Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Đánh giá hiệu năng của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng đồng thời của can nhiễu sơ cấp và khiếm khuyết phần cứng trong mạng vô tuyến nhận thức

NGUYỄN VIỆT DŨNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG THỨ CẤP DƯỚI ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA CAN NHIỄU SƠ CẤP VÀ KHIẾM KHUYẾT PHẦN CỨNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN... Tên đề tài luận văn Tiếng Việt và Tiế

NGUYỄN VIỆT DŨNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG THỨ CẤP DƯỚI ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA CAN NHIỄU SƠ CẤP VÀ KHIẾM KHUYẾT PHẦN CỨNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Hồ Văn Khương

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGÀNH : Kỹ thuật viễn thông 1 Tên đề tài luận văn ( Tiếng Việt và Tiếng Anh) : Tên Tiếng Việt : Đánh giá hiệu năng của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng đồng thời của can nhiễu

sơ cấp và khiếm khuyết phần cứng trong mạng vô tuyến nhận thức Tên Tiếng Anh : Performance Evaluation of Secondary Networks under Joint Impact of Primary

Interference and Hardware Impairment in Cognitive Radio Networks 2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

-Tìm hiểu mạng vô tuyến nhận thức, kênh truyền vô tuyến, nhiễu, can nhiễu, khiếm khuyết phầncứng

- Tính toán chính xác xác suất dừng của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng đồng thời của khiếm

khuyết phần cứng và can nhiễu sơ cấp và kiểm chứng bằng mô phỏng Monte – Carlo.

- Đưa ra những đánh giá đối với hiệu năng của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng đồng thời của

khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu từ mạng sơ cấp, từ đó đề xuất các giải pháp giảm ảnhhưởng của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu từ mạng sơ cấp.

3 Các kết quả dự kiến-Các biểu thức xác suất dừng dạng đóng chính xác.-Các kết quả phân tích và mô phỏng thể hiện hiệu năng của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng đồng

thời của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu sơ cấp.

-Giải pháp giảm ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu sơ cấp.

4 Ngày giao nhiệm vụ luận văn : _5 Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 6 Họ và tên người hướng dẫn : Phần hướng dẫn : Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua Bộ môn

Ngày tháng năm CHỦ NHIỆM BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người duyệt (chấm sơ bộ) : _ Ngày bảo vệ : Điểm tổng kết : _

Nơi lưu trữ luận án : _

HỌ VÀ TÊN : Nguyễn Việt Dũng Ngày sinh : 09/05/1985

MSHV : 7140440 Nơi sinh : Bình Định MN: 60 52 02 08

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Hồ Văn Khương đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn Thầy đã định hướng, truyền đạt cho em những kiến thức vô cùng quý báu trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô của Bộ môn Viễn thông, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức quan trọng trong quá trình học tập tại nhà Trường Tôi xin được cảm ơn các nhà khoa học, tác giả các công trình công bố đã được trích dẫn trong luận án vì đã cung cấp nguồn tư liệu quý báu, những kiến thức liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận văn

Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình và những người bạn thân thiết vì đã liên tục động viên, chia sẻ tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khóa học và trong quá trình hoàn thành luận văn

Học viên

Nguyễn Việt Dũng

Luận văn nghiên cứu môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền với 2 nguồn can nhiễu là can nhiễu từ mạng sơ cấp và can nhiễu do khiếm khuyết phần cứng Để thực hiện việc đánh giá hiệu năng và đánh giá, tôi đã phân tích và đưa ra biểu thức xác suất dừng dạng đóng chính xác của mạng thứ cấp trong trường hợp chịu ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu sơ cấp và trong trường hợp chỉ chịu ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng Mô phỏng Monte-Carlo được thực hiện để kiểm chứng tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết Cuối cùng, đưa ra những đánh giá đối với hiệu năng của mạng thứ cấp trong hai trường hợp được khảo sát

ABSTRACT

This thesis investigates underlay cognitive radio networks under two interference are the primary interference and hardware impairment For performance evaluation and comparison, I analyzed and drived exact closedform expressions of outage probability of secondary networks in case joint impact of primary interference and hardware impairment and case only impact hardware impairment Monte Carlo simulations are presented to verify the analytical derivations Finally, issue evaluations for performance of secondary networks in two analyzed case

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 12 năm 2017

Tác giả

Nguyễn Việt Dũng

Mục tiêu nghiên cứu 1

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

Phương pháp nghiên cứu 2

Đóng góp chính của luận văn 3

Bố cục luận văn 3

Chương 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Vô tuyến nhận thức 5

1.1.1 Sự cần thiết ra đời của vô tuyến nhận thức 5

1.1.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức 5

1.1.3 Các tính năng trong mạng vô tuyến nhận thức 6

1.1.4 Mô hình truy cập phổ tần trong mạng vô tuyến nhận thức 8

1.1.5 Cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức 10

1.2 Kênh truyền vô tuyến 11

1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền 12

1.2.2 Kênh truyền fading 12

1.2.3 Các mô hình kênh truyền 15

1.2.4 Các loại nhiễu trong thông tin vô tuyến 18

1.3 Mô hình truyền tin vô tuyến với can nhiễu đồng kênh 19

1.3.1 Mô hình truyền tin cơ bản 19

1.4 Tình hình nghiên cứu liên quan 24

Chương 2: PHÂN TÍCH THAM SỐ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG THỨ CẤP DƯỚI ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA CAN NHIỄU SƠ CẤP VÀ KHIẾM KHUYẾT PHẦN CỨNG 26

2.1 Tham số hiệu năng được sử dụng để đánh giá hệ thống 26

2.2 Giới thiệu mô hình kênh truyền được khảo sát 26

2.2.1 Mô hình kênh truyền chịu ảnh hưởng của can nhiễu sơ cấp và khiếm khuyết phần cứng 28

2.2.2 Mô hình kênh truyền chịu ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng 28

2.3 Đánh giá hiệu năng của mạng thứ cấp đối với mô hình được khảo sát 29

2.3.1 Đánh giá hiệu năng của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng đồng thời của can nhiễu sơ cấp và khiếm khuyết phần cứng 29

