Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Phân tích mạng Relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Luận văn phân tích hiệu quả của mạng relay nhận thức nền qua xác suất lỗi bit và xác suất công suất phát của các user vượt quá ngưỡng cho phép.. TÓM TẮT LUẬN VĂN Mạ

GIỚI THIỆU

Lý do chọn đề tài

Tần số vô tuyến là nguồn tài nguyên hữu hạn do đó mỗi tổ chức muốn sử dụng tài nguyên vô tuyến nhằm mục đích gì đều phải đƣợc cấp phép của quốc gia đó

Ngày nay, với việc phát triển bùng nổ về khoa học kỹ thuật nói chung và lĩnh vực thông tin vô tuyến nói riêng, nhu cầu tài nguyên tần số vô tuyến ngày càng gia tăng

Tuy nhiên, do nhu cầu cao, việc cấp phép sử dụng băng tần cho người dùng đã được cấp phép (licensed user) hoặc người dùng chính (primary user) trở nên rất cạnh tranh Ngược lại, hiệu suất sử dụng băng tần được cấp phép cho các nhà cung cấp dịch vụ (FM, AM, TV, Viba, Wimax) lại không cao Theo Liên bang Truyền thông Hoa Kỳ (FCC), hiệu quả sử dụng băng tần hiện nay chỉ đạt khoảng 15 - 85% Vì vậy, mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) đã ra đời để khắc phục tình trạng này và tận dụng hiệu quả tài nguyên băng tần vô tuyến.

Hình 1.1: Phổ tần số đƣợc sử dụng và khoảng trắng

Chương 1: Giới thiệu 2 HVTH: Trần Quốc Thái Định nghĩa của FCC về mạng vô tuyến nhận thức: CR là mạng thông tin vô tuyến, nó có khả năng thay đổi các thông số dựa trên sự tương tác với môi trường mà nó đang hoạt động

Khái niệm vô tuyến nhận thức lần đầu tiên đƣợc đƣa ra bởi Joseph Mitola III tại hội nghị KTH (the Royal Institute of Technology in Stockholm) năm 1998 và bài báo được công bố vào năm 1999 Ý tưởng về mạng vô tuyến nhận thức như sau: ban đầu chỉ có một mạng chính (Primary networks) đƣợc cấp phép sử dụng trên một dãy băng tần nhƣng không phải lúc nào băng tần đó cũng đƣợc sử dụng Nhƣ vậy, tại thời điểm khoảng băng tần này trống thì nó cho phép user thứ hai (CR user) của mạng CR sử dụng Đây là một kỹ thuật mới nhằm nâng cao hiệu quả việc sử dụng băng tần Đặc tính quan trọng của mạng CR là khả năng phát hiện khoảng băng tần đang đƣợc sử dụng [11] Đây chính là vấn đề quan trọng không chỉ ngăn chặn sự ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống hiện hữu mà còn có khả năng tìm băng tần trống để sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến trong thông tin liên lạc

Mạng vô tuyến nhận thức có ba kỹ thuật truy cập phổ: underlay, overlay và interweave Trong thuật truy cập phổ underlay, các CR user sẽ sử dụng đồng thời cùng băng tần với primary user (PU) Tuy nhiên, kỹ thuật truy cập phổ underlay bắt buộc công suất phát của các user mạng CR phải thấp nhằm không gây nhiễu cho PU vƣợt quá mức ngƣỡng cho phép [6]

Nhƣ vậy: ƣu điểm nổi bật của mạng vô tuyến nhận thức nền (underlay) chính là khả năng sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tần số vô tuyến Tuy nhiên, hạn chế của mạng vô tuyến nhận thức nền chính là sự giới hạn công suất phát của các user, do đó vùng phủ sóng của mạng CR sẽ bị hạn chế Để khắc phục vấn đề này, ta sẽ kết hợp kỹ thuật relay vào mạng vô tuyến nhận thức

Relay có chức năng giải mã và chuyển 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 chuyển tín hiệu đến đích

Chương 1: Giới thiệu 3 HVTH: Trần Quốc Thái Mô hình relay có 2 loại: đa hop (multihop) và hợp tác (cooperative) Phương pháp xử lý tín hiệu tại relay gồm có hai phương pháp: mã hóa và chuyển tiếp (DF) và khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

Hình 1.2: Sơ đồ mạng relay vô tuyến nhận thức

Từ những ƣu điểm và khuyết điểm của mạng vô tuyến nhận thức nền và kỹ thuật relay, ta có thể ứng dụng kỹ thuật relay vào mạng CR trên nhằm cải thiện vùng phủ sóng, nâng cao chất lượng tín hiệu, đồng thời giảm bớt sự ảnh hưởng của mạng vô tuyến nhận thức nền đến PU

Các nghiên cứu gần đây đã đưa ra các kỹ thuật và phương pháp phát hiện phổ tần trống của mạng vô tuyến nhận thức [8], [12] Phân tích mô hình, phương pháp chọn lựa relay và ảnh hưởng của relay đến chất lượng mạng thông tin vô tuyến đã được trình bày trong [2], [15], [24], [28] Tài liệu [1], [4] đã trình bày phương pháp ước lượng kênh truyền ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mạng Ngoài ra, trong [3] tác giả đã phân tích hiệu quả của mạng vô tuyến nhận thức với thông tin kênh truyền đầy đủ Trong [6],[13] tác giả đã phân tích xác suất mất mát, dung lƣợng và đề xuất các giải pháp cải thiện dung lƣợng của mạng relay vô tuyến nhận thức nền với thông tin kênh truyền đầy đủ Trong [6],[7] tác giả phân tích xác suất CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng cho phép của mạng relay vô tuyến nhận thức

Tuy nhiên trong thực tế, thông tin kênh truyền cần phải đƣợc ƣớc lƣợng và hầu hết các giải thuật ƣớc lƣợng kênh truyền đều tạo ra sai số, dẫn đến thông tin kênh

Chương 1: Giới thiệu 4 HVTH: Trần Quốc Thái truyền không đầy đủ ở phía thu Do đó, việc đánh giá hiệu quả mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ rất cần thiết.

Mục đích nghiên cứu

Luận văn này sẽ phân tích hiệu quả mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ, nhằm làm rõ ƣu điểm và khuyết điểm của sự kết hợp kỹ thuật relay và mạng vô tuyến nhận thức nền Phân tích ảnh hưởng của các thông số mạng đối với chất lượng mạng và xác suất CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá mức ngƣỡng cho phép Đƣa ra các khuyến cáo về giới hạn chất lƣợng của mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền Từ kết quả phân tích, đề xuất các giải pháp lựa chọn các thông số hệ thống cho phù hợp nhằm cải thiện chất lƣợng mạng và giảm xác suất CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá mức ngƣỡng cho phép.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tƣợng nghiên cứu chính là mạng vô tuyến nhận thức nền kết hợp với kỹ thuật relay

- Kỹ thuật truy cập phổ: underlay

- Phương pháp xử lý tín hiệu tại relay: giải mã và chuyển tiếp (DF)

- Mô hình kênh truyền dùng để đánh giá: kênh truyền Rayleigh với thông tin kênh truyền không đầy đủ

- Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thông số mạng đối với chất lượng mạng và xác suất các user mạng CR gây nhiễu cho PU vƣợt ngƣỡng cho phép Đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện chất lƣợng lƣợng và giảm xuất suất CR user gây nhiễu vƣợt quá mức ngƣỡng cho phép

- Kỹ thuật Relay: giải mã và chuyển tiếp (DF) với mô hình multihop.

Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu, bài báo kỹ thuật liên quan đến mạng vô tuyến nhận thức, kỹ thuật relay, kênh truyền vô tuyến, các thước đo đánh giá hiệu quả hệ thống

Chương 1: Giới thiệu 5 HVTH: Trần Quốc Thái - Nghiên cứu các mô hình thông tin kênh truyền không đầy đủ và phương pháp ƣớc lƣợng kênh truyền

- Phân tích và mô phỏng mạng relay nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ để đánh giá chất lƣợng mạng theo nhiều thông số khác nhau

- Nhận xét các kết quả nhằm đƣa ra các khuyến nghị và giải pháp cải thiện chất lƣợng hệ thống mạng

- Kết quả phân tích sẽ đƣợc kiểm chứng với kết quả mô phỏng lý thuyết.

Kết quả và đóng góp của luận văn

- Luận văn đã phân tích và đánh giá mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ Đƣa ra đƣợc biểu thức tính tỷ lệ lỗi bit (BER) của mạng CR và xác suất CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng cho phép

- Dựa vào kết quả phân tích, luận văn đã đƣa ra đƣợc kết quả mô phỏng, phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng mạng Kết quả, tỷ lệ lỗi bit BER phụ thuộc rất lớn vào các thông số của mạng nhƣ: mức ngƣỡng CR user đƣợc phép gây nhiễu cho PU, công suất CR user đƣợc phép phát tối đa, mô hình và phương pháp ước lượng kênh truyền, vị trí và số lượng relay, số lƣợng pilot symbol, hệ số suy hao trong không gian Từ kết quả phân tích, luận văn đã đƣa ra các khuyến nghị và giải pháp cải thiện chất lƣợng hệ thống mạng

- Ngoài ra, luận văn cũng phân tích xác suất gây nhiễu vƣợt quá ngƣỡng cho phép Xác suất CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng cho phép là rất lớn nên cần có giải pháp để giảm xác suất gây nhiễu vƣợt quá ngƣỡng Luận văn đề xuất giải pháp giảm xác suất gây nhiễu vƣợt mức ngƣỡng cho phép thông qua hệ số điều khiển công suất back-off

 Kết quả đóng góp: Tác giả đã phân tích và xác định biểu thức tính xác suất các CR user gây nhiễu cho PU vƣợt mức ngƣỡng cho phép Qua kết quả phân

Chương 1: Giới thiệu 6 HVTH: Trần Quốc Thái tích tác giả đề xuất giải pháp giảm công suất phát của CR user nhằm giảm xác suất gây nhiễu vƣợt ngƣỡng cho phép thông qua hệ số điều khiển công suất back-off ρ và phân tích ảnh hưởng của ρ đối với chất lượng mạng.

Bố cục của luận văn

Bố cục luận văn gồm có bảy chương:

 Chương 2: Tổng quan mạng vô tuyến nhận thức và kỹ thuật relay Chương này giới thiệu về mạng vô tuyến nhận thức và kỹ thuật relay

 Chương 3: Lý thuyết thông tin vô tuyến Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về thông tin vô tuyến như: kênh truyền vô tuyến, phương pháp ước lƣợng kênh truyền, lý thuyết điều chế và giải điều chế số

 Chương 4: Phân tích chất lượng mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền Chương này phân tích và xây dựng biểu thức tính tỷ lệ lỗi bit BER của mạng CR

 Chương 5: Xác suất mạng relay vô tuyến nhận thức nền gây nhiễu vượt ngưỡng cho phép Chương này phân tích và xây dựng biểu thức tính xác suất các CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng cho phép Từ kết quả phân tích, chương này trình bày giải pháp nhằm giảm xác suất gây nhiễu vượt quá mức ngƣỡng cho phép

 Chương 6: Kết quả mô phỏng Chương này trình bày các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu quả của mạng relay vô tuyến nhận thức nền Đƣa ra các khuyến nghị và giải pháp nhằm cải thiện chất lƣợng mạng và giảm xác suất gây nhiễu vƣợt quá ngƣỡng cho phép

 Chương 7: Kết luận và hướng phát triển.

TỔNG QUAN MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VÀ KỸ THUẬT

Mạng vô tuyến nhận thức

Nguồn tài nguyên tần số vô tuyến là hữu hạn nên việc sử dụng hiệu quả băng tần là một yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến Hầu hết các ứng dụng không dây sử dụng tần số đều đƣợc cấp phép bởi tổ chức có thẩm quyền của quốc gia đó Với yêu cầu ngày càng cao về thông tin liên lạc bằng vô tuyến thì sẽ không đủ băng tần trống để cấp phép Các nghiên cứu, khảo sát đã chỉ ra rằng đa số phổ tần được cấp phép trước đó hầu như không được sử dụng thường xuyên và hiệu quả

Hình 2.1: Các khoảng trống của phổ

Bảng 2.1: Hiệu suất sử dụng băng tần

Chương 2: Mạng CR và kỹ thuật relay 8 HVTH: Trần Quốc Thái Theo bảng 2.1 hiệu suất sử dụng dãy băng tần cao nhất là dãy băng tần [0÷1] GHz đạt khoảng 54.4% Khoảng tần số không đƣợc sử dụng đƣợc gọi là khoảng trắng (white space hay spectrum hole)

Mạng CR là một hệ thống liên lạc không dây thông minh, quan tâm đến môi trường xung quanh, nghiên cứu môi trường và thích nghi với những trạng thái trong môi trường đó để có những thay đổi một cách thống kê đối với tín hiệu kích thích RF

(radio frequency) đến bằng việc tạo ra những thay đổi tương ứng đối với các phương pháp vận hành một cách chắc chắn trong thời gian thực Hai mục tiêu đầu tiên là: cung cấp những hệ thống liên lạc tin cậy bất cứ lúc nào cần thiết và sử dụng phổ vô tuyến hiệu quả Các user của mạng CR đƣợc xem nhƣ là những vị khách viếng thăm băng tần đã đƣợc cấp giấy phép Điều này cần các nhà quản lý phổ hiệu quả đối với kênh truyền rỗi đang bị chiếm giữ mà không gây can nhiễu với các user của mạng chính (primary) và trả lại kênh truyền này khi hoạt động của PU đƣợc tìm thấy Để thực hiện công việc này tuỳ thuộc vào khả năng nhận thức môi trường xung quanh của chúng Đặc tính quan trọng của CR là khả năng phát hiện khoảng băng tần đang đƣợc sử dụng [11] Đây chính là vấn đề quan trọng không chỉ ngăn chặn sự ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống hiện hữu mà còn có khả năng tìm băng tần trống để sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến trong thông tin liên lạc Nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng việc cùng hợp tác giữa các user cảm nhận phổ sẽ tăng xác suất tách phổ qua việc trao đổi tổng hợp thông tin về việc tách sự có mặt hay vắng mặt phổ tần số mong muốn [12]

