trên càng tạo động lực cho nhiều nhà nghiên cứu tìm tòi nhằm

đưa ra giải pháp hữu hiệu để cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần Một trong nhữnggiải pháp thật sự nổi bật là mạng vô tuyến nhận thức [5] Ngoài ra, mạng chuyểntiếp cũng là một trong những giải pháp nổi trội đáng lưu tâm Hơn nữa, mạng truyềnthông cộng tác hay mạng truyền thông đa chặng với các ưu điểm riêng cũng đượcgiới thiệu trong giải pháp này Hơn thế nữa, chất lượng dịch vụ của hệ thống sẽ gầnthực tế khi xem xét các tác nhân gây can nhiễu trong các mô hình đề xuất Tổng hợpcác giải pháp và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống đã nêu ở trên sẽ đượctrình bày trong luận án này.

1.5.1Mạng truyền thông không dây

Mạng truyền thông không dây là mạng thực hiện truyền tải thông tin qua một khoảngcách mà môi trường truyền dẫn không có dây Mạng truyền thông không dây lần đầutiên được giới thiệu vào năm 1895 bởi Marconi với khoảng cách truyền gần 30 Km [70].Năm 1971, ALOHANET đã kết hợp bộ giao thức đầu tiên để truy cập kênh truyền vàđịnh tuyến trong hệ thống không dây dạng gói Tuy nhiên, tốc độ thấp (vào khoảng20 Kb/s) và hiệu suất không thực sự hiệu quả Ứng dụng thành công nhất của mạngtruyền thông không dây là mạng điện thoại tế bào và được FCC cấp phép dịch vụvào năm 1982 Tuy nhiên, điểm yếu là phổ tần số được sử dụng không hiệu quả, dunglượng hạn chế và khả năng đáp ứng số lượng người dùng ít Năm 1985, FCC pháttriển LAN không dây dựa vào tiêu chuẩn IEEE 802.11 đã cho hiệu suất tốt hơn, mặcdù tốc độ dữ liệu tương đối thấp (vài chục Mb/s), vùng phủ sóng nhỏ (vào khoảng150 m).

Vào những năm 1990, mạng thế hệ thứ hai (2G) được triển khai dựa trên truyềnthông kỹ thuật số Mạng 2G đem lại hiệu quả về công suất cao hơn, tốc độ cũng đượccải thiện với các dịch vụ như: giọng nói, dữ liệu, truy cập internet và nhắn tin ngắn.Đây cũng là giai đoạn xuất hiện ba tiêu chuẩn, đó là Hoa Kỳ, Nhật Bản và Châu Âu.Năm 2001 là thời điểm bắt đầu của hệ thống thế hệ thứ 3 (3G), như là CDMA2000tại Hàn Quốc, UMTS thử nghiệm ở châu Âu Đến năm 2010, xuất hiện mạng 4G,

tiêu chuẩn LTE và hoạt động ở các dải tần 700 MHz, 850 MHz, 1,9 GHz và 2,1 GHz.Tháng 10 năm 2014, FCC ban hành một ghi chú về việc mở sóng milimet (tần số caotrên 2.4 GHz) để sử dụng cho công nghệ thế hệ thứ 5 (5G) Ở đây, các hệ thống khôngdây có thể liệt kê như là các hệ thống điện thoại tế bào, điện thoại không dây, các hệthống LAN không dây, các dịch vụ dữ liệu không dây diện rộng, truy cập không dâybăng rộng, các hệ thống phân trang (paging), mạng vệ tinh, vô tuyến công suất thấpvà chi phí thấp Hiệu năng một số hệ thống truyền thông không dây mới bùng nổ nhưmạng cảm biến không dây, mạng không dây ad-hoc, mạng vô tuyến nhận thức.

1.5.2Mạng vô tuyến nhận thức

Hình 1.1: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức.