2.3.2 Đánh giá hiệu năng của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng 33

Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 37

3.1 Các tham số thực hiện mô phỏng 37

3.2 Trường hợp khi tỷ số giữa công suất phát của máy phát thứ cấp trên phương sai nhiễu thay đổi 38

3.2.1 Kết quả mô phỏng 38

3.2.2 Đánh giá kết quả mô phỏng 41

3.3 Trường hợp khi tỷ số giữa công suất phát của máy phát sơ cấp trên phương sai nhiễu thay đổi 41

3.3.1 Kết quả mô phỏng 41

3.3.2 Đánh giá kết quả mô phỏng 43

3.4 Trường hợp khi hệ số khiếm khuyết phần cứng thay đổi 44

3.4.1 Kết quả mô phỏng 44

3.4.2 Đánh giá kết quả mô phỏng 47

3.5 Trường hợp khi tốc độ tới hạn Rth thay đổi 47

3.5.1 Kết quả mô phỏng 48

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

Hình 1.1: Minh họa “hố” phổ 5

Hình 1.2: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức 6

Hình 1.3: Mô hình truy cập phổ tần dạng overlay 8

Hình 1.4: Mô hình truy cập phổ tần dạng interweave 9

Hình 1.5: Mô hình truy cập phổ tần dạng underlay 10

Hình 1.6: Cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức 10

Hình 1.7: Phân loại các dạng fading 13

Hình 1.8: Kênh fading phẳng 14

Hình 1.9: Kênh fading chọn lọc tần số 14

Hình 1.10: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh 16

Hình 1.11: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rician 18

Hình 1.12: Mô hình truyền tin không có can nhiễu đồng kênh 19

Hình 1.13: Mô hình truyền tin khi có can nhiễu đồng kênh 20

Hình 1.14: Mô hình truyền tin với máy thu hoạt động ở chế độ song công 21

Hình 1.15: Sự tác động của can nhiễu đồng kênh do tái sử dụng tần số 22

Hình 1.16: Mô hình bảo mật lớp vật lý có sử dụng thiết bị J để tạo can nhiễu nhân tạo lên thiết bị nghe lén E 23

Hình 2.1: Mô hình kênh truyền được khảo sát 26

Hình 3.1: Xác suất dừng theo Q dB2( ) khi Q310dB và Q120dB 38

Hình 3.2: Xác suất dừng theo Q dB2( ) khi Q3 15dB và Q120dB 39

Hình 3.3: Xác suất dừng theo Q dB2( ) khi Q3 20dB và Q1 20dB 40

Hình 3.4: Xác suất dừng theo Q dB1( ) khi Q3 10dB và Q2 20dB 42

Hình 3.5: Xác suất dừng theo Q dB1( ) khi Q3 15dB và Q2 25dB 42

Hình 3.7: Xác suất dừng theo hệ số  khi Q10dB, Q2 30dB và Q3 20dB 45 Hình 3.8: Xác suất dừng theo hệ số  khi Q130dB, Q2 30dB và Q3 20dB 46 Hình 3.9: Xác suất dừng theo hệ số  khi Q145dB, Q2 30dB và Q3 20dB 46 Hình 3.10: Xác suất dừng theo hệ số  khi Q10dB, Q2 30dB và Q320dB 48 Hình 3.11: Xác suất dừng theo hệ số  khi Q130dB, Q2 30dB và Q3 20dB 49 Hình 3.12: Xác suất dừng theo hệ số  khi Q1 45dB, Q2 30dB và Q3 20dB 49

Bảng 3.1: Giá trị xác suất dừng theo Q dB2( ) khi Q310dB và Q120dB 38

Bảng 3.2: Giá trị xác suất dừng theo Q dB2( ) khi Q315dB và Q120dB 39

Bảng 3.3: Giá trị xác suất dừng theo Q dB2( ) khi Q3 20dB và Q120dB 40

Bảng 3.4: Giá trị xác suất dừng theo Q dB1( ) khi Q3 10dB và Q2 20dB 42

Bảng 3.5: Giá trị xác suất dừng theo Q dB1( ) khi Q315dB và Q2 25dB 43

Bảng 3.6: Giá trị xác suất dừng theo Q dB1( ) khi Q320dB và Q2 30dB 43

Bảng 3.7: Giá trị xác suất dừng khi Q10dB và Q2 Q310dB 44

Bảng 3.8: Giá trị xác suất dừng theo hệ số  khi Q10dB, Q2 30dB và 3 20Q  dB 45

Bảng 3.9: Giá trị xác suất dừng theo hệ số  khi Q130dB, Q2 30dB và 3 20Q  dB 46

Bảng 3.10: Giá trị xác suất dừng theo hệ số  khi Q145dB, Q2 30dB và 3 20Q  dB 47

Bảng 3.11: Giá trị xác suất dừng theo Rth khi Q10dB, Q2 30dB và Q320dB 48 Bảng 3.12: Giá trị xác suất dừng theo Rth khi Q130dB, Q2 30dB và 3 20Q  dB 49

Bảng 3.13: Giá trị xác suất dừng theo Rth khi Q145dB, Q2 30dB và 3 20Q  dB 50

MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài

Công nghệ truyền thông không dây phát triển nhanh chóng và đặt biệt là sự bùng nổ của các ứng dụng không dây đã tạo ra nhu cầu ngày càng tăng đối với phổ tần vô tuyến Để đáp ứng được các yêu cầu này với nguồn tài nguyên hệ thống ngày càng hạn hẹp thì các công nghệ truyền thông mới như 5G phải nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, tăng khả năng bảo mật thông tin, cải thiện chất lượng dịch vụ, và tiết kiệm năng lượng

