Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Đánh giá chất lượng mạng Relay nhận thức đan xen

TOM TAT LUẠN VANMang vô tuyén nhận thức Cognitive radio — CR được thiét ké nham mucdich tăng hiệu qua sử dung phổ tan số bang cách cho phép các CR user có thé hoạtđộng trên các khe tần s

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐÁNH GIA CHAT LƯỢNG MẠNG RELAY

3 PGS TS Pham Hồng Liên4 PGS TS Lê Tiền Thường5 TS Hồ Văn KhươngXác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA ĐIỆN —- ĐIỆN TỬ

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: Phạm Minh Sơn <<<<<<<<<<<<<<2 MSHV: 11140056.Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1982 55555 <<<<<<<+<+2 Nơi sinh: Nam Định.

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử -. -5-555555sc5c: Mã số : 60 52 70.I TÊN ĐÈ TÀI: Đánh giá chất lượng mạng Relay nhận thức đan xen

I.NHIỆM VỤ VÀ NOI DUNG: Luận văn đánh giá chất lượng mang relay nhậnthức dan xen nhằm chọn lựa các thông số hệ thông phù hợp, đưa ra các khuyến cáogiới han cho hệ thống mạng, xem xét ảnh hưởng của nhiều yếu tố ảnh hưởng lênchất lượng hệ thống như ảnh hưởng của nút relay, số lượng nút relay tiềm năngtrong mạng, loại kỹ thuật relay, kênh truyền vô tuyến, kỹ thuật cảm biến pho, kỹthuật truy cập phổ động, xác suất phát hiện đúng (Py) và xác suất cảnh báo sai (Py)

của các nút relay, trong mạng v6 tuyên nhận thức đan xen.

Ill NGÀY GIAO NHIỆM VU : 02/07/2012IV NGAY HOAN THANH NHIEM VU: 25/06/2013V CAN BO HUONG DAN : TS Võ Qué Son - TS Hồ Văn Khương

Tp HCM, ngày tháng năm 2013.

CÁN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO

TRUONG KHOA DIEN - DIEN TU

Cho phép em được gửi đến thầy TS V6 Qué Sơn và thay TS Hồ Văn Khươnglòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất Các thây đã tận tình hướng dẫn em, dẫn dắtem tiếp cận với công nghệ mới, tạo cho em cách tư duy và phương pháp làm việc

khoa học.

Nhân đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong ngành Kỹ thuậtĐiện tử, Khoa Điện — Điện tử, Trường Dai học Bách Khoa Thành phố Hồ ChíMinh, những người đã cung cấp nguồn kiến thức quý báu cùng với sự hé trợ tậntâm trong suốt thời gian em theo học tại trường

Cũng không quên sự giúp đỡ to lớn của các bạn bè cùng lớp và các đồngnghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi bước tiếp trên con đường nghiên cứu khoa

học này Xin gửi đền các anh chị và các bạn lời tri ân sâu sac.Cuôi cùng, tôi xin cảm ơn cha mẹ và gia đình tôi, những người đã luôn độngviên, tận tình chăm sóc và dạy bảo đê tôi trưởng thành!

Phạm Minh Sơn

Cognitive radio (CR) network is designed for the purpose of increasing thespectrum utilization efficiency by enabling the CR user to operatein the spectrumholes of primary network subject to the condition that the CR users do not affect theoperation of the primary user by releasing operating band when needed Becausethese spectrum holes are not fixed and constantly change with respect to thevariation of spectrum utilization efficiency of primary networks, the quality of CRnetworks also varies This thesis will evaluate the performance of interweaverelaying cognitive networks with respect to the following parameters: the number ofrelay nodes, spectrum utilization efficiency of primary networks, the reliability ofspectrum sensing methods at the relay node and the source node, and fadingseverity through the derived outage probability and bit error rate expressions toprovide recommendations.

Trang 1

TOM TAT LUẠN VAN

Mang vô tuyén nhận thức (Cognitive radio — CR) được thiét ké nham mucdich tăng hiệu qua sử dung phổ tan số bang cách cho phép các CR user có thé hoạtđộng trên các khe tần số trống của mạng sơ cấp (primary) với điều kiện CR userkhông gây ảnh hưởng đến hoạt động của các người sử dụng sơ cấp (primary user —PU) bằng cách giải phóng băng tần đang hoạt động khi các PU cần sử dụng Dokhoảng trang này không cố định mà thay đổi liên tục ứng với sự thay đổi của hiệusuất sử dụng pho tan trong mang primary nên chất lượng của hệ thống mạng CRcũng thay đối theo Luận văn sẽ đánh giá chất lượng của hệ thong mang CR thayđổi như thé nào khi kết hợp với các nút relay: ảnh hưởng của số lượng nút relaytrong mang CR, hiệu suất sử dung phổ tần của mạng primary, độ tin cậy củaphương pháp cảm biến pho tan tại các nút relay và nút nguồn S, mức độ nghiêmtrọng của fading đến chất lượng của mạng vô tuyến relay nhận thức đan xen; xácđịnh công thức tính xác suất outage (Pou) va ty lệ lỗi bit (BER) của hệ thống mạngvô tuyến relay nhận thức đan xen DF; đưa ra các khuyến cáo giới hạn cho hệ thốngmạng.

MỤC LỤC

TOM TAT LUẬN VAN - Gv SE S SE E111 1111111111111 111111111 gErkrki ii

I/1819305 9 ỮÕƯƠỊƠƠƠ lil

DANH MUC BANG 2 viiCHUONG I: GIỚI THIEU wu ceccccecsccccesesccsecscecessscevscscecessevscscscecsevececsesevavaceceesevevavees |1.1 Lý do chọn dé tài - + 56s E1 1 1 1511111111115 111111101111 11 1111011111 gr |

1.2 Mục đích nghiÊn CỨU (<< 1 1931010101119 00 kg 6

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên CỨU - - ¿5-5252 SE+E+E£E‡EeErErxerrerrerered 7

1.4 Phương pháp nghiÊn CỨU - - G1999 0111 ng kg 7

1.5 Kết qua và đĩng gĩp của luận VAN ¿- - + 5+ 2+2 SE+E+ SE EEEcEeErrrkrkrree 71.6 Bỗ cục của luận văn - G1121 E 5 111151111 11111 1112 1 ng gi 8CHUONG II: LY THUYET TONG QUAN ccccesessesscecesescssecsceecevecscececesevacaceceees 102.1 Kênh truyền VƠ tuy6n occceccccccccscscsssscsecscscsssscsesscsesesscsesessesesesscscseseescseseesesseeees 102.1.1 Mơi trường kênh truyền vơ tuyén.e.ccceccceeeeesescecseseseseeeseeeseseeeeens 10

2.1.2 Hiện tượng fading: - cọ HH vn 12

2.1.3 Sự trải trễ của tin hiỆU: G6 k3 SE ngưng ri 132.1.4 Đặc tinh thay đối theo thời gian của kênh truyền: - 152.1.5 Kênh truyền Rayleigh, Ricean và Nakagami-m -. 5- 5-55: 162.2 Khái niệm co bản về lý thuyết thơng tin vơ tuyến - 255555552 202.3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng kênh truyên ¿5-5552 2 5s+s+cscs2 20

