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

Giảipháp đề xuất cho mạng này là dùng kết hợp chọn lựa để giảm ảnh hưởng đồng thờicủa các can nhiễu đồng kênh nàyTrong mạng truyền thông không dây hai chặng, luận án xét các can nhiễu đồ

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu

Luận án trước tiên đề xuất các mô hình truyền thông không dây nhằm mở rộng vùng phủ 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 đồng kênh cho từng mô hình được đề xuất, phân tích và đánh giá.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Với mục đích nghiên cứu đề ra, luận án hướng tới từng đối tượng và phạm vi nghiên cứu 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, khuếch đại 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 thống cụ thể như xác suất dừng hệ thống, xác suất chặn, Theo lý thuyết thông tin, xác suất dừng hệ thống của một kênh truyền thông tin được định nghĩa là xác suất mà tốc độ thông tin nhỏ hơn tốc độ thông tin ngưỡng yêu cầu [17] Thông số này cho thấy một hệ thống đề xuất có khả năng hoạt động được hay là phải dừng hoạt động truyền thông Ngoài ra, với mô hình đề xuất nào đó nếu xảy ra vấn đề nghe trộm thông tin, thì thông số xác suất chặn có thể là thông số được phân tích nhằm đánh giá hiệu năng hệ thống Xác suất chặn là xác suất mà thông tin lớn hơn mức ngưỡng được định trước bản chất của xác suất chặn là ngăn khả năng nghe lén thông tin của người dùng đối với người muốn nghe trộm thông tin Hay nói cách khác, đây chính là khả năng người nghe lén có khả năng giải mã thành công thông tin nghe được.

Sự cần thiết, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của xã hội thì truyền thông tin luôn được xem là lĩnh vực tiên phong và đi đầu trong mọi khía cạnh Cụ thể như các hệ thống truyền thông thế hệ mới đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt về tốc độ nhưng chất lượng dịch vụ vẫn phải đảm bảo Để đáp ứng được các nhu cầu càng cao trong khi nguồn tài nguyên hạn hẹp thì các công nghệ truyền thông mới phải nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số cũng như đảm bảo chất lượng dịch vụ và số lượng người dùng Một số giải pháp được xem là hiệu quả trong việc cải thiện hiệu quả sử dụng phổ như tái sử dụng tần số, công nghệ vô tuyến nhận thức. Ưu điểm của các giải pháp trên là cho phép một lượng lớn người dùng nhưng lại gây ra can nhiễu đồng kênh Bên cạnh đó, mặc dù công nghệ thiết kế phần cứng ngày càng tiên tiến nhưng những khiếm khuyết trong quá trình thiết kế và sản xuất hàng loạt vẫn tồn tại Do vậy, các nguồn can nhiễu đồng kênh luôn hiện diện trong các hệ thống truyền thông không dây trên thực tế Đây cũng là hệ quả của sự bùng nổ số lượng người dùng trong khi tài nguyên phổ tần số bị giới hạn Bản chất của các nguồn can nhiễu này sẽ ảnh hưởng đáng kể làm suy giảm hiệu năng của hệ thống trong các mạng truyền thông không dây Do vậy, sự cần thiết khi sử dụng một số kỹ thuật giảm can nhiễu có thể sử dụng như kết hợp chọn lựa, lựa chọn các nút chuyển tiếp tốt nhất hay chọn đường truyền tốt nhất cho các mô hình đề xuất Việc áp dụng các kỹ thuật này thật sự cần thiết khi hiệu quả đem lại cho thấy mức ảnh hưởng do các nguồn can nhiễu 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 như thế nào Mặt khác, các kết quả phân tích chính xác được kiểm chứng bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo Điều này giúp luận án thể hiện các đóng góp đáng tin cậy hơn Ngoài ra, các kết quả phân tích và mô phỏng khi đã trùng khớp t việc đánh giá hiệu năng hệ thống dưới ảnh hưởng do can nhiễu đồng kênh gây ra, thì các kết quả 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 các can nhiễu đồng kênh trong mạng truyền thông không dây thật sự cần thiết, cũng như mang lại ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn với các kết quả đóng góp đáng tin cậy của luận án đem lại.

Tổng quan tình hình nghiên cứu

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Ngày nay, hiệu suất sử dụng phổ tần số trong hoạt động truyền thông không dây đã được cải thiện đáng kể khi sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức [5–7] Công nghệ này được xem như là một trong các giải pháp hiệu quả khắc phục sự cạn kiệt tài nguyên phổ tần [18–20] Trong mạng vô tuyến nhận thức, người dùng thứ cấp (nhận thức) có thể sử dụng phổ tần được cấp phép qua các phương pháp truy cập khác nhau như xen kẽ (interweave), chồng (overlay) hay nền (underlay) Trong [19], nhóm tác giả dựa trên mô hình Markov để phân tích hiệu năng của người dùng nhận thức dạng 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 thức được 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 nhận thức cũng được khảo sát trong [20] Kết quả của công trình này cho thấy hiệu năng của phương pháp truy cập phổ tần dạng chồng trong mạng vô tuyến nhận thức đạt hiệu quả hơn so với mạng truyền thống Bên cạnh đó, kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức trong [20] cũng đáp ứng tốt chất lượng dịch vụ Hơn nữa, [21] và [22] đã xem xét giải pháp cho mạng vô tuyến nhận thức để giảm đáng kể khối lượng công việc của người dùng mạng và tải của các trạm gốc.

Trong [23], nhóm tác giả phân tích xác suất dừng bảo mật trong mạng chuyển tiếp nhận thức dạng xen kẽ khi nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp tỷ số cực đại (MRC: trình cho thấy rằng khoảng cách giữa nút nguồn và nút đích thứ cấp ngắn sẽ đảm bảo hiệu năng bảo mật của người dùng thứ cấp tốt hơn so với người dùng chính (sơ cấp) Trong [24], giải pháp cải thiện hiệu suất phổ tần cho mạng vô tuyến nhận thức được trình bày có xem xét sự bất đồng bộ giữa người dùng chính và người dùng nhận thức Lấy mẫu rất nhiều mức được thực hiện để khai thác đặc tính bất đồng bộ trong mạng vô tuyến nhận thức Công trình [24] cho thấy cần thiết kế bộ dò tìm phổ hiệu quả (SS: spectrum sensing) cho hoạt động truyền tin để tăng cường tín hiệu mà người dùng chính nhận được trong phương pháp truy cập phổ dạng xen kẽ Tuy nhiên, người dùng nhận thức tiết kiệm được nhiều năng lượng cho quá trình truyền tin nhưng hiệu năng của người dùng chính bị suy giảm Phương pháp truy cập phổ dạng nền khắc phục nhược điểm của phương pháp truy cập phổ dạng xen kẽ về khả năng đáp ứng thời gian thực khi cho phép hai hệ thống sơ cấp và thứ cấp cùng hoạt động tại cùng một thời điểm [18] Trong phương pháp truy cập phổ dạng nền, người dùng nhận thức có thể gây can nhiễu lên người dùng chính Do đó, ràng buộc về công suất phát đối với 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 thuật kết hợp chọn lựa hay kỹ thuật kết hợp tỷ số cực đại tại nút thu để nâng cao hiệu năng của người dùng nhận thức Các kết quả được trình bày theo xác suất dừng chính xác dạng tường minh và dạng xấp xỉ Cả hai kỹ thuật kết hợp ở nút thu cho thấy hiệu năng 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 quả trong 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 công suất 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 cần được khai thác.

Mạng chuyển tiếp cộng tác được đề xuất sử dụng phương pháp chọn nút chuyển tiếp tốt 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 suất dừng dạng tường minh chính xác Trong [26], nhóm tác giả sử dụng kỹ thuật phát hiện năng lượng để phân tích khả năng phát hiện và cảnh báo sai cho các thiết bị nhận thức thực hiện cảm biến phổ tần Bên cạnh đó, tối ưu kênh truyền và đảm bảo phân bổ công suất của người dùng chính và tối đa thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức được nghiên cứu trong [27] Các kết quả cho thấy giải thuật của [27] đem lại 20% ưu điểm so với giải thuật chuyển tiếp cộng tác truyền thống Trong [28], các tác giả chứng minh hiệu quả phân bổ tài nguyên trong mạng cộng tác nhận thức khi giảm công suất phát trung bình, giảm can nhiễu đồng kênh và duy trì chất lượng dịch vụ nhất định Bên cạnh ưu điểm về gia tăng phạm vi phủ sóng thì tốc độ truyền tin và ảnh hưởng của fading đa đường cũng là vấn đề mà nhiều nhà nghiên cứu quan tâm trong hệ thống truyền thông không dây [29, 30] Trong các công trình này, nhóm tác giả tập trung so sánh cách thức chọn nút chuyển tiếp ngẫu nhiên và cơ hội cho mạng truyền thông cộng tác và chỉ ra rằng kỹ thuật chuyển tiếp cơ hội vượt trội hơn so với kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp ngẫu nhiên.

Các công trình trên cho thấy truyền thông cộng tác giúp gia tăng phạm vi hoạt động của người dùng Do vậy, việc tận dụng ưu điểm của truyền thông cộng tác trong truyền thông không dây làm cho mạng truyền thông đa chặng thu hút nhiều sự quan tâm trong cộng đồng nghiên cứu [31, 32] Trong [31], nhóm tác giả cho thấy băng thông được sử dụng hiệu quả trong mạng đa chặng thay vì giảm tốc độ truyền thông qua việc phân tích thông lượng Vì công suất phát tại biên tế bào có thể giảm nên ảnh hưởng 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 năng hệ 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 suất dừng bảo mật dạng tường minh để đánh giá nhanh hiệu năng mạng truyền thông đa chặng Trong [33–36], các tác giả đánh giá ảnh hưởng của số lượng nút chuyển tiếp lên hiệu 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 đa chặng mà đã cải thiện đáng kể tốc độ xử lý và độ trễ trong việc xử lý tín hiệu Qua đó cho thấy, khối lượng công việc tại các nút chuyển tiếp đóng vai trò rất quan trọng trong hoạt động truyền thông Vì vậy, các kết nối giữa các nút trung gian được nghiên cứu trong trường hợp không đảm bảo sự liên lạc hoặc không thể liên lạc để có thể thêm nút chuyển tiếp hay cần điều chỉnh công suất phát đối với các nút này [36] Với đặc thù vừa nhận tín hiệu từ nút nguồn, vừa phát tín hiệu tới nút đích hoặc các nút chuyển tiếp khác thì đồng bộ tín hiệu trong mạng truyền thông đa chặng cần được quan tâm [37] Các tác giả trong [37] xét mạng cảm biến đa chặng này và đề xuất giải thuật lập lịch với mục đích lập lịch làm việc-nghỉ và phát hiện các sự kiện Hiệu năng vượt trội của giải thuật này so với các giải thuật hiện hữu được chứng minh bằng thực nghiệm Bên cạnh đó, [38–40] cũng chứng minh rằng tăng số chặng truyền tin sẽ làm tăng khả năng bảo mật Nhóm tác giả trong công trình [39] đánh giá mức độ công bằng truy cập phổ tần cho người dùng và độ trễ của mạng chuyển tiếp đa chặng theo tiêu chí xác suất dừng bảo mật Kết quả trong [39] cũng cho thấy hệ thống đạt được phân tập đầy đủ.

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

Các tác nhân gây ra can nhiễu đã được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm khi đánh giá chất lượng dịch vụ hệ thống [10–12, 43, 44, 74] Trong số các tác nhân này, khiếm khuyết phần cứng được quan tâm đặc biệt Trong [74], khiếm khuyết phần cứng vẫn còn tồn tại trong hệ thống mặc dù đã áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu nhằm làm giảm tác động của nó Ngoài ra, [74] đề xuất phương pháp thiết kế cơ bản để chọn phần cứng đáp ứng các yêu cầu của hệ thống truyền thông chuyển tiếp thực tế trên kênh 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 cân bằng I/Q trong mạng chuyển tiếp sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp Tuy nhiên, các thuật toán bù đã đề xuất vẫn không thể loại bỏ hết ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng lên hệ thống [11] Trong [12, 13, 45], các tác giả đã phân tích một số tiêu chí hiệu năng (xác suất dừng và dung lượng dừng) để đánh giá tác động của sự mất cân bằng I/Q tại nút chuyển tiếp lên hiệu năng mạng chuyển tiếp hai chặng Bên cạnh đó, [46–48] phân tích tác động của khiếm khuyết phần cứng lên phương pháp chọn nút chuyển tiếp cơ hội và chọn nút chuyển tiếp từng phần cho mạng chuyển tiếp sử 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 thông không 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 truyền thông cộng tác và mạng truyền thông đa chặng Bên cạnh đó, nhiều tác giả đặc biệt quan tâm đến các tác nhân gây ra nhiễu và can nhiễu lên hiệu năng của hệ thống trong tình hình khan hiếm phổ tần như hiện nay Trên cơ sở đó, luận án sẽ đề cập đến ảnh hưởng của các tác nhân gây ra can nhiễu lên các mô hình hệ thống được đề xuất mà được thể hiện cụ thể qua mục tiêu và nhiệm vụ của luận án.

Tình hình nghiên cứu trong nước

Bên cạnh các nghiên cứu ngoài nước, nhiều công trình liên quan đến lĩnh vực truyền thông không dây cũng đã được thực hiện trong nước Đặc biệt hơn, khi tài nguyên phổ tần vô tuyến trở nên khan hiếm thì nhiều nhà khoa học trong nước đã đề xuất các giải pháp nhằm khắc phục hiện trạng này qua các phương pháp truy cập phổ tần trong mạng vô tuyến nhận thức như [49–51] Các phương pháp truy cập phổ tần nêu trên đã đem lại hiệu quả đáng kể về cải thiện hiệu suất phổ tần Trong [49], nhóm tác giả đưa ra các tiêu chí đánh giá hiệu năng của hệ thống như xác suất dừng dạng dùng nhận thức Các kết quả xấp xỉ trong [49] cho thấy độ lợi phân tập bằng với số nút chuyển tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức có xem xét đến ràng buộc về công suất can nhiễu do người dùng chính định trước Ngoài ra, tỷ lệ lỗi bit cũng được đưa ra để đánh giá hiệu năng mạng nhận thức dạng nền sử dụng giao thức giải mã và chuyển tiếp trên kênh truyền Rayleigh fading [50] Hơn nữa, [51–53] quan tâm đến thiết kế về phần cứng để cải thiện hiệu năng hệ thống Các kết quả trong [53] cho thấy rằng tỷ lệ lỗi ký tự thấp hơn khi chỉ dùng điều chế số theo pha tín hiệu tại người dùng chính so với sử dụng điều chế này cho cả người dùng chính và người dùng nhận thức.