Mạng vô tuyến nhận thức (CRN: Cognitive Radio Network) được mô tả như trongHình 1.1 Ở đây, hai mạng sơ cấp và mạng thứ cấp cùng hoạt động trên cùng phổ tầnsố vô tuyến [5] Mạng sơ cấp có bản quyền sử dụng phổ tần số vô tuyến cùng với việcđược trang bị cơ sở hạ tầng mạng Trong khi đó, mạng thứ cấp không có bản quyềnsử dụng phổ tần số nhưng vẫn có thể hoạt động trên chính phổ tần của mạng sơ cấp.Do đó, vấn đề truy cập vào phổ tần cần có cơ chế để đảm bảo hai mạng có thể thựchiện hoạt động truyền tin của mình với độ tin cậy cao Phương pháp truy cập phổtần trong mạng vô tuyến nhận thức có ba dạng: xen kẽ, chồng và nền.nondi

Phương pháp truy cập phổ tần dạng xen kẽ cho phép người dùng trong mạng thứcấp có thể truy cập vào phổ tần của mạng sơ cấp khi phát hiện ra khoảng phổ tầntrống (phổ tần số chưa có người dùng sơ cấp hoạt động) Điều này cho thấy hiệu suấtsử dụng phổ tần có cải thiện nhưng chưa thật sự hiệu quả Đó là do đặc trưng củaphương pháp truy cập phổ tần dạng xen kẽ này là mạng thứ cấp hoạt động phụ thuộcvào khả năng cảm nhận và phát hiện phổ tần trống Đối với phương pháp truy cậpphổ tần dạng chồng, mạng thứ cấp sẽ hoạt động đồng thời với mạng sơ cấp nhưngphải ứng dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu đặc biệt để duy trì hoặc tăng cường hiệunăng của mạng sơ cấp Riêng đối với phương pháp truy cập phổ tần dạng nền, mạngthứ cấp có thể hoạt động song song với mạng sơ cấp Tuy nhiên, công suất phát củamạng thứ cấp phải được điều chỉnh để can nhiễu do nó gây ra cho mạng sơ cấp thấphơn mức ngưỡng được định trước [5] Phương pháp truy cập phổ tần dạng nền chothấy thông tin liên tục của người dùng mạng được đảm bảo Tuy nhiên, công suấtphát bị giới hạn sẽ làm cho vùng phủ sóng bị giới hạn.

1.5.2.1Đặc điểm của mạng vô tuyến nhận thức

Mạng vô tuyến nhận thức có hai đặc điểm chính là khả năng nhận thức và khả năngcấu hình lại [6, 21]:

• Khả năng nhận thức: cho phép tương tác thời gian thực để xác định các thôngsố thích hợp và tương ứng với môi trường vô tuyến động Nhiệm vụ cần thiếtcủa khả năng nhận thức là chọn phổ tốt nhất và các thông số thích hợp cho hoạtđộng truyền phát và được gọi là chu trình nhận thức [21, 71] Chu trình nhậnthức gồm ba bước: cảm nhận phổ, phân tích phổ và quyết định phổ tần (xemhình 1.2).

- Cảm nhận phổ : giám sát các phổ tần khả thi, nắm bắt thông tin và pháthiện phổ tần trống Cảm biến phổ có hai thang đo do trạm gốc (BS: BaseStation) xác định động là cảm biến nhanh (1 ms/kênh) và cảm biến tốt Tất

cả các người dùng nhận thức cảm nhận phổ và gửi các thông tin quan sátđược tới BS để đưa ra quyết định cuối cùng.

Hình 1.2: Chu trình nhận thức

- Phân tích phổ : dựa vào thông tin phổ tần trống có sẵn (được phản hồi từcảm biến phổ) để phân tích một số đặc tính kênh truyền và mạng cho mỗibăng tần trống nhằm xác định các tiêu chí hiệu năng (như tỷ lệ lỗi bit, dunglượng, độ trễ) để từ đó cung cấp thông tin tới quá trình quyết định phổ tần.