Bởi vì băng tần là tài nguyên có giới hạn, vì vậy đòi hỏi cần phải có những giải pháp hiệu quả để tái thiết sử dụng lại phổ tần hoặc chia sẻ băng tần giữa các mạng vô tuyến Để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần bên cạnh những kỹ thuật như tái sử dụng tần số (cùng tần số được sử dụng ở các vùng địa lý khác nhau), truyền song công (thu và phát đồng thời trên một băng tần số) thì công nghệ vô tuyến nhận thức với khả năng nhận biết được môi trường xung quanh, từ đó điều chỉnh các tham số truyền và phát của nó để tối ưu hệ thống, đồng thời còn có khả năng cảm nhận phổ và chia sẽ phổ tần từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần một cách đáng kể và có thể giải quyết được bài toán phân bổ phổ tần Đây là lý do tôi chọn hướng nghiên cứu là công nghệ vô tuyến nhận thức

Các nguồn can nhiễu đồng kênh luôn hiện diện trong mạng vô tuyến nhận thức, vì vậy phân tích và đánh giá tác động đồng thời của các nguồn can nhiễu này lên hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức là cần thiết và cấp bách, từ đó đưa ra những đánh giá chính xác về hiệu năng của hệ thống trong môi trường làm việc thực tế Và với sự hiểu biết tốt nhất thì chưa có nghiên cứu nào đánh giá ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu từ mạng sơ cấp đến hiệu năng của mạng thứ cấp trong vô tuyến nhận thức, do đó hướng nghiên cứu của đề tài sẽ tập trung vào phân tích đánh giá vấn đề này

Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu mạng vô tuyến nhận thức, kênh truyền vô tuyến, nhiễu, can nhiễu, khiếm khuyết phần cứng

Tính toán chính xác xác suất dừng của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu sơ cấp và kiểm chứng bằng mô phỏng Monte – Carlo

Đưa ra những đánh giá đối với hiệu năng của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu từ mạng sơ cấp, từ đó đề xuất các giải pháp giảm ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu từ mạng sơ cấp

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

 Công nghệ vô tuyến nhận thức  Phần cứng không hoàn hảo (hardware impairment)  Kênh truyền fading: Rayleigh

 Các nguồn can nhiễu đồng kênh phổ biến xuất hiện trong thực tế  Các biểu thức toán học liên quan

 Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo trong phần mềm matlab

Phương pháp nghiên cứu:

 Tìm hiểu về mạng vô tuyến nhận thức và các thông số quan trọng để đánh giá hệ thống: dung lượng kênh truyền, xác suất dừng hệ thống Bên cạnh đó tìm hiểu các nguồn can nhiễu đồng kênh phổ biến xuất hiện trong thực tế  Sử dụng công cụ chính là toán học để tính toán chính xác xác suất dừng của

hệ thống thứ cấp đối với 2 trường hợp:

+ Trường hợp 1: Hệ thống thứ cấp chịu của ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu từ mạng sơ cấp

+ Trường hợp 2: Hệ thống thứ cấp chỉ chịu của ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng

 Dùng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo thông qua phần mềm matlab để kiểm chứng tính chính xác của các tính toán trong 2 trường hợp

 Thông qua kết quả tính toán và mô phỏng đưa ra các đánh giá đối với hệ

thống thứ cấp khi chịu ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng và

can nhiễu từ mạng sơ cấp

Đóng góp chính của luận văn

Xây dựng bài toán trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền với 2 nguồn can nhiễu là can nhiễu từ mạng sơ cấp và can nhiễu do khiếm khuyết phần cứng Ở đây, xác suất dừng của hệ thống sẽ là tham số đánh giá hiệu năng hệ thống

Luận văn này đưa ra các biểu thức xác suất dừng dạng đóng chính xác của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu sơ cấp Các biểu thức này được biểu diễn dưới dạng tường minh, giúp cho các nhà thiết kế dễ dàng tính toán, tối ưu hệ thống

Mô phỏng Monte-Carlo được thực hiện để kiểm chứng tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết Đưa ra đánh giá đối với hiệu năng của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu từ mạng sơ cấp, từ đó đề xuất các giải pháp giảm ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu từ mạng sơ cấp

Bố cục của luận văn

Luận văn cấu trúc gồm phần mở đầu, 03 chương và phần kết luận:

Phần mở đầu: Tập trung làm rõ những lý do để lựa chọn đề tài, xác định rõ mục

tiêu, đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu và những đóng góp chính của đề

tài

Chương 1: Trình bày tổng quan về vô tuyến nhận thức Chương này làm rõ sự

cần thiết của việc ra đời vô tuyến nhận thức, các khái niệm và cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức; tìm hiểu các mô hình truy cập phổ tần trong mạng vô tuyến nhận thức Bên cạnh đó phân tích về mô hình truyền tin vô tuyến với can nhiễu đồng kênh Trên cơ sở đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích những công trình nghiên cứu, những kết quả có liên quan đến đề tài từ đó nêu rõ những vấn đề còn tồn tại

Chương 2: Giới thiệu mô hình kênh truyền được khảo sát và tham số hiệu năng

được sử dụng để đánh giá hệ thống Tập trung phân tích hiệu năng của mạng thứ cấp trong vô tuyến nhận thức thông qua tham số xác suất dừng đối với hai mô hình: mạng thứ cấp chịu ảnh hưởng đồng thời của can nhiễu sơ cấp và khiếm khuyết phần cứng và mạng thứ cấp chịu ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng

Chương 3: Mô phỏng Monte-Carlo bằng phần mềm Matlab được thực hiện để

kiểm chứng tính đúng đắn của các phân tích toán học trong Chương 2, mô phỏng được thực hiện đối với nhiều trường hợp khác nhau của các tham số trong hệ thống được khảo sát Đưa ra đánh giá đối với hiệu năng của mạng thứ cấp dưới ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu từ mạng sơ cấp

Phần kết luận: Đưa ra những kết luận chung và đề xuất giải pháp giảm ảnh

hưởng của can nhiễu sơ cấp và hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Vô tuyến nhận thức