FCC đã đƣa ra chuẩn IEEE 802.22 dành cho mạng WRAN (Wireless regional area network) sử dụng khoảng trắng trong khoảng băng tần truyền hình Việc phát triển tiêu chuẩn IEEE 802.22 đƣợc thực thi bởi kỹ thuật CR để cho phép chia sẻ phổ tần số

IEEE 802.22 là tiêu chuẩn đƣợc thiết kế để tổ chức, quản lý trong băng tần quảng bá truyền hình, không tạo ra can nhiễu xung quanh các hệ thống truyền hình nhƣ

Chương 2: Mạng CR và kỹ thuật relay 9 HVTH: Trần Quốc Thái truyền 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 tiêu chuẩn đang được phát triển với mục đích nâng cao khả năng chống nhiễu cho các thiết bị có công suất thấp và được sử dụng hợp pháp trong băng tần dành riêng cho truyền hình cáp.

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

2.1.2 Kiến trúc hệ thống mạng vô tuyến nhận thức

Hình 2.2: Kiến trúc hạ tầng cơ sở của mạng vô tuyến nhận thức

Các thành phần kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức đƣợc trình bày nhƣ hình 2.2

Nhƣ vậy trong cùng một dãy băng tần sẽ có hai mạng vô tuyến hoạt động đồng thời: mạng vô tuyến thứ 1 gọi là mạng chính (primary) và mạng thứ 2 gọi là mạng vô tuyến nhận thức (CR), hoạt động của mạng CR dựa trên điều kiện cho phép của mạng primary

Chương 2: Mạng CR và kỹ thuật relay 10 HVTH: Trần Quốc Thái

 Mạng primary: mạng đã tồn tại sẵn và đã đƣợc quyền truy cập và sử dụng dãy băng tần riêng Các thành phần cơ bản của mạng primary bao gồm:

- Primary user (PU): có quyền truy cập và hoạt động trên dãy băng tần đƣợc cấp phép, PU đƣợc điều khiển bởi trạm gốc và không bị tác động bởi các nhà khai thác mạng khác khi hoạt động trên băng tần đó

Trạm gốc chính (primary base station) là thành phần thiết yếu của mạng chính (primary network), được cấp quyền truy cập và hoạt động trong băng tần đã được cấp phép Trong mạng di động, trạm gốc chính chính là BTS, có nhiệm vụ quản lý và thiết lập kết nối với các thiết bị đầu cuối (PU).

Mạng vô tuyến nhận thức (CR) là hệ thống mạng không có giấy phép truy cập và hoạt động trên các dải tần đã được cấp phép Truy cập các dải tần này chỉ có thể thực hiện sau khi tìm kiếm cơ hội và phải được sự cho phép của mạng chính có giấy phép hoạt động trên dải tần đó Mạng CR phải đảm bảo không gây nhiễu cho người dùng của mạng chính trong quá trình hoạt động.

Thành phần của mạng vô tuyến nhận thức bao gồm các thành phần chính sau:

- CR User (SU- cognitive radio user): Các CR user hoạt động phải tuân theo các điều kiện của mạng primary Do đó việc truy cập phổ tần và hoạt động chỉ đƣợc phép khi có cơ hội Chức năng của CR user bao gồm cảm biến phổ (spectrum sensing), quyết định phổ tần (spectrum decision), bàn giao phổ (spectrum handoff) và các giao thức MAC/ định tuyến / vận chuyển của mạng vô tuyến nhận thức CR user đƣợc giả định có khả năng kết nối với không chỉ trạm cơ sở mà cả các user khác Nhƣ hình 2.2 các CR user có thể giao kết nối với nhau và kết nối với các trạm gốc Nhƣ vậy, trong kiến trúc mạng CR có 3 loại truy cập khác nhau của các CR user

Kỹ thuật relay

Relay có chức năng giải mã và chuyển tiếp (hoặc khuếch đại và chuyển tiếp) thông tin nhận đƣợc từ phía phát Ngoài ra, relay còn có chức năng xử lý tín hiệu thu được trước khi chuyển đến đích Như vậy, khi sử dụng kỹ thuật relay vào trong mạng vô tuyến sẽ cải thiện đƣợc vùng phủ sóng của mạng, cải thiện chất lƣợng của tín hiệu, có thể tăng tốc độ truyền tín hiệu

Hình 2.9: Mô hình relay trong mạng tế bào

2.2.2 Mô hình và phân loại relay

Mô hình kỹ thuật relay thường có 2 loại: mô hình đa hop (multihop) và mô hình hợp tác (cooperative)

Hình 2.10: Mô hình relay đa hop

Chương 2: Mạng CR và kỹ thuật relay 18 HVTH: Trần Quốc Thái

Hình 2.11: Mô hình relay hợp tác

Có hai phương pháp xử lý tín hiệu tại Relay: giải mã và chuyển tiếp (DF) và khếch đại và chuyển tiếp (AF)

 Relay khuếch đại và chuyển tiếp (AF): tín hiệu nhận đƣợc tại relay sẽ đƣợc khuếch đại và sau đó truyền tín hiệu đến đích Relay chỉ khuếch đại tín hiệu cần truyền mà không cần mã hóa và giải mã tín hiệu

 Relay giải mã và chuyển tiếp (DF): đầu tiên relay sẽ giải mã tín hiệu nhận và sau đó mã hóa tín hiệu trước khi truyền đi

Relay có thể hoạt động ở chế độ half-duplex (relay không truyền và nhận đồng thời trong cùng một băng tần) hoặc trong chế độ full-duplex (relay truyền và nhận đồng thời trong cùng một băng tần) Kỹ thuật này yêu cầu một không gian tách biệt giữa tín hiệu truyền và nhận từ các anten nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu giữa tín hiệu anten truyền và tín hiệu anten nhận đƣợc Trong những năm gần đây, kỹ thuật relay đã đƣợc ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực thông tin vô tuyến nhằm nâng cao vùng phủ sóng, cải thiện dung lƣợng và chất lƣợng mạng

Nhƣ đã phân tích, ƣu điểm nổi bật của mạng vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật truy cập phổ underlay chính là khả năng sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tần số vô tuyến Tuy nhiên, hạn chế của mạng CR sử dụng kỹ thuật underlay chính là sự giới hạn công suất nên vùng phủ sóng sẽ bị hạn chế, tín hiệu không thể truyền đi xa

Chương 2: Mạng CR và kỹ thuật relay 19 HVTH: Trần Quốc Thái Để khắc phục vấn đề này, ta có thể kết hợp kỹ thuật relay vào mạng vô tuyến nhận thức nhằm cải thiện chất lƣợng mạng