- Quyết định phổ tần: là quá trình chọn phổ tần trống thích hợp nhất để truyền.Quyết định phổ có thể được thực hiện bởi một thiết bị vô tuyến nhận thứchoặc nhiều thiết bị vô tuyến nhận thức cộng tác với nhau.

• Khả năng cấu hình lại: là khả năng điều chỉnh các thông số vận hành cho việctruyền thông mà không có bất kỳ thay đổi nào trên các thành phần phần cứng.Khả năng này cho phép mạng vô tuyến nhận thức thích ứng với môi trường vôtuyến động Các thông số của mạng vô tuyến nhận thức có thể cấu hình lại làtần số hoạt động, điều chế, công suất phát, kỹ thuật truyền thông.

- Khả năng thay đổi tần số: dựa vào thông tin về môi trường, tần số phù hợpnhất có thể được xác định và truyền thông có thể được thực hiện trên tần sốthích hợp này.

- Điều chế thích ứng: khả năng cấu hình lại điều chế thích ứng với yêu cầu củangười dùng và điều kiện kênh truyền Ví dụ, trong trường hợp các ứng dụngnhạy cảm với độ trễ thì tốc độ dữ liệu quan trọng hơn tỷ lệ lỗi Do đó, điềuchế với hiệu suất phổ cao nên được chọn Ngược lại, các ứng dụng nhạy cảmvới tỷ lệ lỗi thì điều chế với tỷ lệ lỗi bit thấp nên được chọn.

- Công suất phát: được điều khiển trong giới hạn cho phép Nếu hoạt độngcông suất cao hơn mức cần thiết thì vô tuyến nhận thức giảm công suất phátnày xuống thấp hơn để cho phép nhiều người dùng được chia sẻ phổ tần vàđồng thời giảm can nhiễu đối với hệ thống sơ cấp.

- Vô tuyến nhận thức cũng có thể cung cấp khả năng tương tác giữa các hệthống thông tin liên lạc khác.

Các tham số truyền dẫn của vô tuyến nhận thức có thể được cấu hình lại tại thờiđiểm bắt đầu truyền và trong cả quá trình truyền Dựa vào đặc tính phổ tần, cácthông số của cả máy phát và máy thu có thể được cấu hình lại sao cho vô tuyến nhậnthức được chuyển sang phổ tần khác cũng như giao thức thích hợp với các thông sốcủa giao thức và mức điều chế đã sử dụng.

1.5.2.2Các chức năng của vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức bao gồm bốn khối chức năng chính như sau [21, 72]:

• Cảm biến phổ tần: xác định phổ tần khả thi và phát hiện người dùng sơ cấp.Do vậy, cảm biến phổ tần rất quan trọng đối với vô tuyến nhận thức trong việctránh xung đột với người dùng sơ cấp và cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần Đểtăng xác suất phát hiện phổ tần trống thì nhiều kỹ thuật phát hiện tín hiệu cóthể được dùng trong cảm biến phổ tần như phát hiện máy phát sơ cấp, phát hiệncộng tác, phát hiện dựa vào can nhiễu Tuy nhiên, chức năng cảm biến phổ tầngặp một số khó khăn trong việc đo nhiệt độ can nhiễu, cảm biến phổ tần trongmạng có nhiều người dùng hay khả năng của bộ phát hiện phổ tần trống.

• Quản lý phổ tần: dựa vào dải phổ sẵn có và các chính sách khác, người dùngnhận thức phân bổ phổ tần khả thi tốt nhất để đạt được chất lượng dịch vụ cao.Có hai kỹ thuật quản lý phổ tần: phân tích phổ và quyết định phổ.

Phân tích phổ : đặc trưng cho môi trường vô tuyến thay đổi theo thời gian vàhoạt động của người dùng sơ cấp.

Quyết định phổ : sau khi thực hiện phân tích phổ, lúc này dải phổ tần phù hợpsẽ được chọn theo yêu cầu chất lượng dịch vụ và các đặc điểm phổ tần Khi yêucầu tốc độ dữ liệu của người dùng thì băng thông sẽ được xác định và băng tầnthích hợp được chọn theo quy tắc quyết định phổ Chức năng này gặp khó khănnhư mô hình quyết định phổ, quyết định nhiều phổ, sự cộng tác với việc cấu hìnhlại hay quyết định phổ trên dải phổ không đồng nhất.