1.1.1 Sự cần thiết ra đời của vô tuyến nhận thức Như chúng ta đã biết, dải tần số của sóng vô tuyến được xem như là một tài nguyên có hạn và được quản lý bởi các tổ chức viễn thông của chính phủ Ngày nay, với sự phát triển của lĩnh vực điện tử viễn thông và các ứng dụng không dây, thì phổ tần số càng trở nên chật hẹp và khan hiếm bởi sự gia tăng số lượng các kết nối trong hệ thống vô tuyến Trong khi đó hiệu suất sử dụng tài nguyên phổ lại rất thấp, chỉ khoảng từ 15% đến 85% [1]

Gần đây các nhà khoa học định nghĩa những khoảng tần số không được sử dụng

là khoảng trắng hay hố phổ Việc sử dụng các lỗ phổ này khó khăn ở chỗ là những

hố phổ này không cố định mà thay đổi liên tục ứng với sự thay đổi của nhu cầu sử dụng của hệ thống sơ cấp

Hình 1.1: Minh họa hố phổ Do vậy nhu cầu bức thiết đặt ra đối với công nghệ viễn thông là cho ra đời một hệ thống vô tuyến có khả năng sử dụng những khoảng trắng trong dải tần số Sự xuất hiện của vô tuyến nhận thức cho phép giải quyết được những khó khăn trong việc sử dụng hiệu quả tài nguyên tần số vô tuyến

1.1.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức Trong những năm đầu thập kỷ 1990, Joseph Mitola là người đầu tiên giới thiệu ý tưởng vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm Đến năm 1998, trong một cuộc hội thảo tại Viện Công nghệ Hoàng gia ở Stockholm cũng chính ông đã đưa khái niệm

vô tuyến thông minh và được công bố năm 1999 [2] Với định nghĩa ban đầu là một hệ thống vô tuyến thông minh, có khả năng nhận biết môi trường xung quanh và từ đó điều chỉnh các tham số truyền và phát của nó để tối ưu hệ thống

Ngoài ra còn có định nghĩa của Giáo sư Simon Hayskin [3]: Vô tuyến nhận thức là một hệ thống truyền thông không dây thông minh có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh và từ môi trường nó sẽ thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi các thông số tương ứng (công suất truyền, tần số sóng mang, phương pháp điều chế) trong thời gian thực với hai vấn đề chính: Truyền thông với độ tin cậy cao và sử dụng hiệu quả phổ vô tuyến

Trong mạng vô tuyến nhận thức một phần của phổ tần được gán cho một hoặc nhiều users, được gọi là primary users (PUs) Những users khác, tạm gọi là secondary users (SUs), cũng có thể truy cập sử dụng được phổ tần này miễn là PUs tạm thời đang không sử dụng hoặc cũng có thể chia sẻ chung phổ tần với PUs miễn vẫn đảm bảo cho PUs hoạt động hiệu quả Bằng cách làm này, phổ tần vô tuyến được tái sử dụng tại tất cả các thời điểm, từ đó hiệu quả sử dụng phổ tần có thể được cải thiện đáng kể Trong mạng vô tuyến nhận thức SUs phải capture được hoặc sensing được môi trường vô tuyến, SUs với khả năng như vậy được gọi là khả năng nhận thức (cognitive capabilities) hay gọi là CR users [4]

Hình 1.2: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức 1.1.3 Các tính năng trong mạng vô tuyến nhận thức

Tần số

Thời gian

Mục đích của vô tuyến nhận thức là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt động trên các dải tần còn trống tạm thời mà không gây can nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên dải tần đó Để cho phép tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần, mạng vô tuyến nhận thức phải có những tính năng cơ bản sau:

- Điều khiển công suất: Được sử dụng cho cả truy cập phổ cơ hội và chia sẻ phổ trong mạng vô tuyến nhận thức, hỗ trợ cho việc sắp đặt kênh cũng như hạn chế công suất nhiễu nhằm bảo vệ cho người dùng sơ cấp

- Cảm biến phổ (Spectrum Sensing): Là phát hiện các thành phần phổ chưa được sử dụng và chia sẻ nó mà không làm ảnh hưởng đến người sử dụng khác Đây cũng là một yêu cầu quan trọng của mạng vô tuyến nhận thức để cảm nhận được vùng phổ trống Tìm kiếm những người dùng sơ cấp là phương pháp hiệu quả nhất để tìm ra vùng phổ trống

- Quản lý phổ: Bao gồm hai chức năng nhỏ là phân tích phổ và quyết định phổ + Phân tích phổ: Tính toán ước lượng dung lượng phổ và chất lượng những hố phổ tốt nhất Tuy nhiên, ngoài dung lượng phổ ra còn cần phải lưu ý đến các yếu tố khác như thời gian trễ, tốc độ lỗi liên kết và thời gian chiếm giữ

+ Quyết định phổ: Quyết định lựa chọn dải phổ phù hợp thỏa mãn các yêu cầu chất lượng dịch vụ của hệ thống thức cấp

- Linh động phổ: Vô tuyến nhận thức sử dụng công nghệ truy cập phổ tần động, đều đó có nghĩa là phải hoạt động trên băng tần tốt nhất, để tìm được các khoảng phổ trống tốt nhất mạng vô tuyến nhận thức cần phải liên tục thu thập thông tin các phổ trống

- Chia sẻ kênh phổ: Để thích ứng theo điều kiên cụ thể của môi trường vô tuyến, mà ở đó tồn tại nhiều loại hình dịch vụ vô tuyến cùng chiếm dụng khi CR hoạt động trong môi trường có nhiều CR khác thì yêu cầu nó phải chia sẻ các phổ trống với những người dùng khác Khi các người dùng thứ cấp luôn cố gắng truy cập vào các dải phổ trống, do đó cần thiết phải điều phối các truy cập để tránh sự xung đột trong những phần phổ chồng lấn lên nhau

