Nhằm nghiên cứu sự ảnh hưởng của kênh truyền có lỗi, luận án khảo sát hệ thống đa chặng DF với phân bố kênh Nakagami-m tổng quát dạng nền, trong đó xác suất can nhiễu gây ra bởi hệ thốn
M Ở ĐẦ U
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng, thông tin vô tuyến ngày càng thể hiện vai trò không thể thiếu trong cuộc sống xã hội Tuy nhiên, một trong những vấn đề của thông tin vô tuyến hiện nay là sự giới hạn của tài nguyên phổ tần.
Trong những năm gần đây, công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio – CR) được xem như là một giải pháp tiềm năng để cải thiện độ chiếm dụng phổ tần, bị giới hạn bởi chính sách phân bố phổ tần cố định [1] Ý tưởng cơ bản của vô tuyến nhận thức là cho phép các người dùng không đăng ký sử dụng tần số (unlicensed users) tận dụng các băng tần đã được cấp phép miễn là nó không gây ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu của các người dùng đã đăng ký tần số (lisenced users) [2]
CR đã mở ra một cách thức mới trong việc dò tìm và sử dụng các nguồn tài nguyên quý giá về phổ tần vô tuyến Hệ thống CR có thể được xem như là một hệ thống vô tuyến có khả năng tự động cấu hình lại các thông số hoạt động sao cho thích ứng với môi trường xung quanh Việc sử dụng các thiết bị CR cho phép truy cập vùng phổ một cách linh hoạt và nhanh chóng, do đó nâng cao hiệu quả trong việc sử dụng phổ tần một cách đáng kể Đặc biệt, CR được xem là chìa khóa để giải quyết vấn đề khan hiếm phổtần
Tùy theo phương pháp truy nhập phổ của hệ thống SU, các nghiên cứu mô hình vô tuyến được phân chia thành hai mô hình chính là mô hình dạng nền (underlay) và mô hình dạng chồng chập (overlay) [3] Xét về khía cạnh hiệu suất sử dụng phổ, mô hình dạng nền cho kết quả tốt hơn so với mô hình còn lại vì đặc tính cho phép hai hệ thống hoạt động đồng thời tại một thời điểm.
Trong các bài toán khảo sát hiệu nănghoạt động của hệ thống SU, điều kiện ràng buộc về công suất can nhiễu gây ra bởi hệ thống SU ảnh hưởng đến hệ thống PU sẽ làm cho công suất phát của các thiết bị SU bị giới hạn để không gây can nhiễu cho PU Từ đó, dẫn đến chất lượng hệ thống kênh truyền của SU bị giảm khi khoảng cách giữa các thiết bị thu phát trong hệ thống SU đủ xa Nói cách khác, hệ thống SU bị giới hạn
1 phạm vi vùng phủ sóng để đảm bảo chất lượng dịch vụ (quality of service – QoS) cho toàn bộ hệ thống PU và SU. Để giải quyết bài toán mở rộng vùng phủ sóng cho hệ thống SU, hướng nghiên cứu phối hợp công nghệ truyền thông chuyển tiếp vào trong mạng CR đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm của nhà nghiên cứu trong những năm gần đây Trong đó, các thiết bị chuyển tiếp có thể sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hoặc giải mã và chuyển tiếp (DF) Trong hai kỹ thuật này, xét về khía cạnh hiệu năng hoạt động của toàn hệ thống, kỹ thuật DF cho kết quả tốt hơn AF vì lý do không khuếch đại tín hiệu nhiễu
Ngoài ra, hiệu năng của mạng truyền thông hợp tác/ đa chặng trong điều kiện ràng buộc mức can nhiễu ở nút sơ cấp vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ Theo các phân tích trên, mục đích của luận án là tìm giải pháp thỏa mãn cho bài toán đồng thời vừa mở rộng vùng phủ sóng, vừa tăng hiệu suất sử dụng phổ trong hệ thống thứ cấp thông qua việc thiết kế mô hình mạng và phân tích hiệu năng của mô hình đề xuất
Một cách cụ thể, luận án sẽ tập trung thiết kế các mạng truyền thông đa chặng trong điều kiện ràng buộc mức can nhiễu ở nút sơ cấp với các tiêu chí:
- Giảm ảnh hưởng can nhiễu gây ra bởi hệ thống thứ cấp tại máy thu sơ cấp, - Cải thiện chất lượng hệ thống thứcấp,
- Cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần hệ thống thứ cấp
Luận án này, với mục đíchkhảo sát và tìm giải pháp nhằm tăng hiệu suất sử dụng phổ và chất lượng hoạt động của hệ thống SU, đề xuất áp dụng kỹ thuật truyền thích nghi biến đổi chòm sao điều chế vào hệ thống mạng chuyển tiếp nhận thức.