2.4 Kỹ thuật phân tap - G9 kh 22

2.5 Mạng vơ tuyến nhận thứỨc ¿+ - ¿52292 SE+E+EEEE£E£EEEEEEEEEEEErkererkrrereree 242.5.1 Giới thiệu về mang vơ tuyến nhận thức - ¿2-5 + + + s£s+s+s+£zcze: 242.5.2 Kiến trúc hệ thống mạng vơ tuyến nhận thức - 2-5-5 s+s se: 262.5.3 Cau trúc của mạng vơ tuyến nhận thức - - c2 2 s+s+s+ezcze: 302.5.4 Kiến trúc mạng vơ tuyến nhận thức trong mơi trường OSI 302.5.5 Nguyên tắc hoạt động của mạng vơ tuyến nhận thức - 3l2.5.6 Kỹ thuật truy cập phổ - 5:55 1E E321 1515111111 11111 111111 Ee 35

2.6 KY thuật relay -G G0 nọ 372.6.1 Chức năng của relay cọ ng vn 37

Trang 11

2.6.2 Mô hình và phân loại relay - 11 ng, 37

CHUONG III: PHAN TÍCH CHAT LƯỢNG MẠNG CR 55s cscssẻ 403.1 Mô hình hệ thống mang relay nhận thức đan xen 2-5 2 2555: 403.2 Đánh giá chất lượng hệ thong mang CR qua xác suất outage 463.2.1 Thành phan xác suất có điều kiện -¿5- +2 + 2 z£s+E+x+eerrsrsreee AT3.2.2 Tập hợp các nút relay tiém năng M w.c.eecceeeccceeesesesescssessessesessssseeseseees 513.2.3 Kết quả nhận duoc ceccccccccsssecscscsesessscscscscscsescsssvsvssscsessssesesesesssssseaees 563.3 Đánh giá chất lượng hệ thống mạng CR qua BER - 5+: 573.3.1 Thành phần xác suất có điều kiện ¿ - +5 + + 2£e+e+tsezrrsrsreee 583.3.2 Xác suất tO hợp C - + + 42c t1 1111111121111 111111111111 11 01011011111 re 593.3.3 Kết quả nhận đưỢC - + << S333 E1E15151515 5151511151511 1 11 ckrkg 60CHƯƠNG IV: MO PHONG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG 634.1 Mô hình hệ thong - ¿- E2 SE S123 E915 11521 E151111511 111171151101 11 0c 634.2 Khảo sát chat lượng hệ thống mạng CR ¿255252 s+x+E£s+xsrscs¿ 674.2.1 Ảnh hưởng của số lượng nút relay trong mang CR -. - 5: 674.2.2 Anh hưởng của xác suất PU xuất hiện trong mang CR 7]4.2.3 Anh hưởng của xác suất phát hiện PU xuất hiện mạng CR 744.2.4 Anh hưởng của xác suất cảnh báo sai 2 2 5555cc+cscsc 774.2.5 Anh hưởng của các loại phân bố kênh truyền Rayleigh fading 80CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHAT TRIEN - 55555 5s¿ 825.1 KẾT luận - - k1 11112111 5 51115198 1 1112110 111110111 1111 91g ng rke 825.2 HurOngg0 i1 0 31 83TÀI LIEU THAM KHẢO G-G G63 539191 3E 9191 1 1 111121 1E 1121 eo 84DANH MỤC TU VIET TẮTT tt E931 311 1E 111128 11111 vn: 88LY LICH TRÍCH NGANG - G1 939191 1E 919151 1 3 511111 0 111111 1 ng: 89

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Các khoảng trong của phổ - ¿-¿- - E222 S223 E115 E1 2121115E1 2121111 ecxrk 2Hình 1.2 Sơ đồ mạng relay vô tuyến nhận thức + 2+ s+s+x+£e+x+xezscxeẻ 5Hình 2.1 Hiệu ứng đa đường trong kênh truyén vô tuyến 25- 55+: II

Hình 2.2 Cường độ tín hiệu trong môi trường fading - 5+ «<< <<<++2 13

Hình 2.3 Kênh truyền fading chọn tần ¿2 - +52 2 2 +E+E+E#ESEE£E£ErEeErrerkrkrree 14Hình 2.4 Kênh truyền fading phắng ¿+ ©2- 5252 SE SE£E£ESEEEEEEErEeErkrkrkrree 14Hình 2.5 Kênh truyền fading phắng vớii - - + + 252 SE‡E+ESESEE£E2EcEErxrkrerree 15

Hình 2.6 Các loại fading, - << - G1100 re 16

Hình 2.7 Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh va Rieean - - +: 18Hình 2.8 Hàm mật đồ phân bố Nakagami-m +2 + 2 2 2+£+£+£+££z££+£zS+2 19Hình 2.9.Phân tập theo tần sO c.ccccccccsscscscscscsesssssscscscscscsvssessssssssesssssesessessssssesees 22

Hình 2.10 Phân tập theo thời Ø1an - - << G5 19001 re 23Hình 2.11 Phân tập theo không 8Ø1a1n - <5 + 100 1990 ng re 23

Hình 2.12 Chu kỳ của vô tuyến nhận thức -. - ¿22 +2+£+£+£z£2£E+E+Ez£z£zzxzxreee 25Hình 2.13 Kiến trúc ha tang cơ sở của mạng vô tuyến nhận thức - 27Hình 2.14 Hệ thống truy cập -¿- ©5252 SE 2EEE9 2E E21 1511511151121 11 15111 E xe, 29Hình 2.15 Kiến trúc mạng CR trong môi trường OSÌ ¿-5- c2 s+s+s+c+2 31Hình 2.16 Các kỹ thuật cảm biến PhO wee ccsssssescscscsssesesessscssescsesssesseseseens 32Hình 2.17 Sơ đồ khối của phương pháp tách năng lượng - 5-2555: 33Hình 2.18 Kỹ thuật truy cập phổ underlayy + ¿55255 2E+E2E£E£E£EcEzEerererereee 35

Hình 2.19 Kỹ thuật truy cập Interweave HH re 36Hình 2.20 Kỹ thuật truy cập OV€TÏAyV - ch 37

Hình 2.21 Mô hình relay trong mạng vô tuyẾn -¿-+-¿- - + +2 2+s+x+x+£z£zzszereee 37

Hình 2.22 Mô hình relay da hop - << 5 5 1133321010101 9 ng re 38Hình 2.23 Mô hình relay hop tac - - - << SH re 38

Hình 3.1 Mô hình hệ thống vô tuyến relay nhận thức đan xen - -: 40Hình 3.2 Mô tả tín hiệu được phát từ nút nguồn S ra xung quanh - 43

Hình 3.3 M6 tả tín hiệu nhận được tại nút đích D + << << <<<<<<<<eeeeessss 44

Hình 3.4 Mô hình hệ thống truyén tin trong pha 2 - 2-5-5 555+c+c£2£<+<cc+2 46Hình 3.5 Mô hình phát tín hiệu từ nút nguôn S tới M nút relay - 51Hình 4.1 Mô hình hệ thống vô tuyến nhận thức dan xen - - 2 2 25ss+5+‡ 63Hinh 4.2 Lưu đồ đánh giá chất lượng mạng CR qua xác suất outage 64Hinh 4.3 Lưu đồ đánh giá chất lượng mang CR qua xác suất lỗi bit 65Hình 4.4 Pout theo SNR khi thay đổi số lượng nút relay M -5-<-: 68Hình 4.5 BER theo SNR khi thay đổi số lượng nút relay M - +: 69Hình 4.6 Pout theo SNR khi thay đổi xác suất hiện PU - - 2 255555: 72Hình 4.7 BER theo SNR khi thay đổi xác suất hiện PU - 2 25552: 73Hình 4.8 Pout theo SNR khi thay đổi xác suất phát hiện PU -. - +: 75Hình 4.9 BER theo SNR khi thay đổi xác suất phát hiện PU - 76Hình 4.10 Pout theo SNR khi thay đổi xác suất cảnh báo sai -5-5-: 78Hình 4.11 BER theo SNR khi thay đổi xác suất cảnh báo sai - 79Hình 4.12 Pout theo SNR khi thay đổi các kiểu kênh truyén - -: SĨ