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

Hiệu năng của mạng truyền thông cộng tác được phân tích và đánh giá trên các kênh truyền fading khác nhau Như trong [54, 55], nhóm tác giả đã đề xuất biểu thức xác suất dừng chính xác cho giải pháp chọn nút chuyển tiếp trên kênh truyền Rayleigh fading Trong [56], thông lượng và dung lượng dừng ở dạng tường minh chính xác và xấp xỉ đã được phân tích cho kênh truyền Nakagami-m có xét đến thu thập năng lương tần số vô tuyến Cùng xét kênh truyền Nakagami-m, các tác giả trong [58] đễ xuất chọn lựa chuyển tiếp tối ưu mà được chứng minh là đạt hiệu quả hơn so với chọn chuyển tiếp từng phần Trong [59], phân bổ công suất trong mạng cộng tác được đánh giá qua xác suất dừng và xác suất chặn Khi khoảng cách truyền tin càng lớn thì truyền 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 chuyển tiếp tín hiệu trong mạng truyền thông đa chặng Tiêu chí hiệu năng được phân tích trong [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 rộng vùng 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 mà còn chất lượng dịch vụ của hệ thống Hơn thế nữa, nhiều nghiên cứu trong nước cũng đã phân tích các mô hình truyền thông không dây dưới ảnh hưởng của các tác nhân gây 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 cao để tăng số lượng người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức Ngoài ra, [62] cũng phân tích chính xác xác suất dừng và thông lượng có xét đến ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng Các kết quả trong [62] cho thấy hiệu năng đạt được tốt hơn khi nút chuyển tiếp sử dụng giao thức DF thay vì AF với cùng các thông số hệ thống Trong khi đó, dung lượng kênh truyền trung bình của phương pháp chọn nút chuyển tiếp trên 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 động của khiếm khuyết phần cứng Những năm gần đây, ảnh hưởng của các tác nhân gây ra can nhiễu đã được đẩy mạnh nghiên cứu trong [65–69] Trong [65], nhóm tác giả đã đề xuất giải pháp tăng số lượng nút chuyển tiếp và đã cải thiện đáng kể hiệu năng hệ thống Đồng thời, đóng góp này đã chỉ ra mức khiếm khuyết phần cứng phù hợp để hệ thống đạt được hiệu năng tốt nhất và vị trí tối ưu của các nút chuyển tiếp trong mô hình mạng.

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

,→ Đóng góp của các công trình nêu trên bao gồm đáp ứng tốt cho số lượng lớn người dùng và cải thiện đáng kể hiệu năng hệ thống Cụ thể là, nhiều nghiên cứu trong nước đã 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 bật ở trên thì các tác nhân gây ra can nhiễu được xem xét một cách riêng rẽ trong đánh giá và phân tích hiệu năng hệ thống.

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

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục 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 nội dung 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 mạng truyền thông không dây Chi tiết hơn, các hệ thống này sẽ được đề xuất hoạt động trong mạng truyền thông không dây thông thường và trong mạng không dây nhận thức Đặc biệt hơn, hiệu năng của các hệ thống sẽ được đánh giá dưới ảnh 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 hệ thống 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 hiệu năng dưới tác động của các can nhiễu đồng kênh.

Nội dung nghiên cứu

Sau khi xác định mục tiêu cụ thể, luận án sẽ được nghiên cứu sinh cụ thể hóa những mục 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 không dây một chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền dưới ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng và tương quan kênh truyền" Giải pháp cho mô hình này là sử dụng kỹ thuật kết hợp chọn lựa tại phía thu nhằm nâng cao hiệu năng hệ thống.

- Nhiệm vụ chính thứ hai là "phân tích và đánh giá mạng truyền thông không dây hai chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền dưới ảnh hưởng đồng thời bởi các can nhiễu đồng kênh" Điều nổi bật của mô hình này là có xem xét bảo mật thông tin với sự hiện diện của nút nghe lén Do vậy, sự hiệu chỉnh về công suất phát của hệ thống nhằm hạn chế ảnh hưởng của can nhiễu lên người dùng chính cũng được đưa ra Bên cạnh đó, nhiệm vụ này đề xuất giải pháp là chọn nút chuyển tiếp tốt nhất để hỗ trợ chuyển thông tin và sử dụng kỹ thuật kết 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 án đề xuất hai mô hình Đó là "phân tích và đánh giá mạng truyền thông đa chặng trong mạng truyền thông không dây thông thường và trong môi trường vô tuyến nhận thức" Cũng không nằm ngoài mục tiêu đưa ra, hiệu năng của cả hai mô hình được đánh giá dưới ảnh hưởng đồng thời của các tác nhân gây can nhiễu đồng kênh Giải pháp cho cả hai mô hình này là chọn đường truyền toàn trình tốt 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 nhiễu đồng kênh làm suy giảm chất lượng hoạt động của hệ thống Từ đó, các giải pháp khác nhau đã được đề xuất như kỹ thuật kết hợp chọn lựa, kỹ thuật kết hợp tỉ số cực đại, hay nút chuyển tiếp tốt nhất, chọn đường truyền tốt nhất được áp dụng cho từng mô hình.

Cơ sở lý luận

Mạng truyền thông không dây

Mạng truyền thông không dây là mạng thực hiện truyền tải thông tin qua một khoảng cách mà môi trường truyền dẫn không có dây Mạng truyền thông không dây lần đầu tiên 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 và định tuyến trong hệ thống không dây dạng gói Tuy nhiên, tốc độ thấp (vào khoảng

20 Kb/s) và hiệu suất không thực sự hiệu quả Ứng dụng thành công nhất của mạng truyền thông không dây là mạng điện thoại tế bào và được FCC cấp phép dịch vụ vào năm 1982 Tuy nhiên, điểm yếu là phổ tần số được sử dụng không hiệu quả, dung lượng hạn chế và khả năng đáp ứng số lượng người dùng ít Năm 1985, FCC phát triển LAN không dây dựa vào tiêu chuẩn IEEE 802.11 đã cho hiệu suất tốt hơn, mặc dù tốc độ dữ liệu tương đối thấp (vài chục Mb/s), vùng phủ sóng nhỏ (vào khoảng

Vào những năm 1990, mạng thế hệ thứ hai (2G) được triển khai dựa trên truyền thông kỹ thuật số Mạng 2G đem lại hiệu quả về công suất cao hơn, tốc độ cũng được cải 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 CDMA2000 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 cao trên 2.4 GHz) để sử dụng cho công nghệ thế hệ thứ 5 (5G) Ở đây, các hệ thống không dây có thể liệt kê như là các hệ thống điện thoại tế bào, điện thoại không dây, các hệ thống LAN không dây, các dịch vụ dữ liệu không dây diện rộng, truy cập không dây băng rộng, các hệ thống phân trang (paging), mạng vệ tinh, vô tuyến công suất thấp và chi phí thấp Hiệu năng một số hệ thống truyền thông không dây mới bùng nổ như mạng cảm biến không dây, mạng không dây ad-hoc, mạng vô tuyến nhận thức.

Mạng 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 trong Hình 1.1 Ở đây, hai mạng sơ cấp và mạng thứ cấp cùng hoạt động trên cùng phổ tần số vô tuyến [5] Mạng sơ cấp có bản quyền sử dụng phổ tần số vô tuyến cùng với việc được trang bị cơ sở hạ tầng mạng Trong khi đó, mạng thứ cấp không có bản quyền sử 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 thực hiện hoạt động truyền tin của mình với độ tin cậy cao Phương pháp truy cập phổ tần 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 thứ cấp có thể truy cập vào phổ tần của mạng sơ cấp khi phát hiện ra khoảng phổ tần trống (phổ tần số chưa có người dùng sơ cấp hoạt động) Điều này cho thấy hiệu suất sử dụng phổ tần có cải thiện nhưng chưa thật sự hiệu quả Đó là do đặc trưng của phương pháp truy cập phổ tần dạng xen kẽ này là mạng thứ cấp hoạt động phụ thuộc vào khả năng cảm nhận và phát hiện phổ tần trống Đối với phương pháp truy cập phổ tần dạng chồng, mạng thứ cấp sẽ hoạt động đồng thời với mạng sơ cấp nhưng phải ứng dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu đặc biệt để duy trì hoặc tăng cường hiệu năng của mạng sơ cấp Riêng đối với phương pháp truy cập phổ tần dạng nền, mạng thứ cấp có thể hoạt động song song với mạng sơ cấp Tuy nhiên, công suất phát của mạng thứ cấp phải được điều chỉnh để can nhiễu do nó gây ra cho mạng sơ cấp thấp hơn mức ngưỡng được định trước [5] Phương pháp truy cập phổ tần dạng nền cho thấy thông tin liên tục của người dùng mạng được đảm bảo Tuy nhiên, công suất phát bị giới hạn sẽ làm cho vùng phủ sóng bị giới hạn.

1.5.2.1 Đặc điểm của mạng vô tuyến nhận thức

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

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

- Cảm nhận phổ : giám sát các phổ tần khả thi, nắm bắt thông tin và phát hiện 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 sát được 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 từ cảm biến phổ) để phân tích một số đặc tính kênh truyền và mạng cho mỗi băng tần trống nhằm xác định các tiêu chí hiệu năng (như tỷ lệ lỗi bit, dung lượng, 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 thức hoặc 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 việc truyền 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 vô tuyến động Các thông số của mạng vô tuyến nhận thức có thể cấu hình lại là tần 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 hợp nhất có thể được xác định và truyền thông có thể được thực hiện trên tần số thích hợp này.

- Điều chế thích ứng: khả năng cấu hình lại điều chế thích ứng với yêu cầu của người dùng và điều kiện kênh truyền Ví dụ, trong trường hợp các ứng dụng nhạy cảm với độ trễ thì tốc độ dữ liệu quan trọng hơn tỷ lệ lỗi Do đó, điều chế với hiệu suất phổ cao nên được chọn Ngược lại, các ứng dụng nhạy cảm với 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 động công suất cao hơn mức cần thiết thì vô tuyến nhận thức giảm công suất phát này xuống thấp hơn để cho phép nhiều người dùng được chia sẻ phổ tần và đồng 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 hệ thống thông tin liên lạc khác.

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

1.5.2.2 Các 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 việc tránh xung đột với người dùng sơ cấp và cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần Để tăng xác suất phát hiện phổ tần trống thì nhiều kỹ thuật phát hiện tín hiệu có thể được dùng trong cảm biến phổ tần như phát hiện máy phát sơ cấp, phát hiện cộng tác, phát hiện dựa vào can nhiễu Tuy nhiên, chức năng cảm biến phổ tần gặp một số khó khăn trong việc đo nhiệt độ can nhiễu, cảm biến phổ tần trong

• Quản lý phổ tần: dựa vào dải phổ sẵn có và các chính sách khác, người dùng nhận 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 và hoạt động của người dùng sơ cấp.

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

Mạng chuyển tiếp không dây

Mạng chuyển tiếp ra đời nhằm nâng cao hiệu quả của việc truyền tải tín hiệu, giảm thiểu ảnh hưởng của fading Mạng chuyển tiếp sử dụng các nút trung gian giữa máy phát và máy thu để chuyển tín hiệu (cũng giống như trạm trung chuyển) Các nút chuyển tiếp còn giúp hạn chế năng lượng và công suất của máy phát Hơn nữa, khi khoảng cách truyền quá xa thì các nút chuyển tiếp thật sự cần thiết để duy trì hoạt động 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 chuyển tiếp (DF) Đối với AF, mỗi nút chuyển tiếp chỉ cần khuếch đại tín hiệu nhận được theo giới hạn công suất phát và chuyển tín hiệu đã được khuếch đại trong khe thời gian phát tiếp theo Đối với DF, mỗi nút chuyển tiếp giải mã tín hiệu nhận được từ nút nguồn, sau đó mã hóa thành từ mã mới và phát từ mã mới trong khe thời gian tiếp 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 và xây dựng một trạm gốc.

- Chất lượng tín hiệu được cải thiện do nút chuyển tiếp được sử dụng trong nhiều vùng 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 lên nếu số chặng (hop) gia tăng Cụ thể hơn, nhiễu của chặng trước sẽ được khuếch đại cùng với tín hiệu và chuyển tiếp tới các chặng sau Tuy nhiên, kỹ thuật AF có 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 mới chuyển tiếp tới chặng tiếp theo, Do đó, kỹ thuật DF yêu cầu phần cứng phức tạp hơn so với kỹ thuật AF Đồng thời, thời gian trễ (do kỹ thuật DF) cũng lớn hơn so với việc dùng kỹ thuật AF vì cần xử lý tín hiệu tại mỗi nút chuyển tiếp Ngoài ra, DF relay còn gây ra hiện tượng truyền sai (error propagation) nếu truyền tin qua chặng trước đó không tin cậy.

Kỹ thuật chuyển tiếp có thể được phân loại như sau: chuyển tiếp hai chặng khi sử dụng một nút chuyển tiếp và còn được gọi là truyền thông cộng tác; chuyển tiếp đa chặng khi có nhiều nút chuyển tiếp được dùng để truyền tin từ nút nguồn tới nút đích.

1.5.3.1 Mạng truyền thông cộng tác

Mạng truyền thông cộng tác đơn giản được miêu tả ở Hình 1.3, trong đó nút nguồn

S và nút đích D truyền thông qua kênh truyền trực tiếp h S,D và qua sự trợ giúp của nút chuyển tiếp R Nút R hoạt động ở chế độ bán song công Nút nguồn S phát quảng bá tín hiệu trong hai khe thời gian Trong khe thời gian thứ nhất, nút nguồn phát tín hiệu tới nút đích D và nút chuyển tiếp trên kênh truyền h S,D và h 1 Trong khe thời gian thứ hai, nút R nhận được tín hiệu từ S sẽ xử lý với các kỹ thuật khác nhau và sau đó chuyển tiếp tới nút đích qua kênh truyền h 2 Các giao thức chuyển tiếp như là giao thức DF, AF [72].

Hình 1.3: Mô hình truyền thông cộng tác đơn giản với một nút chuyển tiếp.

• Giao thức DF: điểm quan trọng trong giao thức này là nút chuyển tiếp nhận tín hiệu và giải mã tín hiệu đã nhận Lúc này, ảnh hưởng của nhiễu đã bị loại bỏ trước khi mã hóa trở lại và truyền lại thông tin đã được mã hóa Giả sử rằng, mô hình cộng tác đơn giản với công suất phát cố định tại S là P S và thời gian khả dụng được chia đều cho hai khe thời gian truyền thì tốc độ dữ liệu tổng trên một đơn bị băng thông sẽ là [72]:

(1.1) trong đó: R là tốc độ dữ liệu và P R là công suất phát tại nút R Công thức (1.1) cho thấy rằng tín hiệu trên nhiễu nhỏ nhất trở thành “nút thắc cổ chai" cho dung lượng tổng.