1.1.4 Mô hình truy cập phổ tần trong mạng vô tuyến nhận thức Với những khả năng nhận thức khác nhau, CR users có thể truy cập phổ tần số theo những cách khác nhau Có 3 mô hình truy cập phổ tần đáng chú ý: Mô hình overlay, mô hình underlay và mô hình interweave

a) Mô hình overlay

Mô hình overlay còn được gọi là mô hình dạng chồng, trong mô hình này hệ thống thứ cấp sẽ hoạt động xen kẽ với hệ thống sơ cấp, hệ thống thứ cấp sẽ thực hiện truyền phát dữ liệu trong những khe thời gian mà hệ thống sơ cấp không truyền Nút phát thứ cấp đóng vai trò như những bộ chuyển tiếp tín hiệu sơ cấp cho những nút sơ cấp Nhờ sự cộng tác này nên hiệu năng của hệ thống sơ cấp được tăng lên, trong khi đó những nút phát thứ cấp biết được độ lợi kênh truyền, từ mã, và các bản tin của người dùng sơ cấp từ đó tìm thấy những cơ hội để truyền những tín hiệu của chúng đến những bộ thu thứ cấp mong muốn

Tuy nhiên, hiệu năng của mạng thứ cấp trong các phương pháp này thấp bởi vì sự chia sẻ công suất phát thứ cấp cho tín hiệu sơ cấp tại máy phát thứ cấp Ngoài ra vấn đề cần quan tâm đối với mô hình này là tại dải tần mà hệ thống thứ cấp đang hoạt động, nếu hệ thống sơ cấp bắt đầu truyền dữ liệu trên chính dải tần này thì hệ thống thứ cấp phải ngừng ngay hoạt động truyền phát của nó Điều này cho thấy, nhược điểm của hệ thống này là khó đáp ứng thời gian thực, khi mà hiệu năng của hệ thống thứ cấp phụ thuộc vào xác suất lấy được tần số của hệ thống sơ cấp

Hình 1.3: Mô hình truy cập phổ tần dạng overlay

b) Mô hình interweave

Mô hình vô tuyến nhận thức dạng đan xen là mô hình hoạt động dựa trên khái niệm hố phổ dưới dạng không gian và thời gian như mô tả trong Hình 1.4, nghĩa là hệ thống thứ cấp sẽ phát dữ liệu nếu hệ thống phát hiện ra lỗ phổ và lỗ phổ này đảm bảo chất lượng dịch vụ yêu cầu của hệ thống Do đó, mô hình này đòi hỏi hệ thống thứ cấp phải biết được thông tin hoạt động truyền phát của hệ thống sơ cấp Hay nói cách khác, hệ thống thứ cấp phải dừng truyền nếu hệ thống sơ cấp truyền phát trở

lại hạn chế gây can nhiễu cho hệ thống sơ cấp

Hình 1.4: Mô hình truy cập phổ tần dạng interweave Nhược điểm của mô hình mạng loại này là khả năng đáp ứng thời gian thực do hoạt động của hệ thống thứ cấp hoàn toàn phụ thuộc vào hoạt động của hệ thống sơ cấp Trong một số trường hợp, hệ thống thứ cấp không thể đảm bảo hoạt động khi mà hệ thống sơ cấp hoạt động liên tục

c) Mô hình underlay

Nhằm cải thiện những khuyết điểm của mô hình dạng xen kẽ thì một mô hình khác được sử dụng nhiều trong vô tuyến nhận thức có tên gọi là Underlay hay tạm dịch là mô hình dạng nền Trong mô hình này, hệ thống thứ cấp tiến hành hoạt động truyền phát dữ liệu song song với hệ thống sơ cấp Tuy nhiên, để đảm bảo cho chất lượng hoạt động của hệ thống sơ cấp thì can nhiễu của hệ thống thứ cấp gây ra ảnh hưởng đến máy thu hệ thống sơ cấp phải nhỏ hơn một giá trị cho trước, gọi là công suất nhiễu mà máy thu sơ cấp có thể cho phép Vì thế, mặc dù giải quyết được vấn đề truyền thời gian thực nhưng công suất truyền của những bộ phát thứ cấp trong

mô hình này bị giới hạn dẫn đến hiệu năng của mạng thứ cấp cũng giảm theo và vùng phủ sóng thường bị giới hạn

Hình 1.5: Mô hình truy cập phổ tần dạng underlay 1.1.5 Cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức

Hình 1.6: Cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức - Mạng sơ cấp (Primary network):

+ Người dùng sơ cấp (Primary user): Là người dùng có giấy phép để hoạt động trong một băng tần nhất định Truy nhập này chỉ được giám sát bởi trạm gốc chính và không bị ảnh hưởng bởi những hoạt động của bất kì người

dùng không được cấp phép khác Để cùng tồn tại với các trạm gốc vô tuyến nhận thức và người dùng vô tuyến nhận thức, những người dùng chính này không cần bất cứ sự điều chỉnh hoặc chức năng cộng thêm nào

+ Trạm gốc chính (Primary base-station): Trạm gốc chính (hay trạm gốc được cấp phép) là thành phần cơ sở hạ tầng mạng được cố định, được cấp phép sử dụng băng tần, như BTS trong mạng tổ ong Về nguyên tắc, trạm gốc chính không có khả năng chia sẻ phổ với những người dùng vô tuyến nhận thức Tuy nhiên, trạm gốc chính này có thể yêu cầu để có được khả năng này

- Mạng nhận thức (mạng thứ cấp): Là mạng không được cấp phép để hoạt động trong một băng mong muốn Do đó, nó chỉ được phép truy nhập phổ khi có cơ hội Mạng nhận thức có thể gồm cả mạng có cơ sở hạ tầng và mạng ad hoc, các thành phần của mạng nhận thức như sau:

+ Người dùng nhận thức (người dùng thứ cấp): Là người dùng không có giấy phép sử dụng băng tần Do đó, cần có các chức năng cộng thêm để chia sẻ tài nguyên với băng tần cấp phép