DANH MỤC BANG

Bảng 1 Hiệu qua sử dụng phô tần trung bình tại bảy vị trí ở Chicago l

Bảng 4.1 Thông số khảo sát ảnh hưởng của số lượng nút realy M 67

Bảng 4.2 Thông số khảo sát ảnh hưởng của xác suất xuất hiện PU 71

Bang 4.3 Thông số khảo sát chất lượng mạng khi thay đổi Pd - 74

Bảng 4.4 Thông số khảo sát chất lượng mạng khi thay đổi Pfa 77

Bảng 4.5 Thông số khảo sát chất lượng mạng khi thay kênh truyền 79

Trang vii

CHƯƠNG I:GIOI THIEU

1.1 Lý do chọn đề tàiNguồn phố tan vô tuyến là một nguồn tài nguyên thiên nhiên có hạn [1], [2] vàđược quản lý bởi các tổ chức viễn thông của chính phủ (ở Việt Nam, đơn vị quản lýpho tần số vô tuyến điện là Cục Tần số thuộc Bộ Thông tin và Truyền thông) và batcứ hệ thông thu phát vô tuyến nào muốn sử dung tan số đều phải cấp phép bởi cáctổ chức quản lý đó Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nóichung và lĩnh vực điện tử viễn thông nói riêng, dải tần số đang dan trở nên chật hẹpbởi sự gia tăng số lượng các hệ thống vô tuyến cũng như các chuẩn giao tiếp nhưFM, AM, TV, Mobile network, WiFi, WiMax, Điều nghich ly 6 chỗ mặc dù phốtần số trong đang ngày chật hẹp thì hiệu suất sử dụng tài nguyên tan số lại rất thấp.Theo thống kê của Hội đồng viễn thông liên bang Mỹ (FCC) thì hiệu suất sử dụngtài nguyên phố tân chỉ vào khoảng 15% — 85% [1]

Fixed Mobile, Aero, others: 225-406 MHz }Amateur, Foed, Mobile, Radiolocatlon, 406-470 MHz =

TV 14.20 470-512 khP=====TV 21-36 512-608 My aTV 37-51 608-698 MHz —

¥ 52-69; 690-006 MI fs

Cell phone and SMR: 806-902 MHz |Unlicensed: 902-928 MHz =Paging SMS, Fixed, BX Aux, and FMS: 929-909 Mz: ==

IFF, TACAN, GPS, others: 960-1240 MHz |

Amateur 1240-1300 MHZ |Aero Radar, Miltary: 1300-1400 MHz |

Space/Satelite, Fowed Mobile, Telemetry: 1400-1525 MHz |

Mobile Satellite, GPS, Meteorologjcial' 1525-17 10 MHz |

Fixed, Fixed Mobile: 1710-1850 Miz

PCS, Asyn, lso- 1860-1990 MHz |

TV Aw 1990-2110 MHZ |

Common Carers, Private, MOS: 2110-2200 MHz |

Space Operation, Fixed: 2200-2300 MHz |Amateur, WCS, DARS: 2300-2360 Mrz |Telemetry: 2360-2390 MHz |U-PCS, ISM (Unlicensed): 2390-2500 MHz |ITFS, MMOS: 2500-2686 MHZ |Surveillance Radar: 2686-2900 MHz

0.0% 25.0% 90.0% 15.0% 100.0%ot |

Bang 1 Hiéu qua str dung pho tan trung binh tai bay vi tri 6 Chicago [2]

Dễ dàng nhận thấy rằng bên cạnh những khoảng tần số được sử dụng khá hiệuquả thì vẫn còn những khoảng tần số được sử dụng ít hoặc không sử dụng Người tađịnh nghĩa những khoảng tan số không được sử dụng này là những khoảng trang(white space) hay còn gọi là những lỗ trống pho tần (spectrum hole) Van dé đặt ralà làm sao tận dụng được những khoảng trang này nhăm tăng hiệu suất sử dụng tansố cũng như giải quyết được van dé chật hẹp của dải tần số hiện nay Khó khăn ởchỗ những khoảng trang này không có định mà thay đổi liên tục ứng với sự thay đổicủa hiệu suất sử dụng mạng thứ cấp mà nguyên nhân đã được nêu ở trên Do vậynhu câu bức thiết đặt ra đối với nên viễn thông thế giới là cho ra đời một hệ thốngvô tuyến thông minh có khả năng sử dụng những khe trong phổ tan trong dải tần số.Sự xuất hiện của nó sẽ giải quyết được những khó khăn trong việc sử dụng tàinguyên tan số.

spectrum used byprimary users

Area Network) cho phép các thuê bao không đăng ký (unlicenced user) hay còn gọi

là người sử dụng thứ cap (secondary user — SU) sử dụng những khoảng trang trongdải tần số [3] Tháng 5/2004 FCC chính thức tái sử dụng băng tần Tivi và các SUđược phép sử dụng băng tần từ 54 MHz đến 862 MHz [3] Tuy nhién yéu cau dat ralà hoạt động của SU không được ảnh hưởng đến PU cũng như bat cứ lúc nào PUmuốn sử dụng lại khoảng trắng tan số thì SU phải nhanh chóng trả lại mà không gây

Chương I: Giới thiệu Trang 2

nhiễu đến các hoạt động của PU băng cách chuyển sang các khoảng trắng khác hoặcgiảm mức công suất phát Do vậy, một hệ thống vô tuyến thông minh có khả năngcảm biến các khoảng trắng cũng như khả năng thay đối linh hoạt sẽ có thé giảiquyết được van dé sử dụng hiệu qua phố tan này Hệ thống vô tuyến thông minhnày được gọi là mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR).

Định nghĩa của FCC về mạng vô tuyến nhận thức: CR là mạng thông tin vôtuyến, nó có khả năng thay đổi các thông số dựa trên sự tương tác với môi trường

mà nó đang hoạt động [4].

Khái niệm vo tuyến nhận thức lần đầu tiên được đưa ra bởi Joseph Mitola HI

tại hội nghị KTH (the Royal Institute of Technology in Stockholm) năm 1998 va bai

báo được công bố vào năm 1999 Y tưởng về mang vô tuyến nhận thức như sau:ban đầu chỉ có một mạng chính (Primary networks) được cấp phép sử dụng trên mộtdãy băng tần nhưng không phải lúc nào băng tần đó cũng được sử dụng Như vậy,tại thời điểm khoảng băng tan này trống thì nó cho phép user thứ hai (CR user) củamang CR sử dụng Day là một kỹ thuật mới nhằm nâng cao hiệu quả việc sử dụngbăng tan

Đặc tính quan trọng của mạng CR là khả năng phát hiện khoảng băng tần đangđược sử dụng [4] Đây chính là van dé quan trọng không chỉ ngăn chặn sự ảnhhưởng của nhiễu đến hệ thống hiện hữu mà còn có khả năng tìm băng tan trong đểsử dụng hiệu quả tần số vô tuyến trong thông tin liên lạc

Mang vô tuyến nhận thức có ba kỹ thuật truy cập pho: underlay, overlay và

interweave [5].

Trong kỹ thuật truy cập undelay, CR user cùng truy cập đồng thời trên băngtần với PU nhằm khai thác và sử dụng hiệu quả băng tần đó Tuy nhiên các CR userphải phát công suất dưới một mức ngưỡng nhằm không gây nhiễu cho các PU vượt

quá mức ngưỡng cho phép.