Chương 3: Lý thuyết thông tin vô tuyến 20 HVTH: Trần Quốc Thái

LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÔ TUYẾN

Môi trường kênh truyền vô tuyến

Trong môi trường truyền sóng di động, tín hiệu bị tác động bởi các hiện tượng khác nhau Bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, tần số và không gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống Để hạn chế ảnh hưởng của kênh truyền và thiết kế hệ thống với các thông số tối ƣu, ta phải hiểu đƣợc các đặc tính của kênh truyền vô tuyến và mô hình hóa kênh truyền hợp lý

 Hiện tượng đa đường: là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, khúc xạ của sóng điện từ khi gặp phải các vật cản trên đường truyền Năng lượng tín hiệu sẽ bị phân tán theo nhiều hướng Do đó tín hiệu đến máy thu là tập hợp của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau, suy hao khác nhau với biên độ và pha khác nhau Sự xếp chồng các tín hiệu này ở máy thu tạo ra một tín hiệu phức tạp với biên độ và pha thay đổi rất nhiều so với tín hiệu ban đầu

 Hiện tượng doppler: gây ra do sự thay đổi vị trí tương đối của các vật thể trên đường truyền, 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 ngắn Do đó đây còn đƣợc gọi là fading phạm vi nhỏ hoặc fading nhanh

 Hiện tượng che khuất: xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che khuất bởi các vật thể với mật độ dày và các vật thể này có kích thước lớn so với

Chương 3: Lý thuyết thông tin vô tuyến 21 HVTH: Trần Quốc Thái bước 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 đƣợc gọi fading phạm vi lớn hoặc fading chậm

 Hiện tượng suy hao đường truyền: hiện tượng này giống như suy hao đường truyền trong không gian tự do Tuy nhiên, trong môi trường truyền sóng di động thường không tồn tại đường truyền thẳng (LOS), do đó công suất tín hiệu sẽ bị suy hao nhiều hơn so với trong không gian tự do Công suất tại phía thu trong không gian tự do là :

  (3.1) trong đó: Pt: là công suất phía phát (W), Pr(d) là công suất thu đƣợc

G t : là độ lợi anten phát và G r là độ lợi anten thu d: là khoảng cách truyền (m)

L: là hệ số suy hao (L ≥1)

𝝀: là khoảng cách bước sóng (m).

Kênh truyền vô tuyến

Trong thông tin vô tuyến, kênh truyền vô tuyến là một yếu tố luôn đƣợc xét đến Bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng to lớn đến hoạt động của hệ thống Để hạn chế ảnh hưởng kênh truyền và thiết kế thành công hệ thống thông tin với các thông số tối ƣu, ta phải nắm bắt đƣợc các đặc tính của kênh truyền vô tuyến cũng nhƣ mô hình hoá kênh truyền hợp lý Chúng ta sẽ cần có cái nhìn tổng quan về đặc tính kênh truyền đồng thời phân loại kênh truyền vô tuyến theo đặc tính của chúng Người ta xem xét các ảnh hưởng lên tín hiệu dựa trên mô hình fading diện rộng (large scale fading) và mô hình fading diện hẹp (small scale fading)

Chương 3: Lý thuyết thông tin vô tuyến 22 HVTH: Trần Quốc Thái Do bị tác động bởi các vật thể trên đường truyền, tín hiệu trong môi trường di động vừa bị suy hao vừa bị tán xạ năng lượng theo nhiều hướng Hiện tượng này gọi là hiện tƣợng fading Có hai loại fading: fading phạm vi lớn và fading phạm vi nhỏ

 Fading phạm vi lớn: là hiện tƣợng công suất của tín hiệu bị suy giảm khi di chuyển trên một phạm vi lớn (gấp 10 – 30 lần bước sóng) Nguyên nhân là do những ảnh hưởng của địa hình, những vật cản trên đường truyền sóng (đồi núi, nhà cửa…) Cường độ tín hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian quanh giá trị trung bình Fading phạm vi lớn làm cho tín hiệu thay đổi với tốc độ chậm nên còn gọi là hiện tƣợng fading chậm

Fading phạm vi nhỏ xảy ra khi sự thay đổi vị trí tương đối giữa máy phát và máy thu gây ra biến đổi biên độ và pha của tín hiệu Hiện tượng này xuất phát từ những thay đổi liên tục của môi trường truyền sóng và được gọi là fading nhanh Cường độ tín hiệu trong trường hợp này phụ thuộc vào phân bố xác suất: Rayleigh (khi không có liên kết thẳng) hoặc Rician (khi có liên kết LOS) Khi máy di động di chuyển trong phạm vi lớn hoặc thời gian dài, cả fading phạm vi lớn và fading phạm vi nhỏ đều tác động đồng thời đến tín hiệu.

Phổ tín hiệu có băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp kênh truyền và chu kỳ symbol lớn hơn trải trễ của kênh truyền Các đặc tính của phổ tín hiệu truyền đi đƣợc bảo toàn, mọi thành phần tần số khi truyền qua kênh sẽ chịu sự suy giảm và dịch tần gần như nhau nhưng cường độ tín hiệu thu lại thay đổi theo thời gian do ảnh hưởng hiện tượng đa đường Theo thời gian, tín hiệu thay đổi nhưng phổ tín hiệu không đổi Kênh truyền fading phẳng đƣợc xem nhƣ kênh truyền thay đổi biên độ và còn đƣợc gọi là kênh truyền băng hẹp

3.2.1.2 Fading chọn lọc tần số

Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh có đáp ứng tần số không đồng nhất trên dải tần, dẫn đến tín hiệu tại các tần số khác nhau bị suy hao và xoay pha khác nhau khi truyền qua Bản chất chọn lọc tần số phụ thuộc vào băng thông tín hiệu; nếu đáp ứng tần số đồng nhất trong toàn bộ băng thông, kênh được gọi là kênh không chọn lọc tần số (kênh phẳng), còn nếu đáp ứng tần số không đồng nhất, kênh được gọi là kênh chọn lọc tần số Do giới hạn vật lý, mọi kênh truyền vô tuyến đều có tính chọn lọc tần số ở một mức độ nào đó.