+ Trạm gốc nhận thức (trạm gốc thứ cấp): Là thành phần cơ sở hạ tầng cố định với các khả năng của vô tuyến nhận thức Trạm gốc nhận thức cung cấp kết nối đơn chặng tới những người dùng nhận thức mà không cần giấy phép truy nhập phổ Thông qua kết nối này, người dùng nhận thức có thể truy nhập đến các mạng khác

+ Bộ phân chia phổ (Spectrum broker): Là một thực thể mạng trung tâm đóng vai trò trong việc chia sẻ các tài nguyên phổ tần giữa các mạng vô tuyến nhận thức khác nhau Bộ phân chia phổ có thể kết nối với từng mạng và có thể phục vụ với tư cách là người quản lí thông tin phổ, nhằm cho phép các mạng vô tuyến nhận thức cùng tồn tại

1.2 Kênh truyền vô tuyến

Trong thông tin vô tuyến thì kênh truyền là một trong những yếu tố quan trọng nhất và có cấu trúc tương đối phức tạp Nó là môi trường để truyền thông tin từ máy phát đến máy thu

1.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền - Suy hao đường truyền: Do hấp thụ của môi trường truyền, do sự tồn tại của các chướng ngại vật dẫn đến các hiện tượng phản xạ, nhiễu xạ,… dẫn đến sự suy giảm cường độ tín hiệu giữa ăng-ten thu và ăng-ten phát theo khoảng cách và các tham số khác có liên quan như tần số hoạt động, độ cao các ăng-ten, địa hình, tính chất môi trường…

- Hiện tượng đa đường: Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến ăng-ten thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tùy thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn

- Hiệu ứng Doppler: Khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số tín hiệu thu được tại bộ thu sẽ sai khác với tần số của tín hiệu phát đi từ bộ phát Cụ thể là khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Doppler Hay nói cách khác bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

- Trải trễ: Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiệu ứng đa đường Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự Điều này là do tín hiệu sau khi trải trễ có thể chồng lấn đến các kí tự lân cận

1.2.2 Kênh truyền fading - Fading là hiện tượng tín hiệu thu bị sai khác môt cách bất thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến do tác động của môi trường truyền dẫn

- Nguyên nhân chính gây ra fading là do hiện tượng đa đường và hiệu ứng

Doppler Vì vậy tính chất của kênh truyền fading được cấu thành bởi hai yếu tố là đa đường và di động Hai yếu tố này độc lập với nhau, không ảnh hưởng lẫn nhau

- Các đặc tính của kênh truyền fading:

+ Trải trễ thời gian σ (yếu tố đa đường) là đặc trưng kênh về mặt thời gian

Nghịch đảo của đại lượng này là độ rộng băng kết hợp của kênh Bc (đặc trưng kênh trong miền tần số) Đây là dải tần trên đó kênh có thể coi là bằng phẳng (cho các tần số đi qua với hệ số bằng nhau và pha tuyến tính)

+ Trải phổ Doppler BD thể hiện sự mở rộng phổ do chuyển động của máy thu

Khi một tần số fc được phát giữa dải tần fc – fd và fc + fd mà máy thu nhận được gọi

là phổ Doppler, fd là hàm số của tốc độ máy thu và góc giữa hướng chuyển động và hướng tới của sóng phản xạ

+ Thời gian kết hợp Tc là đối ngẫu thời gian của trải phổ Doppler đặc trưng cho

sự phân tán tần số trong vùng thời gian: Tc ~ 1/fm với fm là dịch tần Doppler cực đại Thời gian kết hợp sẽ diễn tả kênh biến đổi nhanh hay chậm Nó là khoảng thời gian trong đó đáp ứng xung của kênh có thể coi là không đổi

- Tuỳ theo quan hệ giữa các tham số của tín hiệu (như độ rộng băng hay chu kỳ ký hiệu ) và các đặc tính của kênh (như trải trễ thời gian, trải phổ Doppler, thời gian kết hợp) mà các tín hiệu truyền khác nhau sẽ chịu các kiểu fading khác nhau Ta có sơ đồ phân loại sau:

Hình 1.7: Phân loại các dạng fading

a) Kênh fading phẳng

Hình 1.8: Kênh fading phẳng

- Còn gọi là kênh biên độ thay đổi (đôi khi còn gọi là kênh băng hẹp vì dải rộng tín hiệu là hẹp hơn độ rộng băng của kênh) Thông thường loại kênh này gây nên suy giảm sâu và cần 20 – 30 dB công suất thêm cho bộ phát để đạt được tốc độ lỗi bit như kênh không có suy giảm Phân bố hệ số kênh của fading phẳng là rất quan trọng Phân bố phổ biến nhất là phân bố Rayleigh

- Tóm lại trong kênh fading phẳng thì: BS < BC , TS > σ (với TS là nghịch đảo độ rộng dải tần BS của tín hiệu)

b) Kênh fading chọn lọc tần số

- Nếu kênh có hệ số không đổi và pha tuyến tính trong một khoảng tần nhỏ hơn dải rộng tín hiệu truyền thì kênh sẽ gây fading chọn lọc tần số Khi đó trải trễ đa đường lớn hơn nghịch đảo dải rộng tín hiệu, tín hiệu thu được gồm nhiều phiên bản của dạng sóng phát bị suy giảm và làm trễ khác nhau gây nên méo tín hiệu Fading chọn lọc tần gây méo ký hiệu truyền còn gọi là giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) Fading chọn lọc tần số là do trễ đa đường bằng hay vượt quá chu kỳ ký hiệu truyền, kênh này cũng được gọi là kênh băng rộng (vì dải rộng tín hiệu lớn hơn độ rộng kênh) Khi thời gian thay đổi, kênh thay đổi hệ số và pha suốt phổ tín hiệu gây nên méo thay đổi theo thời gian