Phạm vi nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu 1.3
1.3.1 Ph ạm vi nghiên cứu
Các nghiên cứu tập trung vào thông tin vô tuyến, mạng truyền thông hợp tác/đa chặng, kỹ thuật vô tuyến nhận thức, phương pháp truy nhập phổ dạng nền, kỹ thuật điều chế thích nghi
Trong luận án này, các giả sử được áp dụng cho tất cả các mô hình nghiên cứu bao gồm:
- Chế độ truyền trong hệ thống thứ cấp là bán song công
- Mỗi thiết bị trong hệ thống thứ cấp được trang bị một ăng-ten
- Công suất phát của các thiết bị thứ cấp được điều chỉnh thay đổi theo chất lượng kênh truyền tức thời, cụ thể là theo giá trị thông tin kênh truyền can nhiễu tức thời (Channel State Information – CSI), thay vì cố định giá trị công suất phát là một hằng sốnhư hệ thống truyền thống
- Khoảng cách giữa thiết bị thứ cấp nguồn và thứ cấp đích luôn được chuẩn hóa bằng một, và thiết bị thứ cấp nguồn luôn được đặt tại gốc tọa độ 0xy.
- Kỹ thuật điều chế và giải điều chế trong thông tin vô tuyến có thể áp dụng cho mạng truyền thông kết hợp.
- Các kỹ thuật kết hợp: selection combining - Các kỹ thuật truyền thích nghi giảm ảnh hưởng can nhiễu lên hệ thống sơ cấp - Kênh truyền fading có phân bố: Rayleigh, Nakagami-m
- Các mô hình truyền thông hợp tác: truyền lặp lại - Các giao thức xử l ý tín hiệu tại nút chuyển tiếp: AF và DF
Phương pháp nghiên cứu của luận án được thực hiện trước hết ở mô hình toán xác suất cho các kênh fading Rayleigh hoặc Nakagami-m, sau đó thực hiện mô phỏng kiểm chứng thông qua phần mềm Matlab Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng mạng sẽ được khảo sát, bao gồm: số chặng, vị trí thiết bị chuyển tiếp, kỹ thuật điều chế thích nghi đa tốc độ
Phần nghiên cứu tập trung ở lớp vật lý với các tham số đánh giá hiệu năngnhư sau:
+ Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability) + Xác suất lỗi bit (Bit Errror Probability) + Dung lượng dừng hệ thống (Ergodic Capacity)
Trong các bài toán thiết kế hệ thống, các nghiên cứu chủ yếu sử dụng hai phương pháp gồm:
1 Phương pháp thứ nhất là chứng minh công thức toán học và sau đó mô phỏng hệ thống để xác nhận tính đúng đắn của công thức đề xuất, ví dụ [4-6] Đây là phương pháp luận án áp dụng.
2 Phương pháp thứ hai là nêu ý tưởng, giải thuật thực hiện và dùng phần mềm mô phỏng, ví dụ như [7-9]
T Ổ NG QUAN
Chương này sẽ trình bày tổng quan tình hình các nghiên cứu liên quan, phân tích hiệu năng hệ thống mạng truyền thông chuyển tiếp/ đa chặng và hệ thống áp dụng kỹ thuật thích nghi dạng chòm sao thay đổi theo chất lượng môi trường truyền trong môi trường truyền nhận thức dạng nền
Tổng quan về công nghệ 2.1
2.1.1 T ổng quan công nghệ vô tuyến nhận thức
Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng các vùng băng tần được cấp phép đã được sử dụng không đúng mức hiệu suất cần thiết tại bất kỳ thời điểm và vị trí khảo sát nào
[19] [20], chủ yếu là do các quy định và quản lý loại phổ tần truyền thống đã tồn tại chiếm ưu thế trong nhiều thập kỷ Theo chính sách cấp phổ tần hiện tại, mỗi một dải phổ tần số được chỉ định cấp cho một tổ chức sử dụng độc quyền cho một loại dịch vụ và thiết bị vô tuyến điện Công nghệ CR có thể giúp giảm thiểu các vấn đề khan hiếm tài nguyên tần số bằng cách cho phép truy cập phổ tần động (Dynamic Spectrum
Access - DSA), cho phép các người dùng/thiết bị không đăng ký sử dụng phổ trước có thể nhận biết được vùng phổ sử dụng dưới mứchiệu suấtquy định và từ đó, được phép sử dụng vùng phổ đó mà không gây nhiễu có hại cho người sử dụng truyền thông được cấp phép Các vùng tạm thời không được sử dụng được gọi là các vùng phổ trắng
(spectrum white space – WS) và có thể tồn tại ở các miền không gian, thời gian và tần số quy định trước Trong bối cảnh DSA, các người dùng được cấp quyền sử dụng tài nguyên được gọi là người dùng sơ cấp (Primary User – PU) và các người dùng CR được gọi là người dùng thứ cấp (Secondary User –SU)