3.2.1.3 Kênh truyền fading biến đổi nhanh Đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi nhanh hơn chu kỳ symbol phát (thời gian kết hợp nhỏ hơn chu kỳ symbol), điều này gây ra sự phân tán tần số do hiện tượng doppler và méo tín hiệu Fading nhanh thường có tác động xấu đến các tham số tín hiệu, rõ nhất là dạng sóng tín hiệu, nó gây méo phổ, pha…và ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lƣợng hệ thống Trong thực tế fading nhanh chỉ xảy ra với đường truyền tốc độ dữ liệu thấp

3.2.1.4 Kênh truyền fading biến đổi chậm

Sự thay đổi đáp ứng của kênh truyền chậm hơn tốc độ của tín hiệu trên dải nền phát Khi đó kênh truyền đƣợc xem là tĩnh, trải Doppler của kênh truyền nhỏ hơn băng thông tín hiệu Các biến động trong kênh xảy ra trong thời gian dài Nguyên nhân có thể từ các chướng ngại vật lớn, các hiện tượng thời tiết xấu… kết quả là công suất thu trung bình có thể giảm đáng kể (có thể mất tín hiệu)

3.2.2 Kênh truyền Rayleigh, kênh truyền Ricean và kênh truyền Nakagami-m Đáp ứng kênh truyền là một quá trình phụ thuộc vào cả thời gian và biên độ

Phân bố của biên độ kênh truyền ở một tần số cụ thể tuân theo phân bố Rayleigh hoặc Ricean Khi kênh truyền không có đường truyền thẳng LOS (Line Of Sight), tín hiệu nhận được có biên độ phân bố theo Rayleigh, gọi là fading Rayleigh Trong trường hợp có đường truyền thẳng LOS, tín hiệu nhận được có biên độ phân bố theo Ricean hoặc Nakagami-m, được gọi là fading Ricean hoặc fading Nakagami-m.

 Phân bố Rayleigh: Trong kênh truyền vô tuyến, phân bố Rayleigh thường được sử dụng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phân đa đường riêng lẻ Đường bao của 2 tín hiệu nhiễu Gaussain trực giao tuân theo phân bố Rayleigh với mật độ xác suất

Xác suất để đường bao của tín hiệu không vượt quá một giá trị R được xác định bởi hàm phân bố tích luỹ CDF (Cumulative Distribution Function)

 Phân bố Ricean : Trong trường hợp phân bố Ricean, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau sẽ chồng lấn lên tín hiệu LOS

Chương 3: Lý thuyết thông tin vô tuyến 25 HVTH: Trần Quốc Thái Điều này có ảnh hưởng tại ngõ ra của bộ tách sóng đường bao như là cộng thêm thành phần DC vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Ảnh hưởng của tín hiệu LOS đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (công suất yếu hơn LOS) sẽ là phân bố Ricean rõ rệt hơn

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean

 (3.4) trong đó, A là biên độ của thành phần LOS, I0 là Hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

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

Thông số k xác định phân bố Ricean và đƣợc gọi là hệ số Ricean

Hình 3.2: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Ricean

Chương 3: Lý thuyết thông tin vô tuyến 26 HVTH: Trần Quốc Thái Khi A→0 và k→0, thành phần LOS bị suy giảm về biên độ, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh

 Phân bố Nakagami-m: Hàm mật độ phân bố của phân bố Nakagami-m nhƣ sau:

         (3.7) trong đó, m đƣợc định nghĩa là tỷ số các moment:

Khác với phân bố Rayleigh, phân bố Nakagami-m có hai thông số m và Ω Điều này làm cho phân bố Nakagami-m có tính linh động và chính xác hơn trong mô hình thống kê tín hiệu Phân bố Nakagami-m có thể đƣợc sử dụng để mô hình các điều kiện kênh truyền fading nhiều hoặc ít gay gắt hơn phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh là một trường hợp đặc biệt của phân bố Nakagami-m (m=1)

Hình 3.3: Hàm mật đồ phân bố Nakagami-m

3.3 Điều chế và giải điều chế tín hiệu số 3.3.1 Điều chế tín hiệu số

Ƣớc lƣợng kênh truyền

quyết định bit 0 hay 1, nó còn kèm theo thông tin dƣ thừa về độ tin cậy của quyết định đó Thông tin thêm có thể cải thiện chất lƣợng của lƣợc đồ mã hoá kênh truyền Để thực hiện quyết định mềm, bộ giải điều chế phải xem xét từng bit riêng biệt Vẫn giả sử nhƣ trên, điểm x rất gần với biên của 00 và 01 Rõ ràng bit bên trái là tương đối tin cậy vì nó nằm rất xa biên với các điểm mà có bit bên trái bằng 1

Mặt khác, bit bên phải thay đổi từ 0 sang 1, cho nên bit bên phải có độ tin cậy thấp

Việc thực hiện quyết định từng bit sẽ sử dụng LLRs (Log-Likehood Ratios)

3.4 Ƣớc lƣợng kênh truyền 3.4.1 Phương pháp ước lượng MMSE

Phương pháp ước lượng MMSE (minimum mean square error) là phương pháp ước lượng nhằm làm tối thiểu hóa sai số bình phương trung bình giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu ƣớc lƣợng

Giả sử x là vector biến ngẫu nhiên chƣa biết, y là vector biến ngẫu nhiên đã biết (đo hoặc quan sát đƣợc) Ta sẽ ƣớc lƣợng x y ˆ( ) Khi đó, sai số do ƣớc lƣợng là: e   x x ˆ ˆ ˆ

MSE E x{( x x)( x) } T (3.21) Ƣớc lƣợng MMSE chính là xác định giá trị nhỏ nhất của MSE

3.4.2 Phương pháp ước lượng LMMSE

Phương pháp ước lượng LMMSE (linear minimum mean square error) cũng gần tương tự như MMSE Ước lượng Linear MMSE là tìm giá trị nhỏ nhất của MSE của tất cả các ƣớc lƣợng dạng tuyến tính Wy + b Trong đó, y là vector ngẫu nhiên, W là ma trận và b là vector Ta sẽ tìm giá trị ƣớc lƣợng LMMSE xˆWy b Trong trường hợp ước lượng không lệch thì lỗi ước lượng sẽ bằng 0 khi đó:

Chương 3: Lý thuyết thông tin vô tuyến 35 HVTH: Trần Quốc Thái trong đó: x  E x { } và y  E y { } ˆ ( ) x  W y  y  x Sai lệch do ƣớc lƣợng: x ˆ   x W y (  y ) (   x x ) ˆ

Theo nguyên tắc trực giao: ˆ {( )( ) } 0 T

C XY là ma trận hiệp phương sai chéo của X và Y, C Y là ma trận hiệp phương sai của Y Hiệp phương sai của sai số ước lượng MMSE tuyến tính là: ˆ ˆ ˆ

PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG MẠNG RELAY GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP NHẬN THỨC NỀN

Mô hình hệ thống mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền

Mô hình hệ thống mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền đa hop đƣợc mô tả nhƣ hình 4.1 Mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền (gọi tắt là CR) là sự kết hợp kỹ thuật truy cập phổ underlay và kỹ thuật relay giải mã và chuyển tiếp Giả sử, trong một dãy tần số xác định và sẽ có hai mạng vô tuyến hoạt động đồng thời trên cùng dãy tần đó Quyền sử dụng dãy tần đó thuộc về mạng vô tuyến thứ nhất gọi là mạng primary và mạng thứ hai gọi là mạng vô tuyến nhận thức nền (viết tắt là: CR) hoạt động dựa trên sự cho phép của mạng primary

Mọi hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức phải thỏa mãn điều kiện công suất phát của các CR user gây nhiễu cho mạng primary không vƣợt quá ngƣỡng cho phép Gọi I T là mức ngƣỡng cho phép mạng CR gây ra nhiễu cho mạng primary.