• Giao thức AF: nguyên tắc cơ bản của giao thức này là nút chuyển tiếp lấy tín hiệu nhận được và chỉ thực hiện khuếch đại tín hiệu này lên với độ lợi khuếch đại Trong khe thời gian thứ nhất, tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là tín hiệu (bị suy giảm) từ nút nguồn cộng với nhiễu Trong khe thời gian thứ hai, tín hiệu tổng là tín hiệu trực tiếp từ nguồn và tín hiệu từ nút chuyển tiếp và được biểu diễn như sau [72]: y D (2) =h S,D x (2) S +h 2 x (2) R +n (2) D (1.2)

=h S,D x (2) S +Gh1h2x (1) S +Gh2n (1) R +n (2) D trong đó: y D (2) là tín hiệu thu tại D; x (1) S và x (2) S lần lượt là tín hiệu phát tại nút nguồn S trong hai khe thời gian; n (1) R là nhiễu trắng tại nút chuyển tiếp trong khe thời gian thứ nhất và n (2) D là nhiễu trắng tại nút thu D trong khe thời gian thứ hai Độ lợi khuếch đại tại nút chuyển tiếp được ký hiệu là G và được định nghĩa như sau [73]:

Nút đích D có thể ứng dụng kỹ thuật phân tập thu nhằm giảm ảnh hưởng bởi fading đa đường Phân tập thu đảm bảo máy thu nhận cùng một thông tin trên các kênh truyền độc lập về mặt thống kê Ngõ ra của các đường truyền độc lập này được đưa qua bộ kết hợp tuyến tính và sử dụng một số kỹ thuật kết hợp khác nhau để giảm ảnh hưởng của fading đa đường lên tín hiệu thu được Kỹ thuật này được miêu tả trong Hình 1.4 Một số kỹ thuật kết hợp phân tập hiệu quả có thể được liệt kê như kết hợp chọn lựa (SC: Selection Combining) và kết hợp tỉ số cực đại (MRC: Maximal Ratio Combining).

• Kết hợp chọn lựa (SC): trong số các tín hiệu ngõ ra của bộ kết hợp thì ngõ ra có tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR: Signal-to-Noise Ratio) cao nhất sẽ được chọn Điều này đồng nghĩa với tín hiệu trên đường truyền nào có SNR cao nhất sẽ được thu tại nút đích.

Xét mô hình truyền thông cộng tác đơn giản ở Hình 1.3, tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu đầu cuối (ký hiệu là Ψ e2e theo định nghĩa của kỹ thuật SC sẽ là: Ψ e2e = max Ψ S,D Ψ R,D

(1.4) trong đó: Ψ S,D và Ψ R,D lần lượt là tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu từ nguồn S tới D và từ nút chuyển tiếp R tới D Qua đây để thấy rằng, nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp chọn lựa là thực hiện chọn tỷ số nào lớn nhất trong các tỷ số tín hiệu trên nhiễu thu được Từ đó mới xử lý tín hiệu trên kênh truyền đó.

• Kết hợp tỷ số cực đại (MRC): SNR ở ngõ ra của bộ MRC là tổng của tất cả các SNR của các đường truyền tới nút đích.

1.5.3.2 Mạng truyền thông đa chặng

Bên cạnh mạng truyền thông cộng tác, mạng truyền thông đa chặng không dây thường được ứng dụng để mở rộng vùng phủ sóng và được mô tả như Hình 1.5 Ở đây, nút nguồn S phát tín hiệu của mình tới nút đích D thông qua một tập L nút chuyển tiếp trung gian.

Truyền thông đa chặng có ưu và khuyết điểm như sau:

Hình 1.4: Bộ kết hợp tuyến tính.

Hình 1.5: Mô hình truyền thông đa chặng.

- Ưu điểm: mở rộng phạm vi phủ sóng, tiết kiệm năng lượng với khoảng cách truyền ngắn, khả năng tạo nhiễu ít, quá trình triển khai và vận hành thuận lợi, chi phí đầu tư thấp và cấu trúc mạng linh hoạt Mạng đa chặng được coi là công nghệ nền tảng cho nhiều ứng dụng mới nổi như Internet of Things (IoT).

Can nhiễu đồng kênh

Can nhiễu đồng kênh (CCI: Co-Channel Interference) hay còn gọi là giao thoa đồng kênh xảy ra khi tại một tần số vô tuyến có một máy thu nhận được hai tín hiệu vào cùng thời điểm với cường độ phát khác nhau Can nhiễu đồng kênh xuất hiện do sự tái sử dụng tần số như trong mạng thông tin di động GSM hay do sự chia sẻ phổ tần giữa mạng sơ cấp và mạng thứ cấp trong mạng vô tuyến nhận thức Bên cạnh đó, khiếm khuyết phần cứng cũng gây ra nhiễu với bản chất giống can nhiễu đồng kênh Thật vậy, can nhiễu đồng kênh được đặc trưng bởi tỉ số sóng mang trên can nhiễu và được ký hiệu là (C/I) [75] Đây chính là cường độ tín hiệu mong muốn trên cường độ tín hiệu nhiễu và can nhiễu.

1.5.4.1 Khiếm khuyết phần cứng (HI: Hardware impairment)

Phần cứng thiết bị của các hệ thống truyền thông được sản xuất thường không hoàn hảo và bị ảnh hưởng bởi nhiều tác nhân khác nhau gây ra Đặc biệt, đối với các mạng truyền thông (mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) với các kết nối như LoRa, SigFox và NB−IoT (NarrowBand-Internet of Things)) có trang thiết bị ít tiền thì mức độ ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng đến chất lượng dịch vụ càng lớn Các nguyên nhân gây ra khiếm khuyết này có thể được liệt kê như nhiễu pha, mất cân bằng I/Q hay khuếch đại phi tuyến, [42, 74] Những nguyên nhân này có thể được nghiên cứu mức ảnh hưởng riêng rẽ hay xét tổng hợp tất cả các yếu tố trên Những ảnh hưởng này cũng được xem là thước đo cho nhà thiết kế hệ thống quan tâm.

• Các nguyên nhân gây can nhiễu do khiếm khuyết phần cứng a) Nhiễu pha

Như đã biết, bất kỳ hệ thống nào trong thực tế tại máy thu đều bị ảnh hưởng bởi nhiễu nhiệt, loại nhiễu này có phân bố chuẩn phức cộng với trung bình không Nhiễu này là khiếm khuyết phần cứng và sẽ làm suy giảm chất lượng hệ thống Ở tần số vô tuyến xảy ra hiện tượng nhiễu nhiệt do hoạt động của các bộ dao động nội Nhiễu nhiệt này sẽ gây méo biên độ tín hiệu, lệch pha ở tần số tại ngõ ra của bộ dao động nội Đây là lệch pha ngẫu nhiên và còn được gọi là nhiễu pha Nhiễu pha xuất hiện ở cả máy phát và máy thu của hoạt động phát thu ở hệ thống truyền thông.

Mô hình MIMO truyền thống được xây dựng với bộ dao động không hoàn hảo được mô tả trong hình 1.6.

Hình 1.6: Sơ đồ khối một hệ thống MIMO truyền thống Quá trình dao động trong sơ đồ khối ở hình 1.6 có thể được viết lại là a T X (t) =e j(2πf c t+θ T X (t)) , (1.5) a RX (t) =e −j(2πf c t−θ RX (t)) (1.6) với θ T X và θ RX là nhiễu pha tại máy phát (TX) và máy thu (RX) Giả sử hướng lên và hướng xuống ở tần số vô tuyến sử dụng các bộ dao động chạy tự do Cũng giả sử rằng t đủ lớn để mô hình này có thể hoạt động Nhiễu pha θ(t) tăng tuyến tính theo thời gian, tốc độ c và có phương sai là σ 2 θ = E θ 2 (t)

= ct Điều này phụ thuộc vào chất lượng của bộ dao động và được có dạng: θ(t) =√ cB(t) (1.7) ở đây, B(t) là tiêu chuẩn chuyển động Brownian Do tính chất chuyển động của Brownian [81], c là tham số của quá trình nhiễu pha ngẫu nhiên Để tính được mật độ phổ công suất của a(t) thì ta cần tính hàm tự tương quan của a(t) là:

R aa (t, t+τ) = E [θ ∗ (t)θ(t+τ)] =e − 1 2 c|τ | e j2πf c t (1.8) ở đây sử dụng tính đồng nhất cho X với X ∼ N 0, σ 2 và

Công thức 1.8 có nhiễu phaθ(t)không cố định, tuy nhiên tín hiệu dao động sẽ không thay đổi khi t → ∞ Hàm mật độ công suất phổ được tìm bằng biến đổi Fourier từ công thức 1.8 khi −∞< f 0 thì OP được viết lại dưới dạng sau:

Công thức (2.20) cũng cho thấy rằng xác suất dừng của mạng thứ cấp phụ thuộc vào khiếm khuyết phần cứng và tương quan kênh truyền giữah 1 vàh 2 thông qua hệ số tương quan ρ Sử dụng hàm phân bố tích lũy có điều kiện ở (2.3) vào trong (2.20) và viết lại (2.20) dưới dạng như sau:

= 1−2M 1 + M 2 (2.21) trong đó: M1 vàM2 là hai tích phân sau đây

Công thức (2.22) được chứng minh trong Phụ lục A.1.

Tương tự, ta tính được

Tiếp theo, thay thế hàm Q và các hàm PDF vào công thức (2.23) để tính được kết quả của

M 2 Kết quả sau cùng củaM 2 được chứng minh trong Phụ lục A.2 và được trình bày như sau:

P u=1 χ t u ThayM 1 vàM 2 đã tính ở trên vào (2.21), ta thu được biểu thức xác suất dừng ở dạng tường minh chính xác như sau:

Kết quả chính xác tìm được ở công thức (2.25) cho thấy hiệu năng phụ thuộc vào các tham số đặc trưng của kênh truyền, mức ngưỡng dừngγ th , hai tác nhân gây can nhiễu lên hệ thống (hệ số tương quan kênh truyền ρ và khiếm khuyết phần cứng κ 2 ) Cụ thể , hệ số ρ càng lớn thì giá trị củaα 2 càng nhỏ (theo công thức đã đưa ra trong phần chú thích ở công thức (2.3)). Điều này dẫn tới kết quả OP càng lớn, đồng nghĩa với hiệu năng hệ thống suy giảm khi hệ số tương quan kênh truyền tăng Với cùng lý luận như ρ, giá trị của κ 2 tăng đồng nghĩa với giá trị của θ tăng Và một lần nữa, OP cũng sẽ tăng tỉ lệ thuận với θ Quan sát kỹ hơn kết quả xác suất dừng để thấy rằng OP sẽ tăng mạnh hơn khi cả can nhiễu cùng tăng theo cấp số nhân do tích của hai đại lượngα 2 vàθ.

Các kết quả

Xác suất dừng theo mức ngưỡng công suất can nhiễu

Hình 2.2: Xác suất dừng theo Ξ (dB). truyềnλ= 0.75và mức khiếm khuyết phần cứng trên các kênh truyền 0.1(κ 2 = 0.1) Kết quả đạt được từ Hình 2.2 cho thấy rằng tương quan kênh truyền làm suy giảm hiệu năng hệ thống.Mức độ ảnh hưởng của tương quan kênh truyền thể hiện rõ khi kết quả cho thấy hai mốt rõ rệch Cụ thể là, khi hệ thống chỉ có một anten thu ở nút đích (đồng nghĩa với hệ số tương quan kênh truyền là 1) thì giá trị của xác suất dừng lớn nhất So với hệ thống khi sử dụng hai anten thu ở nút đích hoàn toàn độc lập (đồng nghĩa với hệ số tương quan kênh truyền bằng0), thì hiệu năng đạt được đạt được tốt nhất Tuy nhiên, quan sát kết quả ở Hình 2.2 thấy rằng, hiệu năng giảm dần khi có sự xuất hiện của sự tương quan kênh truyền giữa nút nguồn tới nút đích.

Xác suất dừng theo hệ số tương quan kênh truyền

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

Hình 2.3 mô tả xác suất dừng theo hệ số tương quan kênh truyền ρ Trong hình này, mức ngưỡng công suất can nhiễu được cố định bằng 20 dB(Ξ = 20 dB)và tham số đặc trưng của kênh truyền vẫn là λ = 0.75 Các kết quả trong hình này cho thấy rằng hiệu năng suy giảm tỷ lệ nghịch với hệ số tương quan kênh truyềnρ Đặc biệt, khi giá trị của ρnằm trong khoảng

(0.8−1) thì xác suất dừng tăng nhanh tới 1 Thêm vào đó, khiếm khuyết phần cứng ảnh hưởng đáng kể lên chính hiệu năng này Qua kết quả này, một nhận định được đưa ra là mức khiếm khuyết phần cứngκ 2 phải được quy định ở một giới hạn cho phép Cụ thể hơn, nếu giá trị của κ 2 lớn hơn một giá trị nào đó (ví dụ như 0.9) thì hệ thống sẽ luôn luôn ngưng hoạt động bất chấp các thông số hệ thống khác.

Xác suất dừng theo mức khiếm khuyết phần cứng

Hình 2.4: Xác suất dừng theo mức khiếm khuyết phần cứng κ 2

Hình 2.4 biểu diễn xác suất dừng theo mức khiếm khuyết phần cứng κ 2 với Ξ = 20 dB và thông số đặc trưng của kênh truyền vẫn là 0.75 (λ = 0.75) Bởi vì khiếm khuyết phần cứng ảnh hưởng đáng kể lên hiệu năng hệ thống nên OP được vẽ theo mức khiếm khuyết từ 0 tới0.9 Quan sát phạm vi dao động của hiệu năng dừng, ta thấy rằng hiệu năng hệ thống suy giảm theo sự gia tăng của giá trị κ 2 Không những thế, khi hệ số tương quan kênh truyền ρ được hiệu chỉnh với các giá trị lần lượt làρ={0.1,0.5,0.9}thì hiệu năng này cũng có sự khác biệt rõ ràng Và kết quả cũng thể hiện mức độ chấp nhận được đối với hệ số tương quan kênh truyền vào mức dưới 0.5 trở lại. sát qua một dãy các giá trị nhằm quan sát xu hướng hiệu năng Cụ thể hơn, căn cứ vào kết quả phân tích ở công thức (2.19), với mức ngưỡng dừng được cố định (γ th = 1.5) dB và giá trịκ 2 = 0.7thì đại lượng(1−κ 2 γ th ) =−0.05 N P 0 θ P

PT thì hàm CDF củaZ max được viết lại như sau:

PT thì f Z max (z) = 0, và nếuz > N P 0 Θ P

PT thì hàm PDF củaZ max sẽ là f Z max (z) = λ S,PR P PT Θ P P S ∗ exp λ S,PR N 0

Sau khi đã tìm được hàm PDF của Zmax, xác suất dừng của mạng sơ cấp trong công thức (3.13) được biểu diễn dưới dạng sau:

Thay CDF và PDF trong công thức (3.1) và (3.18) vào công thức (3.19), sau khi thực hiện các tính toán tích phân, ta có được biểu thức chính xác xác suất dừng tại PR như sau:

OP P = 1− λ S,PR P PT λ PT,PR Θ P P S ∗ +λ S,PR P PT exp

− λ R,PR P PT λ PT,PR Θ P P R ∗ b+λ R,PR P PT exp

P PT λ PT,PR Θ P + λ S,PR /P S ∗ +λ R,PR /P R ∗ b

P PT (3.20) Để đảm bảo chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp thì xác suất dừng OP P phải nhỏ hơn một ngưỡng được thiết lập trước, cụ thể:

OP P ≤ε OP , (3.21) trong đó, OP là thông số được thiết lập trước.