Kiến trúc CR được mô tả chi tiết trong [1] với các giao thức được nghiên cứu xuyên suốt từ lớp một đến lớp bảy của mô hình OSI Có thể nhận thấy các giao thức quy định cho việc dò tìm phổ và phân bổ tài nguyên thuộc lớp một và hai Trong đó, lớp một thuộc mô hình OSI được tập trung nghiên cứu trong luận án này
Cho đến nay, dựa vào đặc tính thông tin thu thập từ môi trường hoạt động cũng như các luật ưu tiên về việc sử dụng phổ tần, các hệ thống vô tuyến nhận thức được chia
10 thành ba mô hình là mô hình chồng chập (overlay), mô hình đan xen (interweave), và mô hình nền (underlay) [3]
Hệ thống vô tuyến nhận thức theo mô hình overlay với ưu điểm là một hệ thống vô tuyến thông minh Cả hai hệ thống đều hoạt động trên cùng một băng tần, đã được cấp bản quyền cho hệ thống sơ cấp Để đảm bảo QoS của hệ thống, cả hai hệ thống sơ cấp và thứ cấp đều được trang bị các kỹ thuật xử lý tín hiệu và chống can nhiễu phức tạp
Mặc dù có hiệu suất sử dụng phổ cao nhất, đây là mô hình lý tưởng và khó thực hiện nhất trong thực tiễnhiện nay
Tần số M ật độ phổ công suấ t Người dùng sơ cấp
Tần số M ật độ phổ công suấ t Người dùng sơ cấp
Hình 2.1 Phân bố vùng phổ của hai mô hình overlay (a) và underlay (b)
Trong hai mô hình còn lại, mô hình dạng chồng chập có ưu điểm là các thiết bị phát trong hệ thống SU khôngbị ràng buộc giới hạn công suất phát được quy định bởi thiết bị PU Tuy nhiên, hệ thống SU chỉ thực hiện việc truyền dữ liệu khi và chỉ khi hệ thống PU không sử dụng (Hình 2.1) Ngược lại, mô hình dạng nền cho phép hai hệ thống SU và PU hoạt động đồng thời trên cùng một vùng phổ, miễn hoạt động của hệ thống SU vẫn được đảm bảo thông qua các tham số ràng buộc Cụ thể, các ràng buộc được tập trung tại máy thu sơ cấp thông qua các thông số như công suất can nhiễu gây ra bởi thiết bị phát thứ cấp lên thiết bị thu sơ cấp hoặc xác suất dừng hệ thống sơ cấp nhỏhơn một mức ngưỡng cho phép.
2.1.2 Công ngh ệ truyền thông đa chặng/ hợp tác
Truyền thông đa chặng – là thuật ngữ chỉ kỹ thuật truyền dữ liệu giữa hai nút mạng có sự giúp đỡ của một hay nhiều nút ở giữa – đã được nghiên cứu từ những năm đầu của thập kỷ này Bằng cách chia nhỏ đường truyền từ nút nguồn đến nút đích thành các
11 đường truyền ngắn hơn, kỹ thuật này cho phép cải thiện đáng kể chất lượng hệ thống trong điều kiện mức suy hao đường truyền là đáng kể Ý tưởng cơ bản là dựa vàođặc tính suy hao đường truyền, nhà thiết kế có thể nâng cao độ lợi kênh thông qua việc bổ sung các điểm chuyển tiếp trung gian giữa thiết bị nguồn và thiết bị đích, nhằm giúp thiết bị nguồn truyền dữ liệu đến thiết bị đích, ngay cả khi thiết bị đích nằm ngoài vùng phủ sóng [21-27]
Kỹ thuật truyền thông hợp tác là trường hợp đặc biệt của truyền thông đa chặng với số chặng bằng hai Cho đến nay, kỹ thuật này đã và đang được cân nhắc áp dụng trong các chuẩn vô tuyến, ví dụ như Wimax, LTE, 802.11s, … [26], [28-32] Tuy nhiên, nhược điểm của truyền thông đa chặng là hiệu năng phổ tần thấp khi mà các nút mạng chưa thể nhận và phát đồng thời Nhiều báo cáo nghiên cứu hiệu năng hệ thống của các mô hình đa chặng sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp AF hoặc DF dựa trên các tiêu chí như xác suất dừng hệ thống (Outage Probability – OP), tỉ lệ lỗi bit (Bit Error Rate – BER), và dung lượng dừng (ergodic) với các giả định phân bố kênh truyền khác nhau
[33-35] Các thiết bị chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hoặc giải mã và chuyển tiếp (DF) Trong hai kỹ thuật này, khi xét về khía cạnh hiệu năng hoạt động của toàn hệ thống, kỹ thuật DF cho kết quả tốt hơn AF vì lý do không khuếch đại tín hiệu nhiễu Tuy nhiên, khi xét về tính đơn giản khi thiết kế phần cứng, AF thể hiện rõ ưu điểm của mình so với DF.