Hình 4.1: Mô hình hệ thống mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền

Giả sử kênh truyền từ nút S đến D bị che chắn hoặc rất xa hoặc có hiện tƣợng deep fading nên kênh truyền tín hiệu từ S → D xem nhƣ bỏ qua

Chương 4: Phân tích chất lượng mạng 37 HVTH: Trần Quốc Thái Muốn truyền tín hiệu từ S → D phải sử dụng các relay để nhận và chuyển tiếp tín hiệu Theo hình 4.1, để tín hiệu truyền từ S → D của mạng vô tuyến nhận thức nền phải sử dụng N-2 relay

Kỹ thuật relay là phương thức truyền tín hiệu bằng cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp gọi là relay Có hai loại relay: giải mã và chuyển tiếp (DF) và khuếch đại và chuyển tiếp (AF) Trong bài luận này, kỹ thuật DF sẽ được sử dụng để truyền tín hiệu từ nút S đến nút D Relay của mạng CR sử dụng chung băng tần với mạng chính và phải đảm bảo công suất phát không gây nhiễu vượt ngưỡng cho phép đối với mạng chính.

Giả sử sự suy hao kênh truyền không phụ thuộc vào tần số Kênh truyền Rayleigh được sử dụng để phân tích trong luận văn này Hệ số kênh truyền h tr giữa nút phát t ∈{0,1,2 ,N-1} và nút thu r ∈{1,2,…,N,P} theo phân phối chuẩn phức với trung bình 0 và phương sai η tr = d tr -α.

) [1] Trong đó, dtrlà khoảng cách giữa nút phát và nút thu, α là hệ số mũ suy hao trong không gian Theo [27] giá trị α nằm trong khoảng [1.6, 6]

Thông thường trong thực tế giá trị α nằm trong khoảng [2,5]

Tín hiệu x0 sẽ đƣợc truyền từ nút S0→ D Ban đầu, tín hiệu x0 tại S0 sẽ đƣợc điều chế và truyềnđến nút relay R1 vớinăng lƣợng là B0 = E{|x 0 | 2 } Tín hiệu thu tại R 1 sẽ giải điều chế x 1 , sau đó tiếp tục điều chế tín hiệu x1 và truyền tín hiệu đến nút R 2 với mức năng lƣợng B1 = E{|x1| 2 } Quá trình cứ tiếp tục cho đến khi tín hiệu truyền đến nút D Tín hiệu thu đƣợc tại D và giải điều chế ta sẽ thu đƣợc tín hiệu gốc Trong kênh truyền thứ (t–r) thì tín hiệu thu đƣợc biểu diễn nhƣ sau: tr tr t tr y h x n (4.1) trong đó: ytr là tín hiệu thu đƣợc tại nút r trong kênh truyền thứ (t - r) n tr là nhiễu AWGN có phân bố n tr ~ CN (0, N 0 )

Trong mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền đầy đủ, công suất phát của các user mạng CR phải đảm bảo không gây nhiễu cho mạng primary vƣợt quá ngƣỡng cho phép

Chương 4: Phân tích chất lượng mạng 38 HVTH: Trần Quốc Thái Công suất phát của các user mạng vô tuyến nhận thức nền phải thỏa mãn điều kiện:

B h I (4.2) trong đó, IT là mức can nhiễu tối đa cho phép CR user gây nhiễu cho mạng primary

Tỷ số SNR của kênh truyền (t – r) tại r đƣợc tính nhƣ sau:

Mô hình kênh truyền mạng CR với thông tin kênh truyền không đầy đủ

Do thiếu thông tin về kênh truyền, cần tiến hành ước lượng kênh truyền Mô hình kênh truyền với thông tin kênh truyền không đầy đủ được biểu diễn như sau: h ^ tr = h + ε tr, trong đó: h ^ tr là hệ số kênh truyền ước lượng của kênh truyền thứ (t - r) và ε tr là sai số ước lượng kênh truyền Giả thiết, h tr và h ^ tr là ngẫu nhiên dừng và tuân theo phân bố xác suất.

Gaussian,h ˆ tr trực giao với sai số ƣớc lƣợng ε tr Thông số h ˆ tr , εtr tuân theo phân bố Gaussian và đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

~ 0, tr CN tr E h tr E h tr

                    (4.5) ˆ ~ tr 0, 1 tr tr tr h CN  

  (4.6) σ tr là phương sai phản ánh độ sai lệch của quá trình ước lượng kênh truyền, giá trị σtr phụ thuộc vào tính chất của kênh truyền và sự lựa chọn phương pháp ước lượng

Luận văn này sẽ sử dụng phương pháp ước lượng LMMSE (linear minimum mean square error) dùng để ƣớc lƣợng kênh truyền Theo [1],[2] σ tr đƣợc tính toán nhƣ sau:

, ˆ 1 tr tr tr 1 p tr training

Chương 4: Phân tích chất lượng mạng 39 HVTH: Trần Quốc Thái trong đó:

 Lp: là số lƣợng pilot symbol

0 0 t training tr t training tr tr training tr training

      : là tỷ số SNR trung bình pilot symbol của kênh truyền (t – r) Công suất pilot t training , T tP

 và tP tr tr tr

Công suất phát của CR user với thông tin kênh truyền không đầy đủ

Điều kiện hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức nền là công suất phát của các user mạng CR gây nhiễu ảnh hưởng đến user mạng primary không vượt quá mức ngƣỡng cho phép I T Công suất phát B t của các CR user phải thỏa mãn điều kiện sau đây:

Trong trường hợp thông tin kênh truyền không đầy đủ, phải thực hiện việc ước lƣợng kênh truyền Khi đó, công suất phát của các user mạng CR là: ˆ 2

Từ (4.8), (4.9) thì công suất phát của các user mạng CR phải thỏa điều kiện:

Nhƣ vậy, để mạng CR không gây nhiễu cho mạng primary thì kết quả việc ƣớc lƣợng phải thỏa điều kiện h tP 2  h ˆ tP 2 Điều kiện này có thể hoặc không thể xảy ra

Chương 4: Phân tích chất lượng mạng 40 HVTH: Trần Quốc Thái Chương 5 sẽ tính xác suất điều kiện này xảy ra và đề ra giải pháp nhằm cực đại xác suất này

Phần tiếp theo sẽ xác định công thức tính tỷ lệ lỗi bit BER của mạng vô tuyến nhận thức nền nhằm đánh giá hiệu quả hệ thống nhanh chóng mà không cần các mô phỏng tốn nhiều thời gian.