Do đó, các nút phát thứ cấp như nguồn S và nút chuyển tiếp R b phải hiệu chỉnh công suất phát để thoả mãn điều kiện (3.21) Ta cũng cần lưu ý rằng khi phương trình (3.21) không đạt được, cũng có nghĩa rằng mạng sơ cấp không đảm bảo chất lượng dịch vụ, và trong trường hợp này mạng thứ cấp sẽ không được phép sử dụng phổ tần Hơn nữa, ta thấy rằng công suất giao thoa trung bình do nguồn S gây ra tại PR là E

P S |h S,PR | 2 =P S ∗ /λ S,PR , với E{X}là kỳ vọng toán học của biến ngẫu nhiênX Tương tự, công suất giao thoa trung bình doR b gây ra tại PR là E

P R b |h R b ,PR | 2 =P R ∗ b/λ R,PR Cho hai mức giao thoa này bằng nhau, ta có thể viết:

P S ∗ λ S,PR = P R ∗ b λ R,PR =℘ 1 (3.22) Điều kiện trong công thức (3.22) sẽ đảm bảo sự công bằng cho các nút phát thứ cấp Cụ thể, nếu nút nguồn S ở cách xa PR hơn nút chuyển tiếpR b thì nguồn S được phát với công suất lớn hơn, và ngược lại.

• Giải quyết sự ràng buộc về can nhiễu

Như vậy có hai ràng buộc về can nhiễu và xác suất chặn của hệ thống thứ cấp đối với hệ thống sơ cấp và đối với nút nghe lén Thứ nhất, cặp ràng buộc can nhiễu ở công thức (3.21) và (3.22) cần được giải quyết theo mức ngưỡng dừng được quy định bởi hệ thống sơ cấp là

OP Cụ thể hơn, công suất phát tại S vàR b ở ràng buộc trong công thức (3.22) cần được điều chỉnh theo độ lợi kênh truyền tương ứng để đảm bảo không gây ảnh hưởng lên hiệu năng hệ thống sơ cấp và được viết lại trong công thức (3.23) bên dưới:

Sau đó, thay thế hai công suất trên vào ràng buộc ở công thức (3.23) và viết lại là:

Trong trường hợp xác suất dừng của hệ thống sơ cấp bằng với mức ngưỡng dừng OP thì giải phương trình (3.25) và tìm được nghiệm ở công thức (3.26):

OP ) và9≥4δ Thay nghiệm vừa tìm được ở công thức (3.26) vào công thức (3.23) và đặtP S (1) , P R (1) b lần lượt là công suất phát tại S và nút chuyển tiếp R b với ràng buộc:

(3.27) với[x] + = max (0, x) Cặp ràng buộc can nhiễu đối với hệ thống sơ cấp trong công thức (3.27) cho thấy công suất phát của nút S và R b phải được điều chỉnh theo độ lợi kênh truyền tương ứng từ S và R b tới nút thu sơ cấp PR.

Ràng buộc xác suất chặn

Với cùng luận điểm như công thức (3.8) và (3.9), dung lượng kênh truyền tức thời tại nút nghe lén E cho cả hai khe thời gian truyền phát được biểu diễn dưới dạng các công thức sau:

, (3.29) trong đó:κ 2 E là tổng mức khiếm khuyết phần cứng của tất cả các liên kết tới nút nghe lén như là S→ E,R b →E, và κ 2 p,e là tổng mức khiếm khuyết phần cứng giữa PT và E Hơn nữa, khi

PPTN0 thì lúc này dung lượng được xấp xỉ với công thức như sau:

P PT Thêm vào đó, bởi vì kỹ thuật DF được dùng bởi S và R b nên xác suất chặn (IP - Intercept probability) có thể được cho bởi [59]

IP = Pr [max (CS,E, CR b ,E)≥CS], (3.32) trong đó: C S là tốc độ mong muốn được cho phép bởi hệ thống thứ cấp Thay hai giá trị dung lượng xấp xỉ ở công thức (3.30) và (3.31) vào (3.32), ta viết lại giá trị IP xấp xỉ của mạng thứ cấp là

E ς S. Lưu ý trong công thức (3.33), IP = 0 nếu 1−κ 2 E ς S ≤0 Vì thế, phần sau đây chỉ xét trường hợp1−κ 2 E ς S >0 Đặt γ PT,E =x Khi đó, xác suất chặn có điều kiện xđược cho bởi

Vì vậy, IP có thể được xấp xỉ bởi công thức như sau:

Bên cạnh ràng buộc về can nhiễu thì ràng buộc về xác suất chặn cần được xem xét khi có sự xuất hiện của nút nghe lén E trong mạng thứ cấp Lúc này, các nút phát S và R b cần đảm bảo thiết bị nghe lén khó giải mã được thông tin Đặt ε IP là ngưỡng chặn trên của xác suất chặn Khi đó, điều kiện đảm bảo thiết bị nghe lén khó giải mã là xác suất chặn phải bé hơn giá trị ε IP Điều kiện này được thể hiện trong công thức sau:

Cùng luận điểm như ràng buộc thứ hai về công suất phát theo giá trị trung bình của độ lợi kênh truyền như trong công thức (3.22), hai nguồn phát S và Rb cần điều chỉnh công suất phát theo giá trị trung bình của các độ lợi kênh với mong muốn khả năng giải mã của nút nghe lén là cân bằng Đặt tỷ số giữa công suất phát và độ lợi kênh tương ứng bằng giá trị℘ 2 , với ℘ 2 là một hằng số được biểu diễn như công thức (3.37) ngay bên dưới:

• Giải quyết ràng buộc về xác suất chặn

Cặp công thức (3.36) và (3.37) xét ràng buộc về xác suất chặn của hệ thống thứ cấp đối với nút nghe lén E Cách thức giải quyết tương tự như ràng buộc về can nhiễu, công suất phát của S vàR b cũng được điều chỉnh theo độ lợi kênh truyền tới nút E Sau đó, giá trị công suất bị ràng buộc này được thay thế vào xác suất chặn xấp xỉ ở công thức (3.35) và được viết lại dưới dạng sau:

IP ≈ ℘2(℘2+ 3=2)(℘ 2 += 2 ) (℘ 2 + 2= 2 ), (3.38) trong đó: = 2 = P PT ∗ ∂ E /λ PT,E Thay thế công thức (3.38) vào ràng buộc ở công thức (3.36) nhằm đảm bảo ràng buộc về khả năng chặn đối với nút nghe lén E bởi mức ngưỡng chặn IP được quy định trước như sau

Xét khi xác suất chặn IP bằng với chính mức ngưỡng thì giải phương trình để tìm được nghiệm trong trường hợp này là

Một lần nữa, thay nghiệm vừa tìm được ngay trên vào công thức ở (3.37), ta có

Công thức (3.41) cho thấy công suất phát tại S và R b cần được điều chỉnh theo độ lợi kênh truyền tương ứng tới nút nghe lén E và mức ngưỡng chặnε IP trong hệ thống thứ cấp nhằm giảm khả năng nghe lén của nút nghe lén xuống một mức mong muốn.

Sau khi giải quyết 4 ràng buộc ở các công thức (3.21), (3.22), (3.36) và (3.37) thì có thể đưa ra được ràng buộc về điều chỉnh theo công suất phát tại S và theo khoảng cách truyền giữa các liên kết Sự điều chỉnh công suất này với mục đích đảm bảo không gây can nhiễu lên hệ thống sơ cấp (thể hiện ở công thức (3.27)) và giảm khả năng nghe lén của nút nghe lén trong hệ thống thứ cấp (thể hiện ở công thức (3.41)).

Phân tích hiệu năng

Công suất phát thứ cấp

Mô hình hệ thống được đề xuất hoạt động trong hai khe thời gian nên công suất phát bị ràng buộc trong hai khe thời gian đã được đưa ra như trong công thức (3.27) và (3.41) Thêm yếu tố công suất phát bị giới hạn nên công suất phát của hệ thống thứ cấp được đưa ra như sau:

Sau khi áp dụng phương pháp hiệu chỉnh công suất phát của các nút phát thứ cấp S và R như trên, việc xây dựng tỷ số SINR là cần thiết cho quá trình phân tích hiệu năng Hệ thống hoạt động trong hai khe thời gian truyền Trong khe thời gian thứ nhất, tín hiệu thu được tại nút đích D và nút chuyển tiếp thứb được chọn có ký hiệu là y (1) S,D ,y (1) S,R b và được biểu diễn lần lượt như sau: y (1) S,D = (x S +η S )P S h S,D + (x P +η PT )P PT f PT,D +η D +n 0 , (3.44) y S,R (1) b = (xS+ηS)PShS,R b + (xP+ηPT)PPTfPT,R b +ηR b +n0 (3.45)

Tại khe thời gian thứ hai, tín hiệu nhận được tại D được ký hiệu lày (2) R b ,D và biểu diễn là: y R (2) b ,D= (xS+ηR b )PR b hR b ,D+ (xP+ηPT)PPTfPT,D+ηD+n0, (3.46) trong đó:η S ,η PT , η R b , η D , lần lượt là mức khiếm khuyết phần cứng tại S, PT, R b và D Các mức khiếm khuyết này có trung bình là không và phương sai lần lượt tương ứng là: κ 2 S , κ 2 p,s Riêng đối với mức khiếm khuyết phần cứng tại D trong hai khe thời gian sẽ có phương sai là κ 2 S,D P S γ S,D và κ 2 R b ,DP R b γ R b ,D Lúc này, việc xây dựng tỷ số SINR được đưa ra trong hai khe thời gian truyền Ở khe thời gian thứ nhất, tỷ số SINR lần lượt tại D và R b được ký hiệu Ψ (1) S,D , Ψ (1) S,R b là: Ψ (1) S,D = P S γ S,D κ 2 S P S γ S,D + 1 +κ 2 p,s

Tương tự, tại khe thời gian thứ hai, tỷ số SINR tại D, ký hiệu là Ψ (2) R b và được biểu diễn là: Ψ (2) R b = P R b γ R b ,D κ 2 R bPR b γR b ,D+ 1 +κ 2 p,R b

P PT ϕ PT,D +N 0 , (3.49) trong đó:h X,Y và f X,Y lần lượt là hệ số kênh truyền tín hiệu và kênh truyền can nhiễu từ X tới Y, với X, Y ∈ {S, Rb, P T, D} Các hệ số kênh truyền có độ lợi kênh tương ứng là γX,Y và ϕX,Y Các ký hiệu ηS, ηD, ηR b và ηPT,S là các mức khiếm khuyết phần cứng tại các nút phát thứ cấp S, R b , nút thu D và nút phát sơ cấp PT Các mức khiếm khuyết được giả sử có trung bình không và phương sai lần lượt là η S ∼ CN(0, κ 2 S ), η D ∼ CN 0, κ 2 S,D P S γ S,D

Mức khiếm khuyết phần cứng từ hệ thống sơ cấp tới các nút thu thứ cấp trong hai khe thời gian từ PT tớiR b và nút đích D là:η P T ∼CN 0, κ 2 p,R bP PT ϕ PT,R b vàη P T ∼CN 0, κ 2 p,D P PT ϕ PT,D

Gọi κ 2 D =κ 2 S +κ 2 S,R b =κ 2 S +κ 2 S,D là tổng mức khiếm khuyết của kênh truyền tín hiệu từ S tới D và từR b tới D.

Dung lượng kênh truyền tức thời giữa các liên kết như S → D, S → R b và R b → D có thể được cho bởi

Các dung lượng trên được xem như là bước chuẩn bị ban đầu cho việc thực hiện phân tích hiệu năng xác suất dừng của hệ thống thứ cấp trong hai khe thời gian truyền.

Xác suất dừng hệ thống thứ cấp

Trong hai khe thời gian truyền phát tín hiệu từ nút nguồn S, ngoài đường truyền trực tiếp từ

S tới D thì tậpM nút chuyển tiếp còn hỗ trợ hoạt động truyền phát với mong muốn mở rộng vùng phủ sóng Lúc này, xác suất dừng của hệ thống thứ cấp OP S được đưa ra dưới dạng tổng quát là

Trường hợpK =k có nghĩa là cók nút chuyển tiếp nhận và giải mã thành công tín hiệu nhận được từ nút nguồn S Khi đó, xác suất để trường hợp này xảy ra là

Trường hợp còn lại K = 0 trong công thức (3.53) ở trên đồng nghĩa với việc không có nút chuyển tiếp nào giải mã thành công tín hiệu nhận được từ nút nguồn S Khi đó, xác suất cho trường hợp này là

Tiếp theo, ta lần lượt tính các xác suấtPr [K =k],Pr [C S,D < C S , C R b ,D < C S ],Pr [K = 0]và

Pr [C S,D < C S ]trong công thức (3.53) như bên dưới:

I = Pr [CS,D < CS, CR b ,D< CS]

Lúc này, xác suất dừng dạng tường minh chính xác OP S được đưa ra sau khi thay thế công thức (3.56), (3.57) và (3.58) vào công thức (3.53) Xác suất dừng hệ thống thứ cấp là:

Công thức (3.60) biểu diễn xác suất dừng của hệ thống thứ cấp Xác suất này cho thấy rằng

OPS bằng tổng của hai đại lượng lần lượt là không nút chuyển tiếp nào nhận dữ liệu rồi giải mã thành công và có nút chuyển tiếp nhận dữ liệu rồi giải mã thành công Trong trường hợp thứ nhất, mô hình hệ thống thứ cấp sẽ đơn thuần là đường truyền trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích và có xét đến bảo mật chống lại nút nghe lén Trong trường hợp còn lại, khi cók nút chuyển tiếp giải mã thành công tín hiệu nhận được từ S thì sẽ thực hiện mã hóa trở lại trước khi phát tới nút đích Và kết quả cho thấy trong đại lượng này bằng với tổ hợp chậpk củaM nút chuyển tiếp Đồng thời, giá trị này còn phụ thuộc vào điều kiện ràng buộc tại nút phát S và nút chuyển tiếp được chọn phải thấp hơn mức ngưỡng cho trước thông qua xác suất I.

Các kết quả

Công suất phát thứ cấp

Công suất phát của người dùng thứ cấp tại nút phát S và các nút chuyển tiếp được mô phỏng theo P PT /N 0 (dB) và thể hiện ở Hình 3.2 Kết quả từ Hình 3.2 cho thấy công suất phát tại nút nguồn S và nút chuyển tiếp tỷ lệ thuận theoP PT Đó là vì ở vùng công suất phát cao thì chất lượng dịch vụ (QoS) của mạng sơ cấp có thể vẫn đáp ứng yêu cầu với công suất phát cao của các nguồn phát thứ cấp Bên cạnh đó, các nút chuyển tiếp R và nút nguồn S có thể dùng công suất phát cao với giá trịε IP lớn.

Hình 3.2: Tỷ số công suất phát trên công suất nhiễu theo P PT /N 0 khi x R = 0.5, x E =y E = 0.5, κ 2 P = 0.01, κ 2 E = 0.05, κ 2 s,p =κ 2 p,e = 0.02 và C S = 0.25 bps/Hz.

Hình 3.3: Xác suất dừng và xác suất chặn theo P PT /N0 khi x R = 0.5, x E = y E 0.5, κ 2 P = 0.01, κ 2 E = 0.05, κ 2 s,p =κ 2 p,e = 0.02 và C S = 0.25 bps/Hz.