Trong kỹ thuật truy cập pho overlay: các PU và CR user có thé hoạt độngđồng thời trên cùng băng tan Tuy nhiên, CR user chỉ sử dụng phô trồng một cách

điều khiến công suất phát xuống dé không gây nhiễu cho PU vượt quá mức ngưỡng

cho phép.

Trong kỹ thuật truy cập phố interweave: các CR user sẽ sử dụng các khe phổtần trống trong mạng Primary để tránh gây can nhiễu đến mạng primary Tuy nhiên,kỹ thuật truy cập phố interweave phải có kha năng cảm biến phổ tan còn trống củacác PU dé tìm được các khe pho trống trong thời gian nhất định

Như vậy: ưu điểm nỗi bật của mạng v6 tuyến nhận thức dan xen (interweave)chính là khả năng sử dụng khe tần số trong và không gây can nhiễu đến mạngprimary có sẵn Tuy nhiên, hạn chế là sự phụ thuộc rất nhiều vào kỹ thuật tìm kiếmkhe phố thành công trong một thời gian nhất định do đó tốc độ và vùng phủ sóngcủa mang CR sé bị hạn chế Để khắc phục van dé này, ta sẽ kết hợp kỹ thuật relay

vào mạng vồ tuyên nhận thức.

Relay có chức năng giải mã và chuyền tiếp (hoặc khuếch đại và chuyển tiếp)

thông tin nhận được Ngoài ra, relay còn có chức năng xử lý tín hiệu thu được trước

khi chuyên tín hiệu đến đích, do đó có thể mở rộng vùng phủ sóng và làm đa dạngcầu hình hệ thống vô tuyến

Mô hình relay có 2 loại: đa hop (multihop) và hợp tác (cooperative) Phuong

pháp xử lý tín hiệu tai relay gồm có hai phương pháp: mã hóa và chuyển tiếp(decode forward - DF) và khuếch đại va chuyén tiép (amplifier forward - AF)

Chương I: Giới thiệu Trang 4

Spectrum sensing « PU

4; đà)Cooperation « b- CR PU; Primary User

CS: Cognitive Source“(@) CR: Cognitive Relay

Data transmission ^ ñ CD: Cognitive Destination

CD

Hình 1.2 So đồ mang relay vô tuyến nhận thứcTừ những ưu điểm và khuyết điểm của mạng vô tuyến nhận thức nên và kỹthuật relay, ta có thể ứng dụng kỹ thuật relay vào mạng CR trên nhăm cải thiệnvùng phủ sóng, nâng cao chất lượng tín hiệu, đồng thời giảm bớt sự ảnh hưởng củamạng v6 tuyến nhận thức đan xen đến PU Kỹ thuật này làm giảm lỗi trên đườngtruyền trong khi vẫn duy trì mức độ nhất định vẻ độ lợi hiệu suất

Các nghiên cứu gần đây đã đưa ra các kỹ thuật và phương pháp phân tích chấtlượng của hệ thống mạng relay vô tuyến nhận thức đan xen dựa trên định nghĩa lýthuyết thông tin Tài liệu [6] phân tích xác suất outage của hệ thong mạngvô tuyếnrelay nhận thức đan xen tại các giá trị công suất phát SNR cao trong trường hợpkênh truyền fading Rayleigh phân bố không giống nhau Tài liệu [7] đưa ra biểuthức tính xác suất outage của hệ thống mạng relay nhận thức đan xen tại các giá trịcông suất SNR trong trường hợp kênh truyền fading Rayleigh giống nhau Tài liệu[8] khảo sát lại xác suất outage tại các giá trị công suất SNR bat kỳ trong trườnghợp kênh truyền Rayleigh không giống nhau Tuy nhiên các tài liệu [6], [7], [8]không xem xét ảnh hưởng của xác suất tìm kiếm khe phổ trống của các nút relay màluôn giả sử các nút relay luôn luôn tìm kiếm khe phô thành công, hay là trường hopcác nút relay có xác suất tìm kiếm khe phố hoàn hảo Điều nay không hoàn toànđúng trong thực tế

Ảnh hưởng của xác suất tìm kiểm khe phô thành công đến chất lượng của hệthống mạng vô tuyến relay nhận thức đan xen đã được xem xét trong các tài liệu [9]đánh giá chất lượng của hệ thống mạng vô tuyếnrelay DF nhận thức dan xen tuynhiên chỉ xét tại các giá công suất phát SNR cao Tài liệu [10] là trường hợp mởrộng của tài liệu [9] khi đánh giá chất lượng mạng relay nhận thức đan xen trong kỹthuật relay khuếch dai và chuyển tiếp (AF — Amplifier and Forward) và chỉ xét hệthống mang relay vô tuyến nhận thức đan xen có hai nút relay Hơn nữa, các nghiêncứu xem xét xác suất tìm kiếm khe phô của các nút relay là xác suất tach (detectionprobability) của quá trình cảm biến phố, đây là một sự xem xét không day đủ Lý donăm ở việc định nghĩa về xác suất tách Trong mạng vô tuyến nhận thức CR, xácsuất tách được định là xác suất phát hiện PU khi PU thực sự xuất hiện trong mạngCR [11] Mặt khác xác suất tìm kiếm phố được định nghĩa là xác suất truy cập timkiếm vào băng tần số nhưng không xem xét trạng thái của PU Do đó, việc đánh giáday đủ chất lượng mang relay DF nhận thức đan xen là can thiết Đánh giá sự kếthợp các nút relay vào mạng vô tuyến nhận thức đan xen có mang lạitất cả các ưuđiểm của hai công nghệ này hay không? Luận văn này hướng tới đánh giá chấtlượng mang relay nhận thức đan xen nhằm lựa chọn các thông số hệ thong phù hop,đưa ra các khuyến cáo về giới hạn chất lượng của mạng relay nhận thức đan xen,dựa trên các đánh giá dé dé xuất ra các giải pháp cải thiện chất lượng mạng.

1.2 Mục đích nghiên cứu

Luận văn này sẽ phân tích đầy đủ chất lượng mạng vô tuyến nhận thức đanxen sử dụng các nút relay giải mã và chuyên tiếp nhằm làm rõ ưu điểm và khuyếtđiểm của sự kết hợp kỹ thuật relay và mạng vô tuyến nhận thức Đánh giá chấtlượng mạng relay nhận thức đan xen nham chon lựa các thông số hệ thống phù hop,đưa ra các khuyến cáo giới hạn cho hệ thông mạng, xem xét ảnh hưởng của nhiềuyếu tố ảnh hưởng lên chất lượng hệ thống như ảnh hưởng của nút relay, số lượngnút relay tiềm năng trong mạng, loại kỹ thuật relay, kênh truyền vô tuyến, kỹ thuậtcảm biến phổ, kỹ thuật truy cập phố động, hiệu suất sử dung phố tan của mạngprimary, xác suất phát hiện đúng (Pg) và xác suất cảnh báo sai (P„) của các nútrelay trong mạng vô tuyến nhận thức đan xen

Chương I: Giới thiệu Trang 6

1.3 Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu

+ Nghiên cứu mạng nhận thức và chế độ đan xen (interweave);

+ Nghién cttu ky thuat relay DF (Decode and Forward);

+ Cầu trúc mạng relay nhận thức đan xen;+ Nghiên cứu kỹ thuật cảm biến phô tần;+ Kênh truyén vô tuyến;

+ Các thông số hệ thống ảnh hưởng đến chất lượng mạng relay nhận thức

đan xen.1.4 Phương pháp nghiên cứu

+ Khảo sát các tài liệu có liên quan đến dé tài như mạng v6 tuyến nhận thức,chế độ interweave, kỹ thuật relay, kỹ thuật cảm biến pho tần, kênh truyền vô tuyến