- Tóm lại trong kênh fading chọn lọc tần số thì: BS > BC , TS < σ

Hình 1.9: Kênh fading chọn lọc tần số

c) Kênh fading nhanh

- Tùy thuộc vào tín hiệu băng cơ sở thay đổi nhanh hay kênh thay đổi nhanh hơn mà ta có fading chậm hay nhanh Kênh fading nhanh là kênh có đáp ứng xung thay đổi nhanh trong khoảng thời gian ký hiệu, tức là thời gian kết hợp của kênh là nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu Điều này gây nên phân tán tần số (còn gọi là fading chọn lọc thời gian) do sự trải Doppler dẫn đến méo tín hiệu

- Tóm lại trong kênh fading nhanh thì: TS > TC hay BS < BD- Chú ý là kênh fading nhanh hay chậm độc lập với tính chất phẳng hay chọn lọc tần số của kênh

d) Kênh fading chậm

- Đáp ứng xung của kênh thay đổi chậm hơn tín hiệu băng cơ sở Kênh được coi là tĩnh trên một hay vài lần nghịch đảo dải rộng tín hiệu Trong miền tần số điều này được hiểu là độ trải Doppler của kênh nhỏ hơn dải rộng của tín hiệu

- Tóm lại trong kênh fading chậm thì: TS < TC hay BS > BD 1.2.3 Các mô hình kênh truyền

a) Kênh truyền Fading Rayleigh

- Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ Chúng ta biết rằng đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất là:









)0(0

)0

(2

exp)

22

rrr

rr











2

0 ( ) 1 exp 2)

()(



Rdr

rpR

rPRP

(]

[

0



Er rprdrrmean (1.3)

- Và phương sai r2(công suất thành phần AC của đường bao tín hiệu):

022

22

4292.0222

)(]



 



 ErEr rprdr

- Giá trị hiệu dụng của đường bao là 2 (căn bậc hai của giá trị trung bình bình phương) Giá trị trung tâm (median) của r tìm được khi giải phương trình:  median

r

median

rdrrp

0

177.1)

(2

1 (1.5)

Hình 1.10: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

- Vì vậy giá trị mean và median chỉ khác nhau môt lượng là 0.55dB trong trường hợp tín hiệu Rayleigh fading Chú ý rằng giá trị median thường được sử dụng trong thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi trường mà chúng ta không thể chấp nhận nó tuân theo một phân bố đặc biệt nào Bằng cách sử dụng giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau)

b) Kênh truyền Fading Rician

- Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trực tiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần LOS) với công suất vượt trội Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Rician Trong trường hợp này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau được xếp chồng lên tín hiệu LOS Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này có ảnh hưởng như là cộng thêm thành phần 1 chiều DC vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Giống như trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng của tín hiệu LOS (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành phần LOS bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong trường hợp thành phần LOS mất đi

- Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Rician:









00

)0,0()

2)(2

222

rrAAr

Ie

rr

p

Ar



(1.6)

với A: Biên độ đỉnh của thành phần LOS Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0 - Phân bố Rician thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần LOS) và công suất các thành phần đa đường:

2

22

 (1.8)

k xác định phân bố Rician và được gọi là hệ số Rician

+ Khi A → 0, k 0 (dB) thành phần LOS bị suy giảm về biên độ, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh



+ Khi k >>1, giá trị trung bình của phân bố Rician xấp xỉ với phân bố Gauss

Hình 1.11: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean

1.2.4 Các loại nhiễu trong thông tin vô tuyến

a) Nhiễu trắng (White Noise)

- Nhiễu trắng là một tín hiệu ngẫu nhiên có mật độ phổ công suất phẳng nghĩa là tín hiệu nhiễu có công suất bằng nhau trong toàn bộ dải tần

- Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như thời tiết, nhiệt độ sự chuyển động nhiệt của các điện tử trong các linh kiện bán dẫn,…

- Tùy theo loại phân bố của hàm mật độ xác suất của nhiễu trắng mà ta có các loại nhiễu trắng như nhiễu trắng Gaussian, nhiễu trắng Poisson, Cauchy,

b) Nhiễu xuyên ký tự ISI (Inter symbol interference)

- Trong môi trường truyền dẫn vô tuyến, nhiễu xuyên ký tự gây bởi tín hiệu phản xạ có thời gian trễ khác nhau từ các hướng khác nhau từ phát đến thu là điều không thể tránh khỏi Ảnh hưởng này sẽ làm biến dạng hoàn toàn mẫu tín hiệu khiến bên thu không thể khôi phục lại được tín hiệu gốc ban đầu Nhiễu xuyên ký tự chính là hiện tượng trải ra về mặt thời gian và suy giảm về mặt biên độ, nói cách khác là sự biến đổi độ rộng và biên độ từ một ký tự sang các ký tự lân cận, gây khó khăn trong việc khôi phục tin tức tại đầu thu

c) Nhiễu xuyên kênh ICI (Inter Channel Interference)

- Nhiễu xuyên kênh gây ra do các thiết bị phát trên các kênh liền kề nhau, nhiễu xuyên kênh thường xảy ra do tín hiệu truyền trên kênh vô tuyến bị dịch tần gây can nhiễu sang các kênh kề nó Để loại bỏ nhiễu xuyên kênh người ta phải có khoảng bảo vệ (guard band) giữa các dải tần

d) Nhiễu đồng kênh CCI (Co-Channel Interference)

- Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu được cả hai tín hiệu với cường độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát

- Nhiễu đồng kênh thường gặp trong hệ thống thông tin số cellular, trong đó để tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách sử dụng lại tần số Vậy có thể coi nhiễu đồng kênh trong hệ thống cellular là nhiễu gây nên do các cell sử dụng cùng 1 kênh tần số

e) Nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference)

- Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các người sử dụng giao thoa với nhau, là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dung lượng của hệ thống

- Ảnh hưởng của nhiễu MAI trong các hệ thống đa truy nhập như sau: • TDMA (Đa truy nhập phân chia theo thời gian): Trong TDMA là sự giao thoa của các tín hiệu ở khe thời gian này với khe thời gian khác do sự không hoàn toàn đồng bộ gây ra Người ta phải có khoảng bảo vệ (guard time) để giảm xác suất người dùng bị giao thoa nhưng cũng đồng thời làm giảm hiệu suất sử dụng phổ