Xác suất dừng và xác suất chặn

Xác suất dừng của mạng sơ cấp (OP P ) và xác suất chặn tại nút nghe lén (IP) được mô phỏng theo PPT/N0 (dB) Kết quả đạt được trong Hình 3.3 cho thấy giá trị xác suất dừng và xác suất chặn thấp hơn giá trị ε OP vàε IP Điều này có nghĩa là sự cấp phát công suất được đề xuất không chỉ đảm bảo về chất lượng dịch vụ (QoS) của mạng sơ cấp mà còn giảm xác suất chặn của nút nghe lén như mong đợi.Đáng chú ý là các kết quả mô phỏng trong hình 3.3 là trùng khớp với kết quả phân tích đạt được ở phần 3.2 được trình bày ở trên.

Xác suất dừng của mạng thứ cấp

Hình 3.4: Xác suất dừng của mạng thứ cấp theo P PT /N0 khi x R = 0.5, x E =y E = 0.5, κ 2 P = 0.01, κ 2 D =κ 2 E = 0.05, κ 2 s,p =κ 2 p,e =κ 2 p,s = 0.02, C S = 0.25 bps/Hz và ε IP = 0.25.

Xác suất dừng của mạng thứ cấp (OPS) được mô phỏng theo giá trị của PPT (dB) với số lượng nút chuyển tiếpM khác nhau và được thể hiện ở Hình 3.4 Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu năng dừng được cải thiện tốt hơn với số lượng nút chuyển tiếp lớn Ngoài ra, giá trị xác suất dừng của mạng thứ cấp giảm dần khi giá trị P PT tăng lên Và một lần nữa, kết quả này còn cho thấy độ chính xác của kết quả phân tích khi trùng khớp với kết quả mô phỏng.

Xác suất dừng theo mức khiếm khuyết phần cứng

Hình 3.5 mô phỏng xác suất dừng của mạng thứ cấp theo mức khiếm khuyết phần cứng κ 2 D tương ứng với các tọa độ khác nhau của các nút chuyển tiếpM Hình 3.5 cho thấy rằng hiệu năng dừng tăng khi mức khiếm khuyết κ 2 D tăng Ngoài ra, tọa độ của các nút chuyển tiếp cũng ảnh hưởng đáng kể tới hiệu năng dừng của hệ thống thứ cấp Cụ thể là Hình 3.5 cho thấy rằng mô hình được xem xét đạt được hiệu năng tốt nhất khi tọa độ của các nút chuyển tiếp được đặt ở vị trí tọa độ R(x R = 0.7,0) và hiệu năng này xấu nhất khi(x R = 0.2,0) Lúc này, khoảng chênh lệch hiệu năng giữa hai vị trí này vào khoảng hơn 0.45 dB.

Hình 3.5: Xác suất dừng của mạng thứ cấp theoκ 2 D khiP PT /N0 = 25dB,x E =y E = 0.5, κ 2 P = 0, κ 2 E =κ 2 D , κ 2 s,p =κ 2 p,e =κ 2 p,s =κ 2 D /5, C S = 0.25 bps/Hz, M = 15 và ε IP = 0.25.

Hiệu năng dừng được mô tả theo giá trị mức khiếm khuyết phần cứng tương ứng với các vị trí ngẫu nhiên của nút chuyển tiếp R Giá trị OP tăng dần đều tỷ lệ thuận với ảnh hưởng của mức khiếm khuyết này Điều này đồng nghĩa với hiệu năng suy giảm khi hệ thống hoạt động dưới tác động của can nhiễu đồng kênh gây ra.

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

Kết quả ở Hình 3.5 cho thấy hiệu năng dừng của hệ thống thứ cấp khác nhau tương ứng vị trí của các nút chuyển tiếp có vị trí tọa độ (x M ,0) khác nhau Cụ thể, vị trí tọa độ của R được lấy ngẫu nhiên để quan sát xu hướng hệ năng thay đổi như thế nào Tuy nhiên, để có nhận xét khách quan hơn với kết quả ở Hình 3.6 với vị trí nút nghe lén thay đổi.

Hình 3.6 vẽ xác suất dừng của mạng thứ cấp theo tọa độ (hay vị trí) của tập các nút chuyển tiếp tương ứng với các tọa độ (hay vị trí) khác nhau của nút nghe lén Hình này cho thấy rằng vị trí của các nút chuyển tiếp ảnh hưởng đáng kể đến xác suất dừng của mạng thứ cấp Bên cạnh đó, ta có thể tìm được vị trí tốt nhất của nút chuyển tiếp nhằm đạt được hiệu năng tốt nhất Ngoài ra, hình này cũng cho thấy các vị trí khác nhau của nút nghe lén E ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống Cụ thể là khi nút nghe lén E gần với nút phát thứ cấp thì xác suất dừng lớn hơn và ngược lại.

Hình 3.6: Xác suất dừng của mạng thứ cấp theo vị trí của các nút chuyển tiếp R khi P PT /N 0 = 25 dB, x E = 0.5, κ 2 P = 0, κ 2 D = κ 2 E = 0, κ 2 s,p = κ 2 p,e = κ 2 p,s = 0, C S = 0.25 bps/Hz, M = 15 và ε IP = 0.25.

Hơn nữa, quan sát kết quả trên để thấy rằng giá trị của xác suất dừng thay đổi không đồng về công suất phát của các nút phát thứ cấp đã làm tham số hiệu năng dừng thay đổi Sự hiệu chỉnh công suất phát được đề xuất cần đảm bảo không gây can nhiễu lên hệ thống sơ cấp,đồng thời chặn khả năng giải mã thành công đối với nút nghe lén trong hệ thống thứ cấp Do vậy, hiệu năng của hệ thống cũng đã dao động không đồng đều trong phạm vi mô tả.

Mô hình # 1: Truyền thông đa chặng trong mạng không dây thông thường 83

Giới thiệu mô hình hệ thống thứ nhất

Mô hình truyền thông không dây trong mạng đa chặng được đề xuất như Hình 4.1, trong đó nút nguồn S muốn phát tín hiệu tới nút đích D thông qua kỹ thuật truyền thông đa chặng. Giả sử rằng có nhiều đường truyền giữa bộ phát/thu, và chỉ có một đường truyền duy nhất được chọn để truyền tín hiệu đi Giả sử rằng có N nguồn can nhiễu được ký hiệu lần lượt là

I 1 ,I 2 , ,I N gây ra can nhiễu đồng kênh lên các nút chuyển tiếp R và nút thu D.

Hình 4.1: Đề xuất mô hình truyền thông đa chặng trong mạng vô tuyến thông thường

Mô hình giả sử có một tậpL m các nút chuyển tiếp trên đường truyền thứ m và được ký hiệu trang bị chỉ một anten và hoạt động ở chế độ bán song công (HD: Half-Duplex) Điều này có nghĩa là tín hiệu phát trên đường truyền thứ m được truyền trongL m + 1 khe thời gian trực giao và sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA: Time division Multiple Access) Hệ số kênh truyền h X,Y có độ lợi kênh truyền γ X,Y của đường truyền tín hiệu từX−Y, với X, Y ∈ {S,D,R m,u , I n },u= 1,2, , L m vàn = 1,2, , N Giả sử rằng tất cả các kênh truyền chịu Rayleigh fading Do đó, độ lợi kênh truyền γ X,Y là biến ngẫu nhiên (RV: Random Variable) có phân phối mũ với tham số đặc trưng làλ X,Y Hệ số suy hao đường truyền được ký hiệu làβ với 2≤β ≤6và thể hiện trong công thức như sau [104]: λ X,Y =d β X,Y , (4.1) với d X,Y là khoảng cách đường truyền giữa X và Y Hàm CDF và hàm PDF của γ X,Y trên kênh truyền Rayleigh fading có thể lần lượt được cho bởi:

F γ X,Y (x) = 1−exp (−λ X,Y x), (4.2) fγ X,Y (x) =λX,Y exp (−λX,Yx) (4.3) trong đóF U (.)vàf U (.): hàm CDF và hàm PDF của biến ngẫu nhiênU có tham số đặc trưng kênh truyềnλ X,Y = 1/E {ϕ X,Y }=d β X,Y [127–129] , E {.}: kỳ vọng của biến ngẫu nhiên U.

Nút nguồn truyền tín hiệu tới nút đích qua nhiều chặng với sự hỗ trợ của các nút chuyển tiếp Các nút mạng phát/thu tín hiệu theo chế độ bán song công Do vậy, thông tin sẽ được truyền/nhận một cách tuần tự qua từng chặng Khi đó, tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu đầu cuối lớn nhất sẽ được chọn để truyền tín hiệu từ nguồn tới đích, và tín hiệu lúc này sẽ được dùng để giải mã tại nút đích Hiệu năng của mô hình được đánh giá qua xác suất dừng dưới ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng và N nguồn can nhiễu.

Giải pháp: chọn đường truyền toàn trình tốt nhất

Xét tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu và can nhiễu đầu cuối:

Trước tiên, xét tín hiệu tại chặng thứ u bất kỳ trên đường truyền được chọn thứ m Khi đó, ảnh hưởng của can nhiễu đồng kênh và khiếm khuyết phần cứng có thể được xem xét thông qua tín hiệu thu được tại nút chuyển tiếp thứuqua kênh truyền h m , ký hiệu lày R m,u và được viết dưới dạng sau: y R m,u = (x+η S )p

X n=1 pP I f I n ,R m,u +η R m,u +n 0 , (4.4) trong đó: ký hiệuxlà tín hiệu được phát tại nút S với công suất là P S Hai hệ số η S vàη R m,u lần lượt ký hiệu cho hệ số khiếm khuyết phần cứng tại nút phát S và nút chuyển tiếp thứu. Hai hệ số này cũng là biến ngẫu nhiên có giá trị trung bình là không và phương sai lần lượt là κ 2 S và κ 2 R m Đặt κ 2 = κ 2 S +κ 2 R m là tổng mức khiếm khuyết phần cứng của đường truyền từ Rm,u−1 →Rm,u [12, 44] Ký hiệu n 0 là nhiễu Gaussian trắng cộng với phương sai là N 0 và được giả sử đều xuất hiện ở tất cả các thiết bị thu Bên cạnh đó, công thức (4.4) cho thấy công suất can nhiễu từ tất cả các nguồn can nhiễu đồng kênh là P I Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu và can nhiễu tức thời (SINR) thu được tại nút chuyển tiếp thứ {m, u} là [116]: Ψ R m,u−1 ,R m,u = PSγR m,u−1 ,R m,u κ 2 R m,u−1 PSγR m,u−1 ,R m,u +κ 2 R m,u PSγR m,u−1 ,R m,u+

(4.5) trong đó độ lợi kênh truyền từ nguồn can nhiễu tới nút chuyển tiếp R m,u là ϕ I n ,R m,u Để đơn giản trong việc phân tích và trình bày, ta sử dụng các ký hiệu sau: R m,0 ≡ S và

R m,L+1 ≡ D, ∀ m Cụ thể, tỷ số SINR tức thời của chặng đầu tiên và chặng cuối cùng trên đường truyền thứ m được ký hiệu là Ψ R m,0 ,R m,1 và Ψ R m,Lm ,R m,Lm+1 Khi đó, công thức (4.5) được viết lại như sau: Ψ R m,u−1 ,R m,u = P γ R m,u−1 ,R m,u κ 2 P γ R m,u−1 ,R m,u +

, (4.6) với κ 2 = κ 2 R m,u−1 +κ 2 R m,u , P = PS/N0 và Q = PI/N0 Vì kỹ thuật DF được dùng tại các nút chuyển tiếp nên tỷ số SINR tức thời đạt được trên đường truyền thứ m được tính như sau [116]: Ψ m e2e = min u=1,2, ,L m +1(Ψ R m,u−1 ,R m,u ) (4.7)

Do đó, đường truyền tốt nhất được chọn để tối đa hóa SINR đạt được tại nút đích, theo phương thức sau: b = arg max m=1,2, ,M(Ψ m e2e ) (4.8)

Đánh giá hiệu năng

4.1.3.1 Xác suất dừng chính xác của hệ thống

Xác suất dừng là một trong những tham số quan trọng được đưa ra để đánh giá hiệu năng của hệ thống đề xuất Xác suất dừng tại nút đích (ký hiệu là OP) được định nghĩa là xác suất mà tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu của hệ thống nhỏ hơn mức ngưỡng dừng được định trước và được biểu diễn dưới dạng toán học là:

, (4.9) trong đó γ th là mức ngưỡng dừng được định trước bởi người dùng sơ cấp Khi đó, thay SINR Ψ b e2e ở công thức (4.8) vào công thức (4.9) và viết lại OP như sau:

Công thức (4.10) cho thấy rằng OP m là xác suất dừng của đường truyền thứ m Do đó, đối tượng tiếp theo cần tìm chính là giá trịOP m này Đầu tiên, kết hợp công thức (4.7) và công thức (4.10) để viết lại như sau:

(4.11) với OP m,u là xác suất dừng của chặng thứ u và được tính bởi công thức sau:

Kế tiếp, thay công thức (4.5) vào công thức (4.11), ta đạt được

Quan sát từ công thức (4.13) để thấy rằng nếu1−κ 2 γ th ≤0thìOP = 1 Điều này cũng đồng nghĩa rằng hệ thống sẽ luôn luôn dừng khi 1−κ 2 γ th ≤0 Trong trường hợp còn lại, ta sẽ xét

1−κ 2 γ th >0và công thức (4.13) có thể được viết lại như sau:

, (4.14) với ρ 1 = P(1−κ Qγ th 2 γ th ) và ρ 2 = P (1−κ γ th 2 γ th ) Ta có thể viết công thức (4.14) dưới dạng tường minh như sau:

1 ,Rm,u (x 1 ) f ϕ IN ,Rm,u (x N )dx 1 dx N (4.15)

Thay hàm PDF và CDF ở công thức (4.2) và (4.3) của các biến ngẫu nhiên vào công thức (4.15) và viết lại:

Thực hiện các thao tác đơn giản hóa, ta đạt được công thức xác suất dừng tường minh chính xác của nút chuyển tiếp qua chặng từ u−1tới u của đường truyền thứ m:

Tuy nhiên, xác suất dừng của hệ thống đề xuất mới chính là hiệu năng cần tìm Do vậy, kết hợp các công thức (4.10), (4.11) và (4.17) để có kết quả mong muốn được trình bày như công thức theo sau:

N Q n=1 λ In,Rm,u λ In,Rm,u +λ Rm,u−1 ,Rm,u ρ 1 exp −λ R m,u−1 ,R m,u ρ 2

Quan sát từ kết quả trong công thức (4.18), ta thấy rằng xác suất dừng chính xác được cho bởi tích các đại lượng chuyển tiếp với đường truyền được chọn bởi giải pháp đề xuất Ngoài ra, hiệu năng này phụ thuộc vào số lượng nút chuyển tiếpM, số chặngL, hệ số khiếm khuyết κ 2 , mức ngưỡng được quy định γ th Đặc biệt hơn là kết quả còn thể hiện sự tác động đồng thời không chỉ riêng hệ sốκ 2 mà còn số lượng nguồn can nhiễu N lên hiệu năng hệ thống.