+ Nghiên cứu các thông số đánh giá chất lượng hệ thống mạng như outageprobability, tỷ lệ lỗi bit (BER)

+ Khảo sát và đánh giá mạng relay vô tuyến nhận thức đan xen thông quaphân tích và mô phỏng bằng phần mềm Mathlab

+ So sánh chất lượng của mạng vô tuyến nhận thức đan xen và mạng relaynhận thức đan xen nhằm đánh gia VIỆC kết hợp giữa v6 tuyến nhận thức và kỹ thuậtrelay có đem lại ưu điểm của cả hai hay không

+ Nhận xét các kết quả đạt được và đưa ra các khuyến nghị vé các thông số hệthống phù hợp và đưa ra các giải pháp cải thiện hệ thông mạng

1.5 Kết qua và đóng góp của luận văn= Kết quả luận văn:

- Luận văn đưa ra, phân tích các biểu thức tính xác suất outage (Pu) va biéuthức tinh ty lệ lỗi bit (BER) của mạng vô tuyến relay giải mã và chuyền tiếp nhận

thức đan xen.

- Mô phỏng kết quả tính toán từ đó phân tích và đánh giá ảnh hưởng của cácthông số đến chất lượng mạng Kết quả, xác suất outage Py, tỷ lệ lỗi bit BER phụthuộc rất lớn vào các thông số của mạng như: số lượng nút relay trong mạng CR,hiệu suất sử dụng pho tan của mạng primary, xác suất phát hiện PU (Pạ), xác suấtcảnh báo sai (P„) trong mạng, ảnh hưởng của kênh truyền fading Từ kết quả phântích, luận văn đã đưa ra các khuyến nghị và giải pháp cải thiện chất lượng hệ thốngmạng qua việc chọn lựa các thông số của mạng.

= Kết quả đóng gop:- Tac giả đã phân tích và xác định biểu thức tính xác suất outage Poy và ty lệlỗi bit BER của mang CR

- Phân tích kết quả mô phỏng đánh giá chat lượng mang CR khi thay đổi cácthông số mạng CR Đưa ra các giá trị thông số hệ thống mạng CR phù hợp để nângcao chất lượng mạng

1.6 Bồ cục của luận vănBồ cục luận van gồm có năm chương:

"_ Chương 1: Giới thiệu

= Chương 2: Tổng quan Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về thông tin vôtuyến như: kênh truyền vô tuyến, khái niệm cơ bản về lý thuyết thông tin, cáccách đánh giá chất lượng lượng mạng vô tuyến (tỷ số tín hiệu trên nhiễuSNR, xác suất outage Pour, tỷ lệ lỗi bit trung bình BER); giới thiệu tong quanvề mang vô tuyến nhận thức và kỹ thuật relay

= Chương 3: Phân tích chất lượng mạng relay nhận thức đan xen sử dụng giảimã và chuyển tiếp Chương này phân tích và xây dựng biểu thức tính xácsuất outage và tỷ lệ lỗi bit BER của mang CR

= Chương 4: Kết quả mô phỏng và đánh giá Chương này trình bảy các kết quamô phỏng và đánh giá hiệu quả của mạng relay vô tuyến nhận thức đan xen.Đưa ra các khuyến nghị và giải pháp nhằm cải thiện chất lượng mạng

Chương I: Giới thiệu Trang 8

= Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.

CHƯƠNG II: LY THUYET TONG QUAN

Trong môi trường vô tuyến, kênh truyền luôn có ảnh hưởng rất lớn đến hoạtđộng của hệ thống Ở chương II, tác giả sẽ trình bày những đặc trưng cơ bản củakênh truyền vô tuyến di động Hiểu rõ đặc tính kênh truyền là điều kiện quan trọngdé có thé đánh giá hoạt động của các hệ thong, đặc biệt la xây dựng hệ thông mạng

phù hợp Trong chương II, tác gia cũng trình bày nguyên lý hoạt động cơ bản của

mạng vô tuyến nhận thức và kỹ thuật relay được ứng dụng trong mạng vô tuyến

Vì vậy, điều quan trọng trước khi nghiên cứu đến một hệ thống thông tin nàođó là phải hiểu rõ các đặc trưng của kênh truyền Mục 2.1 này sẽ đề cập đến những

khái niệm cơ bản về kênh truyện, phân loại và mô hình kênh truyền.Trong môi trường truyền sóng vô tuyên, tín hiệu bị tác động bởi các hiện

tượng sau:

- Hiện tượng đa đường: là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, khúc xạ của sóngđiện từ khi gặp phải các vật cản trên đường truyền Năng lượng tín hiệu sẽ bị phântán theo nhiều hướng Do đó tín hiệu đến máy thu là tập hợp của các sóng đến từnhiều hướng khác nhau với biên độ và pha khác nhau

Chương II: Lý thuyết tổng quan Trang 10

Building 2 = bd ——~== _~ m' time

ps} ——= = T3

Hình 2.1 Hiệu ứng đa đường trong kênh truyền vô tuyến- Hiện tượng Doppler: gây ra do sự thay đổi vị trí tương đối của các vật thétrên đường truyén, làm cho đặc tính của kênh truyền thay đổi theo thời gian Hiện

tượng này tác động lên tín hiệu trên những phạm vi nhỏ, trong khoảng thời gian

ngăn Do đó đây còn được gọi là fading phạm vi nhỏ hoặc fading nhanh.- Hiện tượng che khuất: xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bịche khuất bởi các vật thé với mật độ day và các vật thé nay có kích thước lớn so vớibước sóng Khác với hiện tượng Doppler, hiện tượng che khuất tác động lên tín hiệu

trên phạm vi lớn, trong khoảng thời gian dài nên còn được gọi fading phạm vi lớnhoặc fading chậm.

- Hiện tượng suy hao đường truyền: hiện tượng này giống như suy hao đườngtruyền trong không gian tự do Tuy nhiên, trong môi trường truyền sóng di độngthường không tôn tại đường truyền thăng (LOS), do đó công suất tín hiệu sẽ bị suyhao nhiều hơn so với trong không gian tự do là:

B.G,G,/

trong do:P;: là công suất phía phát (W), P,(d) là công suất thu được

G,: là độ lợi anten phat và G; là độ lợi anten thu.

d: là khoảng cách truyền (m).L: là hệ số suy hao (L > 1)

A: là khoảng cách bước sóng (m).2.1.2 Hiện tượng fading:

Do bị tác động bởi các vật thé trên đường truyén, tín hiệu trong môi trườngtruyền vô tuyến vừa bị suy hao vừa bị tán xạ năng lượng theo nhiều hướng Hiện

tượng này gọi là hiện tượng fading Có hai loại fading: fading phạm vi lớn và fadingphạm vi nhỏ.

- Fading phạm vi lớn: là hiện tượng công suất của tín hiệu bị suy giảm khi dichuyển trên một phạm vi lớn (gấp 10 — 30 lần bước sóng) Nguyên nhân là donhững ảnh hưởng của địa hình, những vật cản trên đường truyền sóng (đồi núi, nhàcửa ) Cường độ tín hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian quanh giá trịtrung bình Fading phạm vi lớn làm cho tín hiệu thay đối với tốc độ chậm nên còn

gọi là hiện tượng fading chậm.