• FDMA (Đa truy nhập phân chia theo tần số): Các hiệu ứng Doppler làm dịch phổ tần số dẫn đến có sự giao thoa giữa các dải tần con Guard band để giảm xác xuất giao thoa giữa các kênh kề nhau làm giảm hiệu suất sử dụng phổ

• CDMA (Đa truy nhập phân chia theo mã): Trong CDMA người ta sử dụng tính trực giao của mã nên hầu như không có nhiễu giữa các user

1.3 Mô hình truyền tin vô tuyến với can nhiễu đồng kênh

1.3.1 Mô hình truyền tin cơ bản

Hình 1.12: Mô hình truyền tin không có can nhiễu đồng kênh

Mô hình truyền tin đơn giản giữa máy phát (T) và máy thu (R) khi không có can

nhiễu đồng kênh (co-channel interference) được minh họa trong hình 1.7 Tín hiệu

thu yR tại R chỉ chịu tác động của kênh truyền fading và nhiễu Gaussian:

y  P hxn (1.9) trong đó: PT là công suất phát của T, hT,R là hệ số kênh truyền giữa T và R, x là tín hiệu được truyền đi bởi T có công suất chuẩn hóa bằng 1, và nR là nhiễu

Gaussian có trung bình bằng 0 và phương sai N0 tại R Tỷ số công suất tín hiệu trên

nhiễu (SNR) khi không có can nhiễu đồng kênh được xác định từ (1) như sau:

2TT,RT,R

0

P hN

 (1.10)

1.3.2 Mô hình truyền tin có can nhiễu đồng kênh

Hình 1.13: Mô hình truyền tin khi có can nhiễu đồng kênh Trong thực tế R còn chịu tác động của nhiều nguồn can nhiễu đồng kênh Hình

1.8 minh họa mô hình truyền tin khi có N nguồn can nhiễu đồng kênh I1,…, IN Tín

yP hxP hxn



   (1.11) trong đó: I

2TT,RT,R

2II ,R01

nn

Nn

So sánh giữa (2) và (4), chúng ta nhận thấy rằng việc phân tích và đánh giá hiệu năng hệ thống sẽ phức tạp hơn nhiều khi hệ thống bị tác động bởi nhiều nguồn can nhiễu đồng kênh Sau đây sẽ trình bày tóm lượt các nguồn can nhiễu đồng kênh phổ biến xuất hiện trong thực tế

a) Can nhiễu do khiếm khuyết phần cứng (hardware impairment)

Gần đây, các nhà nghiên cứu quan tâm đến nhiễu gây ra do các thiết bị truyền/nhận không hoàn hảo (như cân bằng I/Q, sự phi tuyến của các bộ khuếch đại, tần số dao động bị trôi) Nhiễu này có thể được biểu diễn như sau [5]:

 22 2

HITRTT,RCIP h|| (1.13) với T2 và R2 lần lượt là mức suy hao phần cứng gây ra tại T và R, CI ký hiệu cho công suất của can nhiễu đồng kênh và HI ký hiệu cho sự khiếm khuyết phần cứng Rõ ràng, nhiễu này có thể coi như can nhiễu đồng kênh, nhiễu này gây ra do sự tự can nhiễu với công suất phát và tỷ lệ thuận với công suất phát của chính máy

phát T (  22

In TRT

PP ) và kênh truyền nhiễu chính là kênh truyền giữa T và R Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu liên quan đến truyền thông vô tuyến, đa số đều giả sử rằng phần cứng của các thiết bị là hoàn hảo Tuy nhiên trên thực tế, các phần cứng của một số thiết bị thu phát là không hoàn hảo Dưới sự tác động của suy hao phần cứng, hiệu năng của hệ thống sẽ giảm khi so sánh với hiệu năng trong trường hợp lý tưởng Vì vậy, khảo sát sự ảnh hưởng của phần cứng không hoàn hảo lên hiệu năng của các hệ thống thông tin vô tuyến là một bài toán thực tế

b) Can nhiễu do hoạt động trong chế độ song công (full-duplex)

Hình 1.14: Mô hình truyền tin với máy thu hoạt động ở chế độ song công

Nhằm tăng hiệu suất phổ tần, các thiết bị được yêu cầu thu và phát trên cùng một băng tần Đây là xu thế phát triển tất yếu trên các thiết bị hoạt động trong mạng truyền thông 5G Chế độ song công được mô hình hóa đơn giản như hình 1.9, trong đó: R sử dụng một anten thu để thu tín hiệu từ T trong khi sử dụng một anten khác để phát tín hiệu đến Z Khi đó, anten phát của R sẽ gây ra nhiễu lên anten thu của nó một đại lượng bằng [6]:

CIFD P hR R,R 2 (1.14)

với PR là công suất phát của anten phát của R, hR,R là hệ số kênh truyền giữa anten phát và thu tại R và FD ký hiệu cho kỹ thuật truyền song công tại R

c) Can nhiễu do sự tái sử dụng tần số (frequency reuse)

Hình 1.15: Sự tác động của can nhiễu đồng kênh do tái sử dụng tần số Để nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần, các phương pháp tái sử dụng tần số đã được ứng dụng rộng rãi trong thông tin di động và trong mạng vô tuyến nhận thức hướng tới mạng truyền thông 5G Đối với công nghệ vô tuyến nhận thức, hệ thống thứ cấp được phép hoạt động trên chính phổ tần số của hệ thống sơ cấp Đối với mạng di động tế bào với bán kính tế bào nhỏ có vùng phủ hạn chế thì khả năng tái sử dụng tần số cao Việc tái sử dụng tần số sẽ tạo ra can nhiễu đồng kênh tại các thiết bị thu vô tuyến Tổng công suất của các thành phần can nhiễu đồng kênh dạng này gây ra tại máy thu R là:

Ph



 (1.15)