4.1.3.2 Xác suất dừng xấp xỉ

Bên cạnh xác suất dừng tường minh chính xác đạt được như công thức (4.18) nêu trên, xác suất dừng dạng xấp xỉ cũng được đưa ra tại các giá trị công suất phát lớn cho đến vô cùng, nghĩa làP →+∞ Khi P →+∞ thì ρ 1 →0và ρ 2 →0 Hơn nữa, áp dụng công thức xấp xỉ cho hàm mũ ở công thức (4.19) bên dưới để tính hàm CDF trong công thức (4.15).

Hàm CDF trong công thức (4.15) được tính lại dưới dạng xấp xỉ như sau:

Thay giá trị xấp xỉ của hàm CDF có được ở công thức (4.20) vào công thức (4.15), sau đó thực hiện các thao tác cần thiết để đạt được xác suất dừng xấp xỉ tại nút chuyển tiếp thứ u trên đường truyềnm như sau:

Hơn nữa, xác suất dừng trên đường truyền thứm trong công thức (4.11) có thể xấp xỉ ở SNR lớn (nghĩa là công suất phátP lớn) như sau:

ThayOP m,u ở công thức (4.21) vào công thức (4.22), ta đạt được xác suất dừng xấp xỉ trên đường truyền thứm như sau:

Tiếp đến là thay thế các tham số củaρ 1 vàρ 2 vào công thức (4.23) để viết lại là:

Xác suất dừng trên đường truyềnm nêu trên cho thấy hiệu năng trên đường truyền này tốt hơn ứng với các giá trị {Q, γ th , κ 2 } nhỏ và cũng như các giá trị {P, λ R In ,R m,u } lớn Sau cùng, thay xác suất dừng trên đường truyền thứ m trong công thức (4.23) vào (4.10) để đạt được xác suất dừng xấp xỉ như sau:

Xác suất dừng xấp xỉ đạt được trong công thức (4.25) cho thấy rằng giá trị này ngoài phụ thuộc vào công suất phátPI thì còn phụ thuộc vào các thông số khác trong mô hình được đề xuất Ngoài ra, công thức (4.25) còn cho thấy bậc phân tập của hệ thống bằng với chính số lượng nút chuyển tiếp Nhận định này cũng sẽ được chứng minh ngay trong phần tiếp theo.

4.1.3.3 Bậc phân tập của mô hình đề xuất

Bậc phân tập được định nghĩa bởi công thức toán học như sau [130]:

Thực hiện kết hợp các công thức (4.25) và (4.26) và thay giá trị của ρ1 và ρ2 để có được bậc phân tập của mô hình đề xuất như sau:

P n=1 λ Rm,u−1 ,Rm,u λ RIn ,Rm,u ρ M 1 log (P) ,

Công thức (4.27) cho thấy rằng bậc phân tập của mô hình đề xuất thứ nhất bằng với số đường sẵn có giữa nguồn và đích.

Các kết quả đạt được của mô hình truyền thông đa chặng trong mạng không dây thông thường

chặng trong mạng không dây thông thường

Kết quả mô phỏng bằng phương pháp Monte Carlo được thực hiện trong phần này nhằm mục đích minh chứng các kết quả phân tích đạt được trong phần 4.1 Ở đây, mô hình đề xuất được xét trong không gian hai chiều Oxy với các tọa độ của nút phát S, nút chuyển tiếp R m,u thứ u trên đường truyền thứ m, nút thu D và nút can nhiễu thứ n lần lượt là (0,0), u

, (1,0), và(x n , y n ), m= 1,2, , M, u= 1,2, , L m và n = 1,2, , N Trong tất cả các kết quả mô phỏng được trình bày theo sau, hệ số suy hao đường truyền được cố định với β= 3. 4.1.4.1 Xác suất dừng theo công suất phát

Hình 4.2: Xác suất dừng theo P/N 0 khi M = 3, L m ∈ {2,3,4}, N = 2, x n ∈ {0.5,0.5}, y n ∈ {−1,1}, γ th = 1 dB và κ 2 = 0.01

Hình 4.2 mô tả xác suất dừng OP theo P/N 0 (dB) với các giá trị Q khác nhau Hình này hệ thống kém hơn do công suất phát cao hơn công suất của các nguồn can nhiễu Quan sát kỹ hơn kết quả này để thấy rằng độ dốc của các đường cong OP tại vùng công suất cao bằng

3, điều này có nghĩa là bậc phân tập đạt được bằng 3 Giá trị này thể hiện kết quả phân tích với bậc phân tập bằng với số lượng đường truyền(M)giữa nút phát S và nút thu D Hơn thế nữa, kết quả mô phỏng phù hợp với hiệu năng đã phân tích và hội tụ dần về tiệm cận với kết quả xấp xỉ tại vùng có SNR cao.

4.1.4.2 Xác suất dừng theo số lượng nguồn can nhiễu

Tương tự như kết quả ở Hình 4.2, Hình 4.3 cho thấy hệ thống hoạt động tốt hơn theo sự tăng của SNR Hơn nữa, hình này còn cho thấy ảnh hưởng của số lượng nguồn can nhiễu lên xác suất dừng Vì mục đích minh họa, ta đặt tất cả các nguồn can nhiễu tại cùng một vị trí trên trục tọa độ tại (x n , y n ) = (0.5,1)ứng với tất cả các giá trị của n Cần lưu ý là mô hình với

N nguồn can nhiễu tại cùng một vị trí tương đương với mô hình có một nguồn can nhiễu được trang bị N phát Như kỳ vọng, hiệu năng của mô hình đề xuất trong Hình 4.3 tốt hơn khi giảm số lượng nguồn can nhiễu Ngoài ra, bậc phân tập đạt được là 2 do chỉ có hai kênh truyền (M = 2) giữa nút phát S và nút thu D.

Hình 4.3: Xác suất dừng theo P/N0 khi M = 2, Lm ∈ {3,4}, Q = 10 dB, xn = 0.5 (∀n), y n = 1 (∀n), γ th = 1 dB và κ 2 = 0.01

4.1.4.3 Xác suất dừng hệ thống với bậc phân tập

Hình 4.4: Xác suất dừng theo P/N 0 khi M = 2, L m = 2 (∀m), Q = 10 dB, N = 1, xn = 0.5, yn = 1, γ th = 1 dB và κ 2 = 0.01

Hình 4.4 cho thấy bậc phân tập của mô hình đề xuất thay đổi từ 1 tới 3 và tương ứng với số lượng đường truyền sẵn sàng Giả sử rằng tất cả các đường truyền đều có hai nút chuyển tiếp, tức làL m = 2 Kết quả này cho thấy OP giảm khi tăng số lượng kênh truyền M Ngoài ra, bậc phân tập cho cả phân tích và mô phỏng đều là 3 khiM = 3 Hay khi M = 2 thì bậc phân tập tính được từ Hình 4.4 cũng bằng 2 và bằng đúng số nút chuyển tiếp Như vậy kết quả mô phỏng hoàn toàn trùng khớp với kết quả phân tích đạt được ở công thức (4.27).

4.1.4.4 Xác suất dừng theo mức khiếm khuyết phần cứng

Hình 4.5 khảo sát ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng lên hiệu năng dừng của mô hình đề xuất Không ngoài dự đoán, giá trị của OP tăng lên ứng với mức khiếm khuyết phần cứng κ 2 lớn và giá trị ngưỡng dừng γth thấp Như đã chứng minh ở kết quả phân tích trong phần 4.1, mô hình đề xuất luôn luôn dừng trong trường hợp1−κ 2 γth≤0 (xem công thức (4.13)). Với các thông số γ th = 1.5 dB và κ 2 = 0.7 trong Hình 4.5 thì bất đẳng thức này xảy ra vì

−0.05 β 2 > > β N > 0 Với phương pháp phân bổ công suất như vậy, nút thu PR sẽ giải mã tín hiệu s (1) PT n và áp dụng kỹ thuật khử can nhiễu tuần tự (SIC) để loại bỏ thành phần √ β n P PT h PT n ,PR s (1)

PTn trong tín hiệu thu y PR (1) tại nút đích sơ cấp và sau đó giải mã s (1) PT n+1 Nếu kỹ thuật SIC là hoàn hảo thì tín hiệu được sử dụng để giải mã làs (1) PT n+1 và có thể được viết lại như sau: z (1) PR,n+1 N

+n (1) PR , (4.30) trong đóz PR,1 (1) ≡y PR (1) Đối với tín hiệu s (1) PT

N, công thức (4.30) được viết lại là: z PR,N (1) =p β N P PT h PT N ,PR s (1)

Kết hợp các công thức (4.29), (4.30) và (4.31), SINR thu được tại PR, để giải mã s (1)

PTn, được viết lại như sau: Ψ (1) PR,s

• Xét hệ thống thứ cấp

Xét mạng thứ cấp trong khe thời gian đầu tiên, tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếpR m,1 có thể được biểu diễn như sau: y R m,1 =q

Từ công thức (4.33), SINR tạiR m,1 được tính như sau: ΨR m,0 ,R m,1 P R m,0 γ R m,0 ,R m,1 κ 2 ss P R m,0 γ R m,0 ,R m,1 + 1 +κ 2 ps P N n=1 β n P PT ϕ PT n, R m,1 +N 0

Trong các khe thời gian kế tiếp, dữ liệu nguồn sẽ được gửi đến các chặng tiếp theo, sử dụng các kỹ thuật DF hoặc AF Phần sau sẽ lần lượt xem xét các giao thức chuyển tiếp M-DF-P và M-AF-P trên đường truyền thứm.

Hai giao thức chuyển tiếp trong mạng

4.2.2.1 Xét giao thức giải mã và chuyển tiếp đa chặng (M-DF-P)

Trong giao thức M-DF-P, nút chuyển tiếp thứ nhất của đường truyền thứm(R m,1 )giải mã tín hiệus S rồi mã hóa trở lại, và sau đó chuyển tiếp tới nútR m,2 trong khe thời gian thứ hai Tổng quát hơn, tại khe thời gian thứt, tín hiệus S được truyền trên đường truyền Rm,t−1 →R m,t Lúc này, tại nút thu sơ cấp PR, tín hiệu thu được được viết ra như sau: y (t) PR,DF N

PT n là tín hiệu của PT n trong khe thời gian này,P R m,t−1 là công suất phát của R m,t−1

Tương tự như trong khe thời gian đầu, PR sử dụng kỹ thuật SIC để giải mã tất cả các tín hiệu Tương tự như công thức (4.32), các giá trị SINR tại PR trong khe thời gian thứ t lần lượt là: Ψ (t) s

P u=n+1 β u P PT γ PTu,PR +( 1+κ 2 sp) P R m,t−1 ϕ R m,t−1 ,PR +N 0

Sử dụng công thức (4.36), ta đưa ra công thức tính giá trị SINR đạt được tại nút chuyển tiếp thứt trên đường truyền thứ m (R m,t ) như sau: Ψ R m,t−1 ,R m,t = P R m,t−1 γ R m,t−1 ,R m,t κ 2 ss P R m,t−1 γ R m,t−1 ,R m,t + 1 +κ 2 ps P N n=1 β n P PT ϕ PTn,R m,t +N 0

Hơn nữa, với các nút chuyển tiếp DF, ta có thể thiết lập biểu thức tính dung lượng kênh toàn trình của đường truyền thứ m như sau:

Lưu ý rằng hệ số1/(L m + 1) ngụ ý là hoạt động phát tín hiệu của mạng thứ cấp được thực hiện trongL m + 1 khe thời gian trực giao.

4.2.2.2 Xét giao thức khuếch đại và chuyển tiếp đa chặng (M-AF-P)

Trong giao thức M-AF-P, R m,1 khuếch đại tín hiệu nhận được từ nguồn, và tín hiệu được khuếch đại làz R m,1 =G R m,1 y R m,1 , vớiG R m,1 là hệ số khuếch đại Sau đó,R m,1 sẽ gửiz R m,1 đến

R m,2 trong khe thời gian thứ hai Bởi vì P R m,1 = G 2 R m,1 E

|y R m,1 | 2 nên áp dụng công thức

(4.33), hệ số khuếch đạiG R m,1 được xác định như sau:

Kế tiếp, tín hiệu nhận được tại PR và nútRm,2 lần lượt được cho bởi: y PR,AF (2) N

+n (2) PR , (4.41) yR m,2 ,AF =hR m,1 ,R m,2 zR m,1 +ηR m,1 ,R m,2

Tương tự như [10], các thành phần nhiễu phần cứngη R m,1 ,PR và η R m,1 ,R m,2 lần lượt được biểu diễn như sau:

|yR m,1| 2 =κ 2 sp PR m,1, (4.43) Var η R m,1 ,R m,2 =κ 2 ss G 2 R m,1 E

Kết hợp hai công thức (4.41) và (4.43), SINR tại PR để giải mã s (2) PT n được tính như sau: Ψ (2) s

P u=n+1 β u P PT γ PTu,PR +( 1+κ 2 sp) P R m,1 ϕ R m,1 ,PR +N 0

Tiếp theo, kết hợp các công thức (4.33), (4.42) và (4.44), SINR nhận được tạiR m,2 được cho bởi: ΨR m,2 = γR m,0 ,R m,1γR m,1 ,R m,2 γ R m,0 ,R m,1 +γ R m,1 ,R m,2 + 1 (4.46)

Lưu ý rằngΨ R m,0 ,R m,1 và Ψ R m,1 ,R m,2 được cho bởi công thức (4.38).

Tiếp theo, R m,2 khuếch đại y R m,2 ,AF , và sau đó chuyển tiếp tín hiệu đã khuếch đại tới nút chuyển tiếp R m,3 trong khe thời gian thứ ba Sử dụng phương pháp quy nạp, SINR tại R m,t trong khe thời gian thứt được biểu diễn như sau: ΨR m,t t

, (4.47) trong đó1< t≤L m+1 Vì vậy, dung lượng kênh toàn trình trên đường truyền thứm sẽ là

Thay thế SINR ở công thức (4.47) vào (4.48) để có được dung lượng kênh toàn trình trên đường truyền m là:

Giải pháp đề xuất: chọn lựa đường truyền tốt nhất

Giải pháp đề xuất cho mô hình truyền thông đa chặng trong mạng không dây nhận thức là chọn đường truyền tốt nhất cho cả hai giao thức DF và AF đa chặng để tối đa dung lượng kênh toàn trình Một cách tổng quát, ta có thể viết:

, (4.50) trong đób(b ∈ {1,2, , M}) ký hiệu đường truyền tốt nhất và Z ∈ {DF,AF} Với giải pháp chọn đường truyền tốt nhất thì các nút thứ cấp phải ước lượng CSI của các đường truyền tín hiệu và các đường truyền can nhiễu Hơn nữa, các máy phát sơ cấp gồm có các nút nguồn và các nút chuyển tiếp cũng phải biết công suất phát Thông qua hoạt động thiết lập định tuyến và hoạt động duy trì hệ thống, các nút mạng nhận thức có thể trao đổi các CSI đã được ước lượng và công suất phát với nhau Do vậy, nút nguồn có thể đạt được thông tin của SINR tức thời (cũng như là dung lượng kênh truyền tức thời) của tất cả các chặng để hệ thống có thể chọn đường truyền tốt nhất bằng giải thuật được đề xuất trong công thức (4.50) Ở đây cũng giả sử rằng ước lượng CSI là lý tưởng và không đổi trong mỗi lần truyền tín hiệu từ nguồn tới đích, và các kênh truyền giữa các nút mạng là Rayleigh fading.