- Fading phạm vi nhỏ: gây ra những biến đổi biên độ và pha của tín hiệu khicó sự thay đối vị trí tương đối trong phạm vi nhỏ (nửa bước sóng) giữa máy phát vamáy thu Sự thay doi của môi trường truyền sóng là nguyên nhân gây ra hiện tượngfading phạm vi nhỏ, và sự thay đổi này diễn ra liên tục trong những khoảng thờigian ngắn nên còn gọi là fading nhanh Trong trường hợp này, cường độ tín hiệu làbiến ngẫu nhiên có phân bố Rayleigh (khi không có đường truyền thắng giữa máyphát và máy thu) hoặc phân bố Rician (khi có đường truyền LOS giữa máy phát và

7 Short Term Fading

NV AY ⁄by

a a

AN Ị \ 4 \W Wake Ad

Mean Path Loss

Mi iy

Signal Level (dB) Long Term Fading —” Ay ANY Te Ì 4- > f\ Andie ¥ Vital

Ỳ

Distance (dB)

2.2 Cường độ tín hiệu trong môi trường fading

2.1.3 Sự trải trễ của tín hiệu:

- Xét trong miễn thời gian:

Trong môi trường di động, hiện tượng fading đa đường làm cho tín hiệu từ

máy phát đến máy thu với nhiều phiên bản có độ trễ khác nhau, thời gian trễ tổngcộng bị kéo dài ra Mối quan hệ giữa thời gian trễ cực đại T,, và chu ky ký hiệu T;sẽ gây ra một trong hai hiện tượng: fading chọn tần hoặc fading phăng

+ Fading chon tan: Một kênh truyền gây ra fading chọn tan nếu T„> T; Hiệntượng này sẽ làm các ký tự kế tiếp nhau tại máy thu chồng lên nhau, làm méo dạng

tín hiệu.

+ Fading phăng: Một kênh truyền gây ra fading phăng nếu T„< T, Trongtrường hợp này, độ trễ của các thành phần đa đường của một ký hiệu tại máy thuvan nam trong chu kỳ của ký hiệu đó, không gây chồng lan lên các ký hiệu lân cận

- _ Xét trong miễn tan số:Trong miền tần số, kênh truyền fading tác động lên tín hiệu theo phương diệntín hiệu ở những tần số khác nhau sẽ bị tác động khác nhau Băng thông kết hop fo

của kênh truyén là khoảng tan số mà kênh truyền tác động giống nhau lên tín hiệu.Ngoài khoảng tần số fo, kênh truyền sẽ tác động lên tín hiệu một cách độc lập

(không tương quan).

+ Fading chọn tan: Kênh truyền sẽ gây ra fading chọn tần nếu fo< 1/T, , với1/T, là tốc độ ký hiệu Fading chọn tan làm cho các thành phan tân số của tín hiệu bịtác động khác nhau khi đi qua kênh truyền Những tần số năm ngoài băng thông kếthợp sẽ bị tác động không tương quan so với những tần số năm trong băng thông kết

>.La

Frequency

Hinh 2.3 Kénh truyén fading chon tan+ Fading phang: Kênh truyền gây ra fading phang khi fo> 1/T, Khi đó, tat cảcác thành phan tan số của tin hiệu đều nằm trong băng thông kết hợp, và sẽ chịu tácđộng giống nhau khi qua kênh truyền

ứng tan sô kênh truyên năm trong băng thông của tín hiệu, như được minh họa ởhình 2.5.

Transmitted signalW

Spectral -< >

Density

“^¬¬._/*_ Channel

frequency-transferfunction

+ Fading nhanh: Kênh truyền là fading nhanh nếu To< T., trong đó To là thờigian kết hop, T, là chu kỳ ký hiệu phát Đối với kênh truyền fading nhanh, đặc tínhcủa kênh truyền sẽ thay đổi trong mỗi chu kỳ ký hiệu, gây méo dạng tín hiệu donhững thành phân tín hiệu thu không tương quan với nhau

+ Fading chậm: Kênh truyền là fading chậm nếu Tọ> T,, nghĩa là đặc tính củakênh truyền không thay đổi trong suốt chu kỳ ký hiệu Các thành phân tín hiệu thu

sẽ tương quan với nhau và không làm méo dạng tín hiệu thu.- Xét trong miên tân sô:

Trong miễn tần số, đặc tính thay đổi theo thời gian của kênh truyền biểu hiệndưới dạng hiện tượng dịch tan Doppler Tín hiệu với tan số f, khi qua kênh truyềnfading sẽ bị trải rộng trong khoảng [-fq + Í., fa + f.] với fg = V/A, V là vận tốc dichuyển và 2 là bước sóng tín hiệu Tan số lớn nhất fy + f„ xuathién khi máy phát vàmáy thu di chuyển về phía nhau, tan số nhỏ nhất -fạ + f, xuất hiện khi máy phát vàmáy thu di chuyến ra xa nhau.

Các loại fading được tóm tắt ở hình 2.6

Sự suy giảm giá trị Sự thay đổi Su mở rộng Sự thay đổi theotrung bình của tín hiệu về giá trị về thời gian thời gian của

theo khoảng cách trung bình của tín hiệu kênh truyền

| |

| | L—

Sự miêu tả ~ 2 | Sự miêu tả Sự miêu tả sa ớt Sự miêu tảÏ " Biển đối ‘ 3 ‘ of Biên doi "aktrong miễn |< >| trong miễn trong miền |<= >| trong miền dịch

bee = | Fourier = ar Fourier R jthời gian trê tan so thời gian tần Doppler

Tuong đồng

Fading chọn Fadin — à a Fadin Fadinlọc tan số phang nhanh chamrên? _ Xe=l— Tương đồng —-†-—— x ung

Fading chon Fading Fading Fading

lọc tần số phẳng nhanh chậm

Hình 2.6 Các loại fading

2.1.5 Kênh truyền Rayleigh, Ricean và Nakagami-mKhi tín hiệu tán xạ bị phản xạ và phân tán trên một bề mặt lớn như cao ốc, đôinúi, tín hiệu thu là sự kết hợp của nhiều sóng mang đến với biên độ, pha và gócngẫu nhiên Do băng thông của hệ thông hữu hạn, máy thu không thé xử lý nhiềunhóm tín hiệu đa đường đến cùng lúc Do đó, tổng quát chúng ta xem xét các nhómđa đường không thể giải quyết trên như là một sóng đa đường đơn Các nhà nghiêncứu đã nỗ lực mô tả đặc tính các tín hiệu đa đường thu được với những thí nghiệmđo lường và mô hình vật lý của kênh truyền Tổng quát chúng ta mô phỏng biên độtín hiệu thu được theo phân bố Rayleigh khi không có tín hiệu trực tiếp hoặc theo

Chương II: Lý thuyết tổng quan Trang l6

phân bố Ricean hoặc Nakagami-m khi có tín hiệu truyền trực tiếp, và pha phân bốthống nhất giữa 0 và 2x Mô hình toán học cho mỗi phân bố được mô tả như sau :

a) Phân bố Rayleigh:Trong kênh truyền vô tuyến, phân bố Rayleigh thường được sử dụng dé mô tabản chất thay đối theo thời gian của đường tín hiệu fading phăng thu được hoặcđường bao của một thành phân đa đường riêng lẻ Đường bao của 2 tín hiệu nhiễuGaussain trực giao tuân theo phân bố Rayleigh với mật độ xác suất

Hàm mật độ phân bô xác suât của phân bô Ricean

r rˆ+A2 am —=-=p(r) = 452 XP ——2g2—- ln (=) volAS0r20 (2.4)

0 với r< 0

Trong đó, A là biên độ của thành phan LOS, lọ là Hàm Bessel sửa đôi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi số k, được định nghĩa như là tỷ SỐ giữa côngsuất tín hiệu xác định (thành phan LOS) và công suất các thành phan đa đường:

c) Phân bố Nakagami-m=» Mot phân bố biên độ khác rất pho biến, đặc biệt được áp dụng trong việc đánhgiá các kết quả thử nghiệm là phân bố Nakagami-m Hàm mật độ phân bố của phânbố Nakagami-m như sau:

TŒn) là hàm gama:

TŒm) = | tm~1e~tdt, m> 0

0

TŒm) = (m — 1)! là số nguyên, m > 0Khác với phân bố Rayleigh, phân bố Nakagami-m có hai thông số m và Q Điềunày làm cho phân bố Nakagami-m có tính linh động và chính xác hơn trong môhình thống kê tín hiệu Phân bố Nakagami-m có thé được sử dụng để mô hình cácđiều kiện kênh truyền fading nhiều hoặc ít gay gắt hơn phân bố Rayleigh Phân bốRayleigh là một trường hợp đặc biệt của phân bố Nakagami-m (m=1)

Phân bô Nakagami-m và phân bô Ricean có sự giông nhau và có thê chuyên đôilân nhau đôi với các giá trim > 1:

_ (K+1)/— 2K+1

Hình 2.8 Ham mật đồ phân bố Nakagami-m

2.2 Khái niệm cơ bản về lý thuyết thông tin vô tuyếnMột kênh thông tin vô tuyến được tạo ra từ một tập hợp các hàm độc lập xảy ra cóđiều kiện có mối liên hệ giữa tín hiệu đầu vao va dau ra của kênh truyền Thông sốquan trọng nhất của kênh truyền vô tuyến là dung lượng kênh truyền (C) Dunglượng kênh truyén là sự thông tin lẫn nhau giữa tín hiệu đầu vào và dau ra trên tat cảcác phân bố tín hiệu đầu vào của kênh truyền:

p(x y)p(x)p(y)Đặc tinh co bản của kênh truyền là giới han kênh truyền được thé hiện qua một vai

C= maxt(X; Y)} = max {|| p(x, y)log, ———— dxd vì (2.6)

thông số, trong đó dung lượng kênh truyền C là thông số quan trọng nhất Dunglượng kênh truyền C là giới hạn trên của tốc độ thông tin

Xét kênh truyền một chiều có nhiễu trắng phân bố Gaussian (AWGN) Trong kênhtruyền AWGN, tín hiệu đầu ra Y có mối liên hệ với tín hiệu đầu vào kênh truyền

theo biéu thức:

Y=X+N, (2.7)

Trong đó N là nhiễu Gaussian phân bố đều N ~ N(0,1) có variance N,/2, X là tínhiệu đầu vào kênh truyền có công suất trung bình Es Khi đó dung lượng kênhtruyền C (bit/s/Hz) trong trường hợp 2 chiều được cho bởi biểu thức sau:

C {I(X; Y)} | (= + 1) | (= + 1) (2.8)= maxil(X; = 5l0 — 7510 ,p&) 2 P82 NG 2 052 NO

Trong đó Ey là năng lượng thông tin trên bịt.

2.3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng kênh truyền2.3.1 Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR)

Tý lệ tín hiệu trên nhiễu (thường được viết tat SNR hoặc S/N) là một biệnpháp được sử dụng trong khoa học và kỹ thuật để so sánh mức độ tín hiệu mong

muon với mức nhiêu nền.

Chương II: Lý thuyết tổng quan Trang 20

Ty sô tín hiệu trên nhiêu được định nghĩa là ty sô công suat giữa tín hiệu (tínhiệu mong muôn) và nhiều nền (tín hiệu không mong muôn) và được tính theo côngthức sau:

Pun hiệu

SNR = Pnhi éu ( ), 2.9

2.3.2 Xác suất outage (Pout)

Một đặc điểm tiêu chuẩn khác của hệ thống phân tập hoạt động trên các kênhpha đỉnh là xác suất outage ký hiệu Pou và được định nghĩa là xác suất lỗi tức thờivượt quá một giá trị xác định hay tương đương, xác suất đó là đầu ra SNR, v„ vanăm dưới ngưỡng đảm bảo y¿„ Công thức được tính như sau [28]:

tính toán PDF của nó.

2.3.3 Tỷ lệ lỗi bit (BER)Ty lệ lỗi bit (BER) là tỷ số của số lượng bit lỗi trên số bit đúng BER là mộtđơn vị đo chất lượng quan trọng của kênh thông tin vô tuyến số BER phụ thuộc vàocông suất nhiễu và công suất tín hiệu (tỷ số tín hiệu trên nhiễu) Yêu cầu về BER

cũng khác nhau với các dịch vụ và hệ thông khác nhau.2.4 Kỹ thuật phân tập

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng dé hạn chế ảnhhưởng của fading Trong hệ thống thông tin vô tuyến, kỹ thuật phân tập được sửdụng dé hạn chế ảnh hưởng của fading đa đường, tăng độ tin cây của việc truyền tinmà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông

- Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số: tín hiệu băng hẹpgiống nhau sẽ được truyền trên các tần số sóng mang khác nhau Các tần số canđược phân chia để đảm bảo không bị nhiễu và bị ảnh hưởng fading một cách độc

lập, không bị tương quan nhau).

Chương II: Lý thuyết tổng quan Trang 22

¬>Signal to be Nid

- Phân tập không gian hay còn gọi là phân tập anten: kỹ thuật phân tập anten

hiện đang rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khaithác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệthống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số -một yếu tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khanhiếm Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver) thu được nhiều bản sao củacùng một tín hiệu truyền Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhaunhưng ít có sự tương quan về fading Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý

của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơnso với tứng phiên bản riêng lẻ.

Hình 2.11 Phân tap theo không gian

Các phương pháp kết hợp thường gặp: Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa chọn(Scanning and Selection Combiners: SC) quét và lựa chọn nhánh có tỷ số CNR tốt

nhất; bộ tô hợp với cùng độ lợi (Equal-Gain Combiners: EGC); Bộ tổ hợp với ty sốtối đa (Maximal Ratio Combiners: MRC) tổ hợp tat cả các nhánh, với hệ số a, tỷ

thuật với hiệu dụng của tín hiệu và ty lệ nghịch với bình phương trung bình cua

nhiều tại nhánh thứ k.Trong luận văn này sử dụng phương pháp bộ tổ hợp ty số tối đa (MRC) tại nútđích D khi nhận các tín hiệu từ nút nguồn S và các nút relay

2.5 Mạng vô tuyến nhận thức2.5.1 Giới thiệu về mạng vô tuyến nhận thức

Việc gia tăng chất lượng dịch vụ và dung lượng kênh trong mạng vô tuyến bịgiới hạn rất nhiều về năng lượng và băng thông - hai yếu tố cơ bản của thông tin vôtuyến Do đó hiện tại nhiều nhà nghiên cứu tập trung nghiên cứu vào hệ thống thôngtin mới mà nó có khả năng sử dụng hiệu quả hai nguồn tài nguyên trên Vô tuyếnnhận thức là một yếu t6 kỹ thuật được quan tâm cho phép hệ thống mạng vô tuyếntrong tương lai có thé sử dụng nguồn tài nguyên hữu hạn đó một cách hiệu quả vàlinh động Khác với hệ thống vô tuyến truyén thống, thiết bị thu phát trong mang vôtuyến nhận thức có thé thay đổi các thông số hoạt động như công suất phát, tan số,kiêu điều chế, với các biến đối môi trường vô tuyến xung quanh Trước khi mangvô tuyến nhận thức điều chỉnh chế độ hoạt động phù hợp với các biến đối môitrường xung quanh, chúng phải thu thập các thông tin cần thiết từ môi trường vôtuyến xung quang Đặc tính này được biết như là khả năng nhận thức của mạng vôtuyến nhận thức Chức năng nhận thức cho phép thiết bị thu phát vô tuyến nhậnthức có khả năng biết được dạng sóng phát, phố tần số vô tuyến, loại mạng vôtuyến, thông tin địa lý, vi trí của các nguồn tài nguyên và các dịch vụ Sau khi thiếtbị vô tuyến nhận thức tập hợp được thông tin cần thiết từ môi trường vô tuyến xungquanh, chúng có thể thay đổi các thông số truyền dẫn một cách linh hoạt tương ứngvới sự bién đổi môi trường đã được cảm nhận được và đưa ra giải phát đạt hiệu suấttối ưu Đặc tính này của mang vo tuyến nhận thức được gọi là chức năng tự cầuhình lại thông số thiết bị