Phân tích tỷ lệ lỗi bit BER của mạng CR với thông tin kênh truyền không đầy đủ

Trong hệ thống mạng vô tuyến nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ Từ (4.1), (4.4), (4.5) tín hiệu thu đƣợc tại r của kênh truyền (t – r) là: tr ˆ tr t tr t tr y h x  x n (4.12)

Hệ số γtr,eff ( effective SNR ) của kênh truyền (t – r) đƣợc tính toán nhƣ sau [1]:

0 ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ tr t t tr tr tr tr tr eff t tr tr t t tr tr tP t tr

Dựa vào công thức (4.13) để xây dựng đƣợc công thức tính tỷ lệ lỗi bit BER của kênh truyền (t – r) Sử dụng phương pháp điều chế M-QAM để tính toán và phân tích sự thay đổi BER theo các thông số mạng Điều chế M-QAM gồm có 2 trường hợp:

 Điều chế M-QAM hình vuông với M = 2 m (m chẵn)

 Điều chế M-QAM hình chữ nhật với M = 2 m (m lẻ)

Chương 4: Phân tích chất lượng mạng 41 HVTH: Trần Quốc Thái

Hình 4.2: Giản đồ không gian tín hiệu 4x4-QAM hình vuông (m = 4 chẵn)

Hình 4.3: Giản đồ không gian tín hiệu 8x4-QAM hình chữ nhật (m = 5 lẻ)

Công thức tính BER của kênh truyền thứ (t-r) nhƣ sau:

R e (r) = 0 ∞ R e1, tr ( ) f  tr eff , ( )  d , 𝑚 𝑙ẻ e2, ( ) , ( ) tr eff

, tr eff f  là hàm mật độ xác xuất (pdf) của γ tr,eff R e1,tr , R e2,tr là xác suất lỗi bit của kênh truyền thứ (t – r), theo [1], [5] đƣợc tính nhƣ sau:

Chương 4: Phân tích chất lượng mạng 42 HVTH: Trần Quốc Thái log 2 (1 2 ) 1 e2,

Dựa vào công thức (4.13) để xác định hàm f γtr,eff (γ):

0 ˆ ˆ ˆ ˆ tr tr tr tr eff tP tP tr tr tr

     ˆ 2 h tr , h ˆ tP 2 tuân thủ theo phân phối exponential: ˆ tr 2 ~ 0, 1 tr h CN

  Hàm pdf của z tr , d tr trong (4.13) là:

Hàm mật độ xác suất pdf của tr eff , tr tr z

( ) ( ) ( ) tr tP tr tr eff tr tr yx y z d tr tP f  x    yf yx f y dy   y e    e      dy Đặt tr tP tr k 

( ) tP tr tP tr tP tr tr tP tr eff x y tP tr tr tP tP tr tr tr e k e f x e ye dy x k x

Từ (4.14), (4.15), (4.16), (4.17) biểu thức Re(r) đƣợc xác định nhƣ sau

2 k tr eff k s k tr tP tr w i k s g k Q i gx f x dx s 

2 k tP tr k s k tr tP tr tr tr w i k s g k k e I i g k s

Công suất BER trung bình của tất cả các hop {R e (1), R e (2),…, Re(N)}, theo [15] công thức tính BER trung bình của tất cả các hop đƣợc tính nhƣ sau:

Phân tích BER của mạng CR với thông tin kênh truyền không đầy đủ và điều kiện công suất phát tối đa của CR user là P m

Giả sử ngưỡng nhiễu tối đa cho phép CR gây nhiễu tới PU là I T và công suất phát tối đa của CR là P m Mô hình hệ thống kênh truyền và kỹ thuật ước lượng kênh truyền được sử dụng tương tự như mô hình trong phân tích trước Dựa trên ước lượng kênh truyền này, công suất phát của CR phải thỏa mãn điều kiện sau:

Sử dụng lại công thức (4.15) để tính toán BER trong trường hợp có điều kiện P m

R e (r) = 0 ∞ R e1, tr ( ) f  tr eff , ( )  d , 𝑚 𝑙ẻ e2, ( ) , ( ) tr eff

Thông số Re1,tr, Re2,tr là xác suất lỗi bit trong trường hợp có điều kiện Pm tương tự như trường hợp không có điều kiện Pm Sử dụng công thức (4.15), (4.16) để tính R e1,tr và R e2,tr Tuy nhiên, sự khác biệt so với trường hợp không có điều kiện công

Chương 4: Phân tích chất lượng mạng 45 HVTH: Trần Quốc Thái suất phát tối đa Pm chính là cách tính thông số γtr,eff nên cần phải tính lại γtr,eff Từ (4.12) γtr,eff (effective SNR) của kênh truyền thứ (t - r) đƣợc tính nhƣ sau [3]:

T m tr tP tr t t tr tr tr eff t tr t t tr T tr m tr

(4.24) Để tính BER trước tiên cần tính hàm pdf của γtr,eff Theo [6] hàm phân phối tích lũy (cdf) của x tr  min  I T / h ˆ tP 2 , P m  h ˆ tr 2 đƣợc tính nhƣ sau:

1 tr T tP T tP tr tr T tP m m m m m m tr x I I x x I

P P P P P P tP T x tr tP T tr tP T

Tính hàm pdf của x tr bằng cách lấy đạo hàm của ( ) x tr

( ) ( ) 1 tr T tP tr T tP m m m m tr tr x I x I

P P P P tr tr tP tr T x x m tP T tr tP T tr x I f x F x e e e e

Sử dụng công thức (4.26) để tính hàm pdf của γ tr = x tr / N 0 f  tr eff , ( )  N f 0 x tr ( N 0 )

( ) 1 tr T tP tr T tP m m m m tr eff

P tr tr P tP tr T P P m tP T tr tP T tr

( ) 1 tr T tP T tP m m m tr eff

P tr tr P tP tr T P m tP T tr tP T tr

( ) tr T tP T tP m m m tr eff

P tr tr tr P tP tr T P m m tr tP T tr tP T

( ) 1 tr T tP T tP m m m tr eff

P tr tr P tP T P m m tP T tr tP T tr tr f e N N e I e

         Đặt ρ tr = N 0 λ tr / P m và G tr = λ tP I T / λ tr N 0

( ) tr tr tr 1 tr tr tr eff

G G tr tr tr tr tr f e e G e

, ( ) tr (1 tr tr ) tr tr 2 tr tr tr eff

G tr tr G tr G tr tr tr

Kết hợp (4.14), (4.15), (4.16),(4.27) thì Re(r) của kênh truyền thứ ( t – r ) đƣợc tính nhƣ sau [3]:

2 k tr eff k s k tr tr w i k s G g Q i gx f x dx s 

2 k tr tr tr tr tr tr tr k s k x G tr tr G tr G tr tr tr

(2 1) tr tr tr k tr tr tr tr tr tr

G tr x tr e Q i gx e dx e G Q i gx e dx s x G e G Q i gx e dx x G

Theo [17, eq.(3.352)] và [17, eq.(3.353)],[3] có thể tính xấp xỉ các biểu thức sau:

3 tr tr tr tr tr i g

G tr tr x i g tr G tr tr i g e Ei G e Q i gx dx x G i g e Ei G

4 3 tr tr tr tr tr i g

G tr tr tr i g x G tr tr tr tr tr i g i g e Ei G e i g i g

Sử dụng lại công thức (3.21) để tính BER trung bình của tất cả các hop {Re(1), R e (2), …, Re(N)}

XÁC SUẤT MẠNG RELAY VÔ TUYẾN NHẬN THỨC NỀN GÂY NHIỄU VƢỢT NGƢỠNG CHO PHÉP

Phân tích xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu cho PU vƣợt ngưỡng cho phép trong trường hợp không có điều kiện P m

Trong mạng relay vô tuyến nhận thức nền, người dùng bắt buộc phải phát sóng công suất không vượt quá ngưỡng cho phép để tránh gây nhiễu cho hệ thống mạng chính Do thiếu thông tin về kênh truyền, việc ước lượng năng lực kênh có thể dẫn đến sai số, khiến ngưỡng gây nhiễu được phép bị sai lệch Nghiên cứu này sẽ phân tích và đưa ra công thức tính xác suất công suất phát của người dùng mạng vô tuyến nhận thức nền vượt ngưỡng gây nhiễu cho hệ thống mạng chính.