Phân tích hiệu năng hệ thống của mô hình truyền thông đa chặng trong mạng không dây nhận thức

thông đa chặng trong mạng không dây nhận thức

Hiệu năng hệ thống được đánh giá thông qua tiêu chí là xác suất dừng của mạng nhận thức và mạng sơ cấp Bên cạnh đó, công suất phát cho các nút phát nhận thức cũng được hiệu chỉnh nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ đối với mạng sơ cấp.

4.2.4.1 Hiệu năng của mạng sơ cấp

Giả sử đường thứmđược chọn để truyền tín hiệu từ nguồn đến đích Xét khe thời gian truyền thứt của mạng thứ cấp Dung lượng kênh tối thiểu giữa PT n và PR là:

Xác suất dừng là tiêu chí được đề xuất để đánh giá hiệu năng hệ thống và được định nghĩa là xác suất mà C PR,min (t) nhỏ hơn mức ngưỡng (ký hiệu là C P,th ) và được cho bởi biểu thức sau:

, trong đó: C P,th là tốc độ ngưỡng được định trước bởi người dùng sơ cấp và θP,m = 2 (L m +1)C P,th −1 (4.53)

Công thức (4.52) cho thấy mạng sơ cấp sẽ dừng nếu một trong các tín hiệu s (t)

PT n không thể được giải mã thành công Đặc biệt, áp dụng các RV độc lậpΨ (t) s PT n thì công thức (4.52) có thể được viết lại là:

, (4.54) trong đó:Pr Ψ (t) s PTn < θ P,m là xác suất giải mã sais (t) PT n Kết hợp công thức (4.37) và (4.54), ta có

PTu,PR(x u )dx u , (4.55) trong đó: a u,n 

P PT (4.56) Thay các hàm CDF và PDF ở công thức (4.2) và (4.3) vào (4.55), ta đạt được

, (4.57) trong đó: g u,n " N Y u=n+1 λ PT u ,PR λPT u ,PR+au,nλPT n ,PR

#λ R m,t−1 ,PR bnλPT n ,PR exp (−λ PT n ,PR c n ), l n = λ R m,t−1 ,PR bnλPT n ,PR

Thay công thức (4.57) vào công thức (4.54), xác suất dừng của mạng sơ cấp trong khe thời gian thứt có thể được bởi dạng tường minh chính xác như sau:

4.2.4.2 Công suất phát của mạng thứ cấp

Trước tiên, ta quan tâm đến chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp như sau:

OP (t) PR ≤ε OP , (4.60) trong đó: ε OP là giá trị tối đa cho phép của xác suất dừng tại bất kỳ khe thời gian nào và được xem là thông số quan trọng cho vấn đề thiết kế hệ thống mạng sơ cấp Do vậy, công suất phát của nút chuyển tiếpRm,t−1 đạt được bằng cách giải phương trình OP (t) PR = ε OP Sử dụng công thức (4.59), ta có:

Do đó, nhiệm vụ tiếp theo là tìm nghiệm dương (ký hiệu τ m,t−1 ∗ ) của phương trình (4.61). Khi đó, công suất phát của nút chuyển tiếpR m,t−1 sẽ làP R m,t−1 =P PT τ m,t−1 ∗ Tuy nhiên, nếu phương trình (4.61) không có nghiệm thực dương nào thìR m,t−1 sẽ không được phép truy cập vào phổ tần số có bản quyền (hay nói cách khác thì P R m,t−1 = 0).

Ví dụ: khiN = 2 thì τ m,t−1 ∗ là nghiệm của phương trình (4.62) như sau: τ m,t−1 2 + (l1+l2)τm,t−1 +pu = 0, (4.62) trong đó: p u =l 1 l 2 −g u,1 g u,2 /(1−ε OP ) Thêm vào đó, nếu phương trình ở công thức (4.62) có một nghiệm thực dương thì nghiệm đó là: τ m,t−1 ∗ = −(l 1 +l 2 ) + q (l 1 +l 2 ) 2 −4p u

Ta cũng dễ dàng nhận thấy từ phương trình (4.62) là do tổng hai nghiệm của phương trình này bằng −l 1 −l 2 < 0 nên phương trình bậc 2 này nếu có nghiệm dương thì nghiệm còn lại phải là nghiệm âm Hay nói cách khác, phương trình trong công thức (4.62) nếu tồn tại một nghiệm dương thì nghiệm đó là duy nhất Trong trường hợp tổng quát (N>2), ta có thể chứng minh được rằng phương trình trong công thức (4.62) nếu có nghiệm dương thì nghiệm đó là duy nhất Điều này có ý nghĩa rằng chỉ tồn tại duy nhất một giá trị công suất phát cho các nút phát thứ cấp.

Tiếp đến, ta nghiên cứu công suất phát của nút phát thứ cấp Rm,t−1 ở các miền giá trị lớn củaP PT Đầu tiên, khi P PT →+∞, ta có g u,n P PT ≈ →+∞

" N Y u=n+1 λ PT u ,PR λ PT u ,PR +a u,n λ PT n ,PR

Do đó, khi giá trị P PT lớn thì phương trình trong công thức (4.61) được viết lại như sau:

Vì vậy, nếuτ m,t−1 ∗∗ là nghiệm dương của (4.65) thì τ m,t−1 ∗∗ sẽ độc lập với công suất phát sơ cấp

P PT Do đó, khi P PT →+∞ thì P R m,t−1 P PT ≈ →+∞ τ m,t−1 ∗∗ P PT , hay nói cách khác công suất phát

PR m,t−1 sẽ tăng (hoặc giảm) tuyến tính theo PPT khi PPT có giá trị lớn.

Hơn nữa, ta cũng lưu ý rằng trước khi nút nguồn thứ cấp bắt đầu hoạt động truyền tin thì đường truyền tốt nhất đã được chọn bởi nút nguồn và tất cả các máy phát sơ cấp trên đường truyền được chọn phải điều chỉnh công suất phát của họ Trong thực tế, giá trịP R m,t−1 có thể được tính toán bởi mạng sơ cấp, sau đó gửi tới mạng thứ cấp Trong các mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền truyền thống [125, 126] thì các máy phát thứ cấp phải điều chỉnh công suất phát theo CSI tức thời giữa các máy phát thứ cấp và các máy thu sơ cấp Tuy nhiên, các phương pháp này rất phức tạp vì các ước lượng CSI được yêu cầu phải hoàn hảo và phải đáp ứng tức thời theo sự thay đổi của kênh truyền.

4.2.4.3 Xác suất dừng của mạng thứ cấp

Hiệu năng của mạng thứ cấp được đánh giá thông qua xác suất dừng đầu cuối cho cả hai giao thức M-DF-P và M-AF-P Xác suất dừng được định nghĩa như sau:

OP m,Z , (4.66) trong đó: Z ∈ {AF,DF}, C S,th là tốc độ mục tiêu được định trước của mạng thứ cấp và ký hiệu OP m,Z = Pr C m e2e,Z < C S,th là xác suất dừng đầu cuối của đường truyền thứ m Phần tiếp theo sẽ tính toán giá trịOP m,Z lần lượt theo từng giao thức DF và AF.

Trong giao thức M-DF-P, xác suất dừng đầu cuối của đường truyền thứ m được ký hiệu là

OP m,DF và được biểu diễn dưới dạng chính xác như sau:

(4.67) trong đó: θ S,m = 2 (L m +1)C S,th −1, ρ 1,n = 1 +κ 2 ps θ S,m β n P PT (1−θ S,m κ 2 ss )P R m,t−1 , ρ 2 = N 0 θ S,m

Công thức (4.67) được chứng minh trong phụ lục C.1.

Công thức (4.67) cho thấy rằng nếu1−θ S,m κ 2 ss >0thìOP m,DF tại giá trịP PT lớn có thể được xấp xỉ như sau:

Y n=1 λ PT n, PR λ PT n ,PR +λ R m,t−1 ,R m,t ρ ∗ 1,n , (4.69) trong đó: ρ ∗ 1,n = 1 +κ 2 ps θ S,m β n

Chứng minh công thức (4.69): ta thấy rằng khi P PT → ∞ thì P R m,t−1 P PT ≈ →+∞ τ m,t−1 ∗∗ P PT và exp −λR m,t−1 ,R m,tρ2

≈ 1 Thay hai giá trị trên vào Mệnh đề 1 ở công thức (4.67), ta sẽ đạt được công thức (4.69).

M-AF-P Đối với giao thức M-AF-P, bởi vì công thức SINR toàn trình rất phức tạp nên biểu thức chính xác của xác suất dừng không thể đạt được Thay vào đó, luận văn sẽ đưa ra biểu thức cận dưới để đánh giá OP toàn trình cho giao thức M-AF-P Sử dụng phương pháp đánh giá cận dưới được đề xuất trong công trình [131], ta sẽ xét hai biến ngẫu nhiênX 1,m = min q=1, ,T 1 Ψ R m,q−1 ,R m,q và X 2,m = min r=T 1 +1, ,L m +1 Ψ R m,r−1 ,R m,r

, trong đó T 1,m = b(L m + 1)/2c và bxc là số nguyên lớn nhất, nhỏ hơn hoặc bằng với x Sau đó, SINR đầu cuối Ψ R m,Lm+1 (xem trong công thức (4.47) hoặc (4.49)) có thể được chặn trên như trong công trình [131]: Ψ R m,Lm+1 ≤ X 1,m X 2,m

Tiếp theo, ta sẽ tìm hàm CDF của X 1,m và X 2,m Hàm CDF của X 1,m và X 2,m có thể được đưa ra lần lượt là:

Công thức (4.72) và (4.73) được chứng minh trong phụ lục C.2

Công thức (4.73) cho thấy rằng nếu 1−κ 2 ss x ≤ 0 thì f X 2,m (x) = 0, và nếu 1−κ 2 ss x > 0 thì hàm PDF củaX 2,m có thể đạt được là: fX 2,m(x) L m +1

Tiếp theo, ta đưa ra biểu thức giới hạn biên dưới củaOP m,AF như trong trường hợp sau đây:

• Nếu 1−(κ 4 ss + 2κ 2 ss )θS,m≤0 thì OPm,AF = 1.

• Nếu 1−(κ 4 ss + 2κ 2 ss )θ S,m >0 thìOP m,AF bị ràng buộc bởi biểu thức sau:

Công thức (4.77) được chứng minh trong phụ lục C.3.

Ta có nhận xét rằng khiP PT →+∞ thì SINR của hai giao thức M-DF-P và M-AF-P trong

(4.38) có thể được xấp xỉ như sau: Ψ R m,t−1 ,R m,t P PT ≈ →+∞ τ m,t−1 ∗∗ γ R m,t−1 ,R m,t κ 2 ss τ m,t−1 ∗∗ γ R m,t−1 ,R m,t + 1 +κ 2 ps P N n=1 β n ϕ PTn,R m,t

Công thức (4.79) cho thấy rằng ΨR m,t−1 ,R m,t tại giá trị PPT lớn không phụ thuộc vào PPT và đây là lý do tại saoOP m,Z OP e2e Z hội tụ tới hằng số khi P PT →+∞ Điều này có nghĩa là bậc phân tập của cả hai giao thức M-DF-P và M-AF-P đều bằng không.

Tiếp đến, ta cóOP m,AF luôn bằng 1 nếu 1−h

(1 +κ 2 ss ) L m +1 −1i θ S,m ≤ 0 Thật vậy, trước tiên, ta viết lại tỷ số SINR Ψ R m,Lm+1 dưới dạng sau: ΨR m,Lm+1 = 1

Kết hợp hai công thức (4.38) và công thức (4.80), ta có: Ψ R m,Lm+1 = 1

Từ đó, dễ thấy rằng nếu1−h

Hơn thế nữa, ta có thể thấy rằng nếuκ 2 ss ≥ κ DF ss 2

= max m=1,2, ,M(1/θ S,m ) thì tất cả các đường truyền trong giao thức M-DF-P sẽ dừng và do vậy giao thức M-DF-P này luôn luôn dừng bất kể giá trị của các tham số khác trong hệ thống như thế nào Trong khi đó, giao thức M-AF-P luôn dừng nếu (xem phần trước đó) κ 2 ss ≥ κ AF ss 2

, (4.83) trong đó: κ DF ss 2 và κ AF ss 2 được gọi là mức khiếm khuyết phần cứng của hai giao thức M- DF-P và M-AF-P Bởi vì κ DF ss 2

≥ κ AF ss 2 nên giao thức M-AF-P nhạy cảm với khiếm khuyết phần cứng hơn so với giao thức M-DF-P.

• Trường hợp bộ thu phát hoàn hảo:κ 2 ss =κ 2 sp =κ 2 ps = 0.

Trong trường hợp này, xác suất dừng chính xác cận dưới của hệ thống thứ cấp khi sử dụng

Y b=1, (a,b)6=(r,l) ω ∗ a,b ω ∗ a,b −ω r,l ∗ , à 1 = ε ∗ q,n ξ r,l ∗ θ S,m +χ ∗ q,n , à 2 = θ S,m 2 +θ S,m θ S,m +χ ∗ q,n , à 3 =θ S,m +ω r,l ∗ (4.85) Công thức (4.84) được chứng minh trong phụ lục C.4.

4.2.5 Các kết quả đạt được của mô hình truyền thông đa chặng trong mạng không dây nhận thức

Các kết quả phân tích hiệu năng hệ thống được kiểm chứng bằng mô phỏng Monte-Carlo. Ngoài ra, mục này cũng so sánh xác suất dừng đầu cuối của hai giao thức M-DF-P và M-AF-P. Các nút mạng trong hệ thống được đặt trong tọa độ hai chiều Oxy Giả sử rằng có hai máy phát sơ cấp với tọa độ là PT 1 (0.35,0.5) và PT 2 (0.6,0.5), trong khi máy phát thứ cấp PR được đặt tại vị trí tọa độ (0.45, 0.5) Như đề cập trong phần mô hình hệ thống, công suất phátPT 1 cao hơn so vớiPT 2 , do vậy ta có thể thiết lập hệ số β 1 = 1 và β 2 = 0.2.

Kết luận mô hình truyền thông đa chặng trong mạng không dây nhận thức

Mô hình hệ thống đề xuất được phân tích, đánh giá và so sánh trong mạng nhận thức dạng nền với các giao thức DF và AF Một số kết quả hữu ích đạt được trong mô hình truyền thông đa chặng trong mạng không dây nhận thức có thể được tóm tắt như sau: thứ nhất, công suất phát của các máy phát thứ cấp có thể tăng theo công suất phát của máy phát sơ cấp; thứ hai, hệ thống khi sử dụng giao thức M-DF-P sẽ cho hiệu năng tốt hơn so với giao thức M-AF-P; thứ ba, bậc phân tập của hai giao thức AF và DF đều bằng không, gây ra bảo hòa hiệu năng; thứ tư, giao thức M -AF-P nhạy cảm với khiếm khuyết phần cứng hơn so với giao thức M-DF-P; sau cùng, xác suất dừng của hai giao thức được cải thiện bằng cách tăng số đường truyền giữa nguồn và đích trong mạng thứ cấp, hoặc giải pháp cải thiện khác là trang bị phần cứng thu phát tốt hơn cho các nút thứ cấp.

Dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo

Dựa vào các kết quả đạt được sau quá trình học tập và nghiên cứu, dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo của nghiên cứu sinh cụ thể như sau:

- Mô hình ở Chương 2 có thể được mở rộng sang mạng vô tuyến nhận thức bằng cách xét can nhiễu tương hổ giữa mạng sơ cấp và mạng thứ cấp qua các kênh truyền fading khác thực tế hơn như Nakagami-m và Rician Hơn nữa, mô hình này có thể phát triển với nhiều anten phát và anten thu tại các thiết bị thứ cấp, kết hợp với áp dụng các kỹ thuật truyền/nhận phân tập để nâng cao hiệu năng của hệ thống thứ cấp.

- Mô hình ở Chương 3 có thể phát triển thêm bằng cách ứng dụng các kỹ thuật tạo nhiễu (jamming) để hạn chế khả năng nghe trộm tín hiệu của nút nghe lén Hơn nữa, mô hình này có thể mở rộng đến trường hợp các khoảng cách giữa nút nguồn (nút đích) đến các nút chuyển tiếp là không đồng đều và hoạt động trên các kênh truyền fading tổng quát hơn như Nakagami-m và Rician.

- Hiệu năng của các mô hình trong Chương 4 có thể được nâng cao khi các nút mạng được trang bị với nhiều anten và hoạt động trên các kênh truyền fading tổng quát hơn Bên cạnh đó, các phương pháp chọn tuyến đơn giản hơn cũng sẽ được đề xuất nhằm giảm độ phức tạp của thuật toán chọn tuyến tốt nhất trong thực tế.

- Cuối cùng, các mô hình đề xuất trong luận án sẽ được áp dụng và phát triển trong các mạng thông tin vô tuyến khác như bảo mật lớp vật lý, thu thập năng lượng sóng vô tuyến, mạng truyền thông gói tin ngắn.

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

1 T.T Duy, P.T.D Ngoc, T.T Phuong, “Performance Enhancement for Multi-hop Cognitive DF and AF Relaying Protocols under Joint Impact of Interference and Hardware Noises: NOMA for Primary Network and Best-Path Selection for Sec- ondary Network," Wireless Commun and Mobile Computing, vol 6, no 19, pp. 1-15, Apr 2021.

2 P.T.D Ngoc, T.T Duy and H.V Khuong “Outage Performance of Cooperative Cognitive Radio Networks under Joint Constraints of Co-Channel Interference, In- tercept Probability and Hardware Imperfection," EAI Trans Industrial Networks and Intelligent Systems, vol 6, no 19, pp 1-8, Jun 2019.

1 P.T.D Ngoc, H.V Khuong, D.N Hanh, and P.H Lien, “Security Capability Analysis of Cognitve Radio Network with Secondary User Capable of jamming and Self-Powering," Journal of Computer Science and Cybernetics, vol 36, no 3, pp. 205-231, 2020.

2 P.T.D Ngoc, T.T Duy, H.V Khuong and N.T Binh, “Performance Evaluation of Best Path Selection Protocol in Multi-hop Relaying Networks under Joint Impact of Co-channel Interference and Hardware Impairment,"Journal of science and Technol- ogy: Issue on Information and Communications Technology, vol 4, no 1, pp 33-38, Sept 2018.

3 P.T.D Ngọc, T.T Duy và H.V Khương, “Đánh giá xác suất dừng mạng vô tuyến nhận thức dạng nền dưới sự tác động đồng thời của tương quan kênh truyền và khiếm khuyết phần cứng," Chuyên san Công nghệ thông tin và Truyền thông (LQDTU- JICT), Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật Quân sự, số 11, pp 49-63, năm 2018.

4 P.T.D Ngọc, T.T Duy, V.N.Q Bảo and H.V Khương, “Chọn lựa nút chuyển tiếp nâng cao hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với sự xuất hiện của nút nghe lén và khiếm khuyết phần cứng," Các công trình nghiên cứu phát triển CNTT và Truyền thông, Tập V-1, số 17, (37), pp 75-86, tháng 6 năm 2017.

• Kỷ yếu hội nghị quốc tế

1 P.T.D Ngocand H.V Khuong, “Non-Orthogonal Multiple Access-assisted Cogni- tive Radio Networks: Performance Analysis,” Proceedings of IEEE GTSD, Khanh Hoa, Vietnam, pp 447-453, 29-30 July 2022.

2 P.T.D Ngoc and H.V Khuong, “Analysis on Reliability and Security of Energy Harvesting-Assisted Relaying Communications,” Proceedings of IEEE ICCE, Khanh Hoa, Vietnam, pp 545-548, 27-29 July 2022.

3 P.T.D Ngoc, N.B Trung, N Huynh, and Thiem Do-Dac, “Security Analysis of Relay Selection in Energy Scavenging-based Cognitive Networks," Proceedings of IEEE ATC,HCM City, Vietnam, pp 14-16, Oct 2021.

4 P.T.D Ngoc, H.V Khuong, D.D Thiem, V.Q Son and P.N Son, “Security for Jamming-Aided Energy Harvesting Cognitive Radio Networks," The 2021 Interna- tional Symposium on Electrical and Electronics Engineering,Ho Chi Minh City, Viet Nam, pp 41-44, Apr 2021.

5 P.T.D Ngoc, H.Q Bao, H.V Khuong, and P.H Lien, “Secrecy Throughput Analysis of Energy Scavenging Overlay Networks with Artificial Noise," Proceedings of IEEE ATC, Nha Trang, Vietnam, pp 90-94, Oct 2020.

6 P.T.D Ngoc, D.D Thiem, H.V Khuong, V.Q Son and P.N Son, “On Security Capability of Cooperative Communications in Energy Scavenging Cognitive Radio Networks,"2019 International Conference on Advanced Technologies for Communi- cations (ATC), Ha Noi, Viet Nam, pp 89-93, Oct 2019.

7 P.T.D Ngoc, D.D Thiem, H.V Khuong, V.Q Son and P.N Son, “Effect of Nakagami- m Fading on Secrecy Outage of Energy Scavenging Underlay Cognitive Networks,"

2019 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC),

Ha Noi, Viet Nam, pp 287-291, Oct 2019.

8 P.T.D Ngoc, H.V Khuong, D.D Thiem, V.Q Son and P.N Son, “Security Analysis for Cognitive Radio Network with Energy Scavenging Capable Relay over Nakagami- mFading Channels,"The 2019 International Symposium on Electrical and Electron- ics Engineering,Ho Chi Minh City, Viet Nam, pp 44, Oct 2019.

9 P.T.D Ngoc, H.V Khuong, D.D Thiem, V.Q Son and P.N Son, “Energy Har- vesting Cooperative Cognitive Networks: Relay Selection for Information Security," The 2019 International Symposium on Electrical and Electronics Engineering, Ho Chi Minh City, Viet Nam, pp 41, Oct 2019.

Chứng minh M 1

Công thức (2.22) trong Chương 2 được viết lại dưới dạng như sau:

Thay hàm mật độ xác suất củaU, f U (u) =λexp (−λu), vào trong công thức (A.2), ta viết lạiA1(x) như sau:

Thực hiện đổi biến t =√ u để viết lại A 1 (x) như sau:

! dt (A.4) Áp dụng [133, phương trình (36)] để đưa ra A 1 (x) về dạng chính xác như sau

1. Hơn nữa, sử dụng [133, phương trình (2)] để rút gọn A 1 (x) trong (A.5) như sau

Thay (A.6) và (2.16) trong Chương 2 vào (A.1), ta viết lại M 1 như sau:

Sau khi tính các tích phân trong (A.7) thì M1 được biểu diễn dưới dạng tường minh là

Chứng minh M 2

Tương tự như cách tính M1 , ta viết lại M2 trong (2.24) dưới dạng:

Một lần nữa, đổi biến lại được sử dụng trong (A.10) với t=√ u:

Khi đó, áp dụng [133, phương trình (59)] để đưa A 2 (x) về dạng:

√ 2λ+2α 1 Thay f Z min (x) trong (2.16) và (A.12) vào trong (A.9) để viết lại M2 dưới dạng sau:

Các giá trị củaJ 1 , J 2 và J 3 ở các công thức vừa đưa ra ở trên sẽ được tính toán chính xác ngay theo sau. Đối với J 1 , tích phân ở công thức (A.14) sẽ dễ tính được là

Riêng đối với J 2 và J 3 , ta thực hiện đổi biến với w = 1/√ x và viết lại các tích phân trong J 2 và J 3 dưới dạng sau đây

Q(ϑ 4 w, ϑ 3 w)dw (A.19) Áp dụng [86, phương trình (55)] cho hai tích phân trong (A.18) và (A.19) để viết lại

Thay thế các giá trị của J 1 , J 2 và J 3 vào (A.13) để có được biểu thức chính xác của

Thay dung lượng kênh truyền tức thời ở công thức (3.42) vào công thức (3.54) và viết lại xác suất Pr [K =k] như sau

S Hơn nữa, công thức (B.1) có thể được viết lại như sau:

Thay hàm phân phối tích lũy và hàm mật độ xác suất ở công thức (3.1) và (3.2) vào công thức (B.2) Sau đó, thực hiện các thao tác biến đổi để có được công thức sau:

• Tính xác suất Pr [K = 0] Đối với trường hợp K = 0 thì công thức (B.3) có thể viết lại là

Tương tự như cách tính toán ở công thức từ (B.1) tới (B.3), xác suất Pr C S,D < C S ở (3.53) được tính là:

C S,D < C S , C R b ,D < C S trong công thức (3.53) có thể được viết lại là:

Đặt γ PT,D = x Khi đó, xác suất I có điều kiệnx có thể được cho bởi

Bởi vì γ R b ,D = max j=1,2, ,k γ R j ,D nên hàm phân phối xác suất F γ R b, D(ω 3 x+ω 4 ) có thể được cho bởi

Kết hợp công thức (3.1), (B.7) và (B.8) thì xác suất I được viết lại là

Từ công thức (B.9), xác suất I có thể được suy ra như sau

Các công thức được áp dụng trong chương 4 để chứng minh các mệnh đề lần lượt được liệt kê theo sau:

Công thức (4.38): Ψ R m,t−1 ,R m,t = P R m,t−1 γ R m,t−1 ,R m,t κ 2 ss P R m,t−1 γ R m,t−1 ,R m,t + 1 +κ 2 ps P N n=1 β n P PT ϕ PTn,R m,t +N 0

Công thức (4.68): θ S,m = 2 (L m +1)C S,th −1, ρ 1,n = 1 +κ 2 ps θ S,m β n P PT

Chứng minh công thức (4.67)

Công thức (4.67) trong chương 4 được trình bày như sau:

Xác suất dừng đầu cuối của đường truyền thứ m sử dụng giao thức DF được ký hiệu là OP m,DF , và được cho bởi biểu thức sau:

OP m,DF = Pr C m e2e,DF < C S,th

1−Pr Ψ R m,t−1 ,R m,t < θ S,m trong đó θ S,m được cho bởi công thức (C.4).

Thay giá trị SINR ở (C.2) và θ S,m ở (C.4) vào xác suất Pr Ψ R m,t−1 ,R m,t < θ S,m trong công thức (C.6) để có được công thức như sau:

Quan sát công thức (C.7) để thấy rằng, nếu như 1−κ 2 ss θ S,m

1 Trường hợp ngược lại, nếu 1−κ 2 ss θ S,m

! N Y n=1 f ϕ PT n, R m,t (x n )dx n (C.8) trong đó ρ 1,n and ρ 2 được cho bởi công thức (C.4) Thay thế hai hàm CDF và PDF trong công thức (C.1) vào công thức (C.8), ta có thể đạt được Pr Ψ R m,t−1 ,R m,t < θ S,m như sau:

Sau đó, thay thế Pr Ψ R m,t−1 ,R m,t < θ S,m vào trong công thức (C.6) để đạt được công thức (C.5), hoàn tất việc chứng minh.

Chứng minh công thức (4.72) và (4.73)

Hàm CDF của X 1,m và X 2,m lần lượt được đưa ra như sau:

Tìm hàm CDF của X 1,m Đầu tiên, hàm CDF của X 1,m có thể được tính như sau:

Theo như đề xuất trong mô hình, biến ngẫu nhiên X 1,m = min q=1, ,T 1 Ψ R m,q−1 ,R m,q

Do vậy, thay thế biến X 1,m vào (C.12) và viết lại như sau:

Quan sát công thức (C.13) để thấy rằng nếu (1−κ 2 ss x) ≤ 0 thì F X 1,m (x) = 1 và nếu(1−κ 2 ss x)>0 thì ta có:

P R m,q−1 vàϑ(x) = 1−κ x 2 ss x Thay hai hàm CDF và PDF trong (C.1) vào công thức (C.14), ta đạt được

R m,q−1 ,R m,q ρ 3,n và nếuχ a,b 6=χ q,n với(a, b)6= (q, n) thì ta đặt ε q,n =χ q,n

Q b=1, (a,b)6=(q,n) χ a,b χ a,b −χ q,n Lúc này, F X 1,m (x) trong công thức (C.15) có thể được đưa ra như công thức sau:

Tiếp theo, phương pháp chứng minhF X 1,m được sử dụng tương tự để tìm F X 2,m Ta có:

Cũng theo đề xuất trong mô hình, biến ngẫu nhiên X 2,m = min r=T 1 , ,L m +1 Ψ R m,r−1 ,R m,r

Thay biến này vào (C.17), ta có:

Quan sát công thức (C.18) để thấy rằng, nếu (1−κ 2 ss x) ≤ 0 thì F X 2,m (x) = 1 Ngược lại,nếu(1−κ 2 ss x)>0 thì ta có:

P R m,r−1 Thay hai hàm CDF và PDF trong công thức (C.1) vào (C.19) và thực hiện các bước tính tương tự như đối với F X 1,m , ta đạt được kết quả như sau:

P R m,r−1 và ở đây ω a,b 6= ω r,l nếu như (a, b) 6= (r, l), thì (C.20) có thể được viết lại là:

Q b=1, (a,b)6=(r,l) ω a,b ω a,b −ω r,l., hoàn tất điều phải chứng minh.

Chứng minh công thức (4.77)

Trước tiên, sử dụng công thức (4.71) trong chương 4, ta có:

Xét OP LB m,AF trong công thức (C.22) mà được tính như sau:

Rõ ràng rằng nếu như1−(κ 4 ss + 2κ 2 ss )θ S,m ≤0 thì:

OP LB m,AF = Pr (X 2,m < θ S,m ) + Pr (X 2,m ≥θ S,m ) = 1 (C.24)

Trong trường hợp1−(κ 4 ss + 2κ 2 ss )θ S,m > 0 thì phương trình (C.24) có thể được viết lại như sau:

Lúc này, kết hợp công thức (4.78) trong chương 4, công thức (C.22) và (C.25) với nhau thì đạt được điều chứng minh.

Chứng minh công thức (4.84)