• Tính di động phổ tần: vô tuyến nhận thức thay đổi tần số hoạt động để sửdụng phổ theo cách động để hoạt động ở dải tần tốt nhất hiện có Khi có ngườidùng sơ cấp xuất hiện thì điều kiện kênh truyền hiện tại trở nên xấu đi do tínhdi động phổ phát sinh.

• Chia sẻ phổ tần: đây là chức năng đầy thách thức trong việc chia sẻ phổ tần đểcó quyền truy cập phối hợp với người dùng khác Kỹ thuật này được thực hiệnlần lượt qua các bước: cảm biến phổ, phân bổ phổ, truy cập phổ, sự bắt tay máyphát-máy thu và tính di động phổ tần.

1.5.3Mạng chuyển tiếp không dây

Mạng chuyển tiếp ra đời nhằm nâng cao hiệu quả của việc truyền tải tín hiệu, giảmthiểu ảnh hưởng của fading Mạng chuyển tiếp sử dụng các nút trung gian giữa máyphát và máy thu để chuyển tín hiệu (cũng giống như trạm trung chuyển) Các nútchuyển tiếp còn giúp hạn chế năng lượng và công suất của máy phát Hơn nữa, khikhoảng cách truyền quá xa thì các nút chuyển tiếp thật sự cần thiết để duy trì hoạtđộng truyền tin Các nút chuyển tiếp có thể sử dụng các giao thức để xử lý tín hiệu

và thực hiện chuyển tiếp như khuếch đại và chuyển tiếp (AF) và giải mã và chuyểntiếp (DF) Đối với AF, mỗi nút chuyển tiếp chỉ cần khuếch đại tín hiệu nhận đượctheo giới hạn công suất phát và chuyển tín hiệu đã được khuếch đại trong khe thờigian phát tiếp theo Đối với DF, mỗi nút chuyển tiếp giải mã tín hiệu nhận được từnút nguồn, sau đó mã hóa thành từ mã mới và phát từ mã mới trong khe thời giantiếp theo Mạng chuyển tiếp có các ưu điểm nhưng cũng tồn tại nhược điểm như sau:Ưu điểm của mạng chuyển tiếp:

- Giảm công suất truyền tín hiệu

- Chi phí lắp đặt thấp và triển khai vận hành nhanh hơn so với việc thiết kế vàxây dựng một trạm gốc.

- Chất lượng tín hiệu được cải thiện do nút chuyển tiếp được sử dụng trong nhiềuvùng phủ sóng.

- Tăng phạm vi vùng phủ sóng

Nhược điểm của mạng chuyển tiếp:

- Khi hệ thống mạng chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật AF thì nhiễu sẽ được tăng lênnếu số chặng (hop) gia tăng Cụ thể hơn, nhiễu của chặng trước sẽ được khuếchđại cùng với tín hiệu và chuyển tiếp tới các chặng sau Tuy nhiên, kỹ thuật AFcó ưu điểm là hiện thực đơn giản và không gây trễ tín hiệu.

- Kỹ thuật DF thực hiện giải mã tín hiệu nhận được, sau đó mã hóa trở lại rồi mớichuyển tiếp tới chặng tiếp theo, Do đó, kỹ thuật DF yêu cầu phần cứng phức tạphơn so với kỹ thuật AF Đồng thời, thời gian trễ (do kỹ thuật DF) cũng lớn hơnso với việc dùng kỹ thuật AF vì cần xử lý tín hiệu tại mỗi nút chuyển tiếp Ngoàira, DF relay còn gây ra hiện tượng truyền sai (error propagation) nếu truyền tinqua chặng trước đó không tin cậy.

- Hệ thống phức tạp do việc định tuyến, chuyển giao và đồng bộ khó