Chương II: Lý thuyết tổng quan Trang 24

(-operating pone of environment

- (Cam biến và phân tích phé tan;- Quan lý và handoff phố tân;- _ Sử dụng và chia sẻ pho tan.Thông qua cảm biến và chia sẻ phô tần, CR có thé phát hiện khoảng trăng phốtần (như hình 1.1) và sử dụng phô tần trong mà PU không sử dụng Mặt khác khiPU sử dụng lại phố tan được cấp phép thi CR sẽ giải phóng pho tan thông qua chứcnăng cảm biến vì thế không có nhiễu có hại được tạo ra từ đường truyền SU

Sau khi chức năng cảm biến phố tan phát hiện ra khoảng trăng pho tan thìchức năng quản lý pho tan va handoff của mang CR cho phép các SU chọn lựa băngtần tốt nhất và bước nhảy đa băng tần tương ứng với các đặc tính của kênh để đặtđược yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS)

Trong truy cập phố động, một SU có thể chia sẻ nguồn phổ tần với các PU,hoặc các SU khác hoặc cả PU và SU khác Kỹ thuật chia sẻ và cho phép pho tan tốt

là yếu tố để đặt được hiệu quả sử dụng phố tần cao Các SU có thể hoạt động cùngbăng tần với PU đang hoạt động nhưng nhiễu do việc sử dụng phổ tần của SU tạo ra

phải bị giới hạn ở một ngưỡng cho phép

FCC đã đưa ra chuẩn IEEE 802.22 dành cho mạng WRAN (Wireless regional areanetwork) sử dụng khoảng trắng trong khoảng băng tần truyền hình Việc phát triểntiêu chuẩn IEEE 802.22 được thực thi bởi kỹ thuật CR dé cho phép chia sẻ phố tần

Lá^

SO.IEEE 802.22 là tiêu chuẩn được thiết kế dé tổ chức, quản lý trong băng tần quảng bátruyền hình, không tạo ra can nhiễu xung quanh các hệ thống truyền hình nhưtruyền hình số, truyền hình quảng bá tương tự và thiết bị dùng công suất thấp như

máy thu âm không dây.

IEEE 802.22.1 là một tiêu chuẩn đang được phát triển dé nâng cao bảo vệ can nhiễucho các thiết bị hoạt động có hợp pháp nhưng có công suất thấp được tổ chức trongbăng tần quảng bá truyền hình cáp

IEEE 802.22.2 đang được xem xét thực tế dé cho phép thiết lập và thực thi hệ thôngchuẩn IEEE 802.22 IEEE 802.22 WG là một nhóm nhỏ của chuẩn IEEE 802.22LAN/MAN, đây tiêu chuẩn chính của tiêu chuẩn 802.22

2.5.2 Kiến trúc hệ thống mạng vô tuyến nhận thức

Chương II: Lý thuyết tổng quan Trang 26

Secondary network (with infrastructure)

„# Secondary Là - So ‘A h ⁄ `

user N E Da Secondary ` : v `“ ` ° / ` S ‘

` sx rộ user +; “Secondary

‘ £ ÄÑ x.-ý ts

đ x4 ‘os 1 ise ; 1* Z : H lấy 3 Li " ì + ' M te >

' se - ‘i: @ - prove ‘‘ # ee Fe “ ret ; - -' re 4 “ rs

° L Ye, rs = 4 h° \ *%

* ‘ 4 ,

.: ,

Seoandary \ :\ base station

` : ` , H `

` “` : ẰN Spans i : `

` po TS Sas * base station -* : $ 7Se aeTM od Xec ENO : `„ “' Secondary network

ao bxöker : (without infrastructure)

FPR See eee REE EERE REET 99999999991 LAL

; ‘ : / Primary ¬ : , `,

Primary ` ¡ : base station + ; “ N

j base station: ? / Vil ‘aa £

Primary =“ def tệ is! % '

- Tram gốc primary (primary base station): là một thành phần co bản của mangprimary, có quyên truy cập và hoạt động trên dãy băng tan đã được cấp phép Trong

mạng tế bào thì trạm gốc primary chính là BTS, nó có chức năng quản lý và thiếtlập kết nói với PU.

e Mạng vô tuyến nhận thức (CR - Cognitive Radio Network): không được capgiấy phép truy cập và hoạt động trong dãy tan mong muốn Do đó, việc truy cậptrong dãy tần số chỉ được thực hiện một cách tìm kiếm cơ hội và phải được sự chophép của mạng primay (đã được cấp phép hoạt động trên dãy tần đó), đồng thời khihoạt động mạng CR đảm bảo không gây nhiễu cho các user của mạng primary.Thành phan của mang vô tuyến nhận thức bao gồm các thành phan chính sau:

- CR User (SU- cognitive radio user): Các CR user hoạt động phải tuân theo các

điều kiện của mang primary Do đó việc truy cập pho tan va hoat động chỉ đượcphép khi có cơ hội Chức năng của CR user bao gồm cảm biến phổ (spectrumsensing), quyết định pho tan (spectrum decision), ban giao phố (spectrum handoff)và các giao thức MAC/ định tuyến / van chuyển của mang vô tuyến nhận thức CRuser được giả định có khả năng kết nỗi với không chỉ trạm cơ sở mà cả các userkhác Như hình 2.12 các CR user có thé giao kết nối với nhau và kết nỗi với cáctrạm gốc Như vậy, trong kiến trúc mạng CR có 3 loại truy cập khác nhau của các

CR user.

Chương II: Ly thuyết tong quan Trang 28

Hình 2.14 Hệ thống truy cập= Truy cập mạng vô tuyến nhận thức: CR user có thé truy cập vào các tramCR gốc trong cả miền phô tần đã đăng ký hoặc chưa đăng ký Vi tất cả những tươngtác xảy ra bên trong mạng CR nên những truy cập trung gian trong hệ thông của độc

lập với mạng chính.m Truy cập nhận thức Ad_Hoc (Cognitive Radio Ad_Hoc Access): CR user có

thé liên lạc với các CR user khác thông qua kết nối ad_hoc trong cả miễn phô tan đãđăng ký và chưa đăng ký sử dụng Ngoài ra các CR user cũng có thể sử dụng các kỹ

thuật truy cập của riêng nó.

= Truy cập mạng chính (Primary Network Access): Các CR user có thé truycập vào trạm gốc của mạng primary thông qua băng tần đã đăng ký nếu được mạngprimary cho phép Không giống như các dạng truy cập khác, các user CR phải hỗtrợ một kỹ thuật truy cập không gian của mạng chính Hơn nữa, trạm gốc của mạngprimary cũng phải được hé trợ các tinh năng của mang CR

- Tram sốc mạng CR (Cognitive Radio Base Station): là một thành phan co so hatang cô định với kha năng nhận thức vô tuyến Trạm sốc mạng CR hỗ trợ kết nối