Cho đến nay, có rất nhiều nghiên cứu về hiệu năng hệ thống tương ứng với nhiều mô hình mạng chuyển tiếp hợp tác ví dụ như truyền thông hợp tác dạng lặp lại (Repetition based Coooperative Network - RPCN) [36-39], truyền thông hợp tác dạng cơ hội (Opportunistic Cooperative Network - OCN) [40-42], truyền thông gia tăng (Incremental Relaying Network – IRN) [43] và mô hình mạng chuyển tiếp-và-giữ phân bố (Distributed Switch-and-Stay - DSSC) [44, 45]
Cụ thể, mô hình RPCN với một điểm nguồn, N điểm chuyển tiếp, và một điểm đích Hệ thốngcần N +1 khe thời gian để chuyển cùng một nội dung thông điệp từ bộ phát đến bộ thu [18, 19, 26] Tại cuối khung thời gian thứ N +1, điểm đích sẽ kết hợp các tín hiệu kỹ thuật kết hợp phân tập (diversity combining) như phân tập kết hợp tỉ lệ lớn
12 nhất (Maximal Ratio Combining – MRC) hoặc SC mà nó nhận được trong các khung thời gian (Hình 2.2)
{1}: dữ liệu được truyền ở khe thời gian thứ k S: thiết bị nguồn
D: thiết bị đích Rn: thiết bị chuyển tiếp thứ n
Hình 2.2 Mô hình chuyển tiếp RPCN với N nút chuyển tiếp
PHÂN TÍCH HI Ệ U NĂNG VÀ V Ị TRÍ T ỐI ƯU ĐIỂ M CHUY Ể N TI Ế P TRONG MÔ HÌNH HAI CH Ặ NG DF NAKAGAMI-m
Chương ba mô tả mô hình hệ thống nhận thức sử dụng ràng buộc can nhiễu thiết bị sơ cấp thu Nhằm nâng cao hiệu năng mạng thứ cấp, hệ thống thứ cấp được chia thành kênh truyền hai chặng sử dụng một thiết bị chuyển tiếp dữ liệu với kỹ thuật DF Bài toán khảo sát vị trí tối ưu của điểm chuyển tiếp nhằm đạt hiệu năng mạng thứ cấp tối ưu.
Khảo sát kênh truyền thứ cấp hai chặng gồm ba thành phần: thiết bị nguồn ( ) s , thiết bị chuyển tiếp ( ) r và thiết bịđích ( ) d Giả sử rằng thiết bị ( ) s không thể truyền dữ liệu trực tiếp cho ( ) d mà phải thông qua đường truyền gián tiếp Thiết bị ( ) r nhận dữ liệu từ ( ) s và sau đó sử dụng kỹ thuật DF để chuyển dữ liệu nhận được cho thiết bị ( ) d
Hệ thống thứ cấp hoạt động trong cùng băng tần của hệ thống sơ cấp và hoạt động ở chếđộ bán song công s r d
{k}: dữ liệu được truyền ở khe thời gian thứ k s: thiết bị nguồn thứ cấp d: thiết bị đích thứ cấp r: thiết bị chuyển tiếp thứ cấp p: thiết bị thu sơ cấp
Hình 3.1 Mô hình kênh truyền hai chặng DF Nakagami-m Nhằm bảo vệ hệ thống sơ cấp, bất kỳ công suất can nhiễu gây ra bởi thiết bị phát thứ cấp ảnh hưởng lên thiết bị thu sơ cấp lớn hơn mức can nhiễu tối đa I p đều không được phép Điều này có thểđạt được thông qua việc điều khiển công suất phát của các thiết bị thứ cấp dựa trên thông tin CSI kênh truyền ứng với từng ký hiệu truyền
Giả sử rằng thông tin CSI của kênh can nhiễu mà hệ thống thứ cấp có được là lý tưởng, cụ thể là không lỗi và không trễ Nhằm nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu trong
19 hệ thống thứ cấp, công suất phát tức thời của ( ) s và ( ) r được chọn bằng giá trị tối đa có thểđược phép truyền, và có giá trị lần lượt là P s =I p h I , 1 2 , P r =I p h I , 2 2 , với h I ,1 và h I ,2 được định nghĩa là các hệ số kênh truyền của các kênh can nhiễu giữa s− p và r− p Kế tiếp, các hệ số kênh truyền thứ cấp của kênh s−r và r d− được ký hiệu lần lượt là h D ,1 và h D ,2
Giả sử rằng tất cả các kênh tuân theo phân bố độc lập nhưng không cần đồng nhất (i.n.i.d.) Nakagami-m fading, dẫn đến h D k , 2 và h I k , 2 với k∈{1, 2} tuân theo phân bố Gamma với các thông số đo mức độ fading m D k , và m I k , ; và có công suất kênh trung bình λ D k , và λ I k ,
Khi đó, hàm mật độ xác suất (Probability Density Function – PDF) và hàm phân bố xác suất tích lũy (Cumulative Distribution Function – CDF) tập
X∈ h h h h được cho bởi công thức (3.1) như sau:
F m λ γ γ = −Γ Γ (3.1) với tập λ∈{λ λ D ,1, D ,2,λ λ I ,1, I ,1}, m∈{m D ,1 ,m D ,2 ,m I ,1 ,m I ,2 } Trong công thức trên, (.)Γ và (.,.)Γ lần lượt là ký hiệu của hàm Gamma [69,(8.310.1)] và hàm Gamma chặn trên chưa hoàn chỉnh [69, (8.350.1)]; thông số SNR tức thời của chặng thứ k là
, 0 , p D k k k I h N h I γ = với k∈{1, 2}, N 0 là phương sai của nhiễu cộng trắng AWGN tại các thiết bị thu thứ cấp. Để xác định công thức tính xác suất dừng đầu cuối hệ thống OP, ta cần xác định hàm CDF γ k Sử dụng công thứcxác suất có điều kiện, hàm CDF của γ k được viết là
(3.2) với các giá trị m nhận các giá trị nguyên dương, như m=1, 2, , ( )
(3.4) Thay đổi vị trí của tổng và tích phân trong (3.4), đồng thời áp dụng [69, (3.326.2)], ta có công thức (3.5)
Sau khi xác định được CDF của γ k , phần kế tiếp thực hiện phân tích hiệu năng hệ thống thông qua xác suất dừng toàn hệ thống Hệ thống được xem là không đạt chất lượng khi giá trị tức thời γ k nhỏ hơn một giá trị ngưỡng cho trước, γ th Trong mô hình hai chặng, hiệu năng hệ thống đã được chứng minh phụ thuộc vào chặng có chất lượng thấp hơn [70]
OP=Pr (γ γ, ) z ) là hàm phụ thuộc vào ba thông số gồm bậc ảnh hưởng bởi kênh fading m I k , , hệ số tương quan ρ và ngưỡng tối đa can nhiễu z nhưng nó lại không phụ thuộc vào trị trung bình công suất của các kênh can nhiễu
, λ I k Kết quả này rất quan trọng trong bài toán thiết kế hệ thống.Để thuận tiện, chúng ta viết lại Pr ( f k 2 f k 2 > z ) như sau
(6.13) Bước kế tiếp, với (6.9), chúng ta thực hiện tính P I Với mục đích tập trung vào khảo sát ảnh hưởng của hệ số tương quan ρ lên P I mà không mất đi tính tổng quát, chúng ta giả sử rằng m I k , =m D k , =m,∀k Thay z=1 trong công thức (6.9) và sử dụng [69, 0.112], kết hợp với công thức tính P I trong (6.8) , chúng ta được
Trong trường hợp đặc biệt, trường hợp m=1 ứng với mô hình kênh truyền chịu ảnh hưởng của phân bố Rayleigh.
Sau một vài phép tính toán, ta được
(6.15) Từ (6.15), ta nhận xét trong trường hợp kênh truyền chịu ảnh hưởng fading nặng nhất,
P I không phụ thuộc vào hệ số tương quan ρ Đặc biệt, khi số chặng tăng, P I sẽ tăng từ giá trị 0.5 tiến đến 1 Kết quả phân tích hoàn toàn phù hợp với tài liệu [96]