5.1.1 Xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng cho phép

Sử dụng mô hình hệ thống kênh truyền của mạng CR với thông tin kênh truyền không đầy đủ như đã trình bày trong chương 3: tr ˆ tr tr h  h   (5.1) trong đó h ˆ tr là hệ số kênh truyền ƣớc lƣợng thứ (t – r) và εtr là sai số ƣớc lƣợng kênh truyền do thông tin kênh truyền không đầy đủ Giả thuyết kênh truyền của hệ thống mạng là kênh truyền Rayleigh Hệ số kênh truyền h tr ,h ˆ tr , εtr tuân theo phân bố Gaussian và đƣợc phân bố nhƣ sau:

  (5.2) ˆ ~ tP 0, 1 tP tP tP h CN  

Chương 5: Phân tích xác suất gây nhiễu 49 HVTH: Trần Quốc Thái

Công suất phát của CR user phải thỏa mãn điều kiện:

Theo biểu thức trên thì việc tính xác suất gây nhiễu vƣợt quá ngƣỡng cho phép phải dựa trên mối tương quan giữa h tP 2 và h ˆ tP 2 Giả thuyết h tP 2 và h ˆ tP 2 là tín hiệu ngẫu nhiên dừng và tuân theo phân bố exponentially Để tính xác suất công suất phát vượt quá ngưỡng cho phép thì trước tiên ta cần phải tính hàm mật độ xác suất pdf của 2 biến ngẫu nhiên h tP 2 và h ˆ tP 2

Theo [7] hàm mật độ xác suất của h tP 2 và h ˆ tP 2 đƣợc đƣợc tính nhƣ sau:

Tính ρxy: h tP 2 và h ˆ tP 2 tuân theo phân bố exponential

2 ˆ ~ tP tP z tP tP tP z x h e

/   ˆ 2 ~ tP tP z tP tP tP tP tP z h e E z

2 ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ * ˆ * 2 tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP w  h  h   h  h    h  h   h  

  ˆ tP 2   tP 2 tP tP tP tP

  ˆ tP 2 ˆ tP 2 ˆ tP tP * ˆ tP tP * tP 2   2     tP 2

  2  tP tP   2 tP tP  tP  tP tP  2 tP tP 

=> cov  x y 2 , 2     tP   tP  2  tP   tP   (  tP    tP ) tP    tP   tP  2 (5.11)

Từ (4.8), (4.9), (4.10), (4.11) ta tìm đƣợc ρxy

 tP tP  2  tP tP  xy tP tP tP tP

Nhƣ vậy, fX,Y(x,y) đƣợc xác định nhƣ sau:

( ) 1 tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP x y tP tP tP X Y tP tP tP tP tP tP xye xy f x y I

Từ (5.13), (5.14) ta tính đƣợc f zw (z,w)

4 ( ) 1 tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP z w tP tP tP

Z W X Y tP tP tP tP tP tP z we zw f z w J z w f z w I zw

( ) tP tP tP tP tP z w

Z W tP tP tP tP e zw f z w I

Hàm mật độ xác suất (pdf) của h tP 2 và h ˆ tP 2 là:

( ) tP tP tP tP tP tP tP z w h h tP tP tP tP e zw f z w I

Gọi I T là ngƣỡng gây nhiễu tối đa cho phép của mạng CR Khi đó, xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu vƣợt quá ngƣỡng IT cho phép là:

Pr t tP T Pr T tP T Pr tP 0, tP 1 tP tP

( ) tP tP tP tP tP tP tP x y y y t tP T h h tP tP tP tP y x y x e xy

( ) tP tP tP tP tP y y x t tP T tP tP tP tP

       Đặt 1 2 u x du 2 dx dx udu

Pr ( ) tP tP tP tP tP y y u t tP T tP tP tP tP

( ) 2 2 ( ) tP tP tP tP tP tP y y tP tP tP tP tP tP tP t tP T tP tP tP tP tP tP tP tP tP

( ) 2 ( ) tP tP tP tP tP y y tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP y y e e Q dy

( ) tP y tP tP tP tP tP tP tP tP tP y y e  Q    dy

( ) tP z tP tP tP t tP T tP tP tP tP tP tP

Chương 5: Phân tích xác suất gây nhiễu 53 HVTH: Trần Quốc Thái trong đó: Q(a,0) = 1; I 0 (0) = 1 ; 2

( ) ( ) tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP s     

( ) ( ) tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP t   

I 0 (.): zeroth-order Modified Bessel Function [17, eq.(8.431.1)]

5.1.2 Hệ số điều khiển công suất back-off ρ Để đảm bảo công suất phát của các user mạng vô tuyến nhận thức nền không gây nhiễu vƣợt quá mức ngƣỡng mà mạng primary cho phép, giải pháp đƣợc đƣa ra là giảm công suất phát của các user mạng CR xuống Giải pháp này sẽ giảm công suất phát của các user mạng CR thông qua hệ số điều khiển công suất back-off ρ

(0 ≤ ρ ≤ 1) Khi đó công suất phát của các user mạng CR là: B t '  B t

Công thức tính xác suất công suất phát của user mạng CR gây nhiễu cho mạng primary vƣợt quá ngƣỡng cho phép đƣợc tính nhƣ sau:

Pr t tP T Pr T tP T Pr tP 0, tP 1 tP tP

( ) tP tP tP tP tP tP tP x y y y h h tP tP tP tP y x y x e xy f x y dxdy I dxdy

       Đặt 1 2 u x du 2 dx dx udu

( ) tP y tP tP tP t tP T tP tP tP tP tP tP y y

( ) z tP tP tP t tP T tP tP tP tP tP

( ) ( ) tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP s      

( ) ( ) tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP t      

5.1.3 Phân tích ảnh hưởng của hệ số điều khiển công suất back-off đối với chất lƣợng mạng

Hệ số điều khiển công suất back-off ρ sẽ làm thay đổi công suất phát của CR user và ảnh hưởng đến chất lượng mạng Sử dụng công thức 4.18 để tính BER, các thông số của công thức giống nhƣ đã trình bày trong phần 4.4

2 k tP tr k s k tr tP tr tr tr w i k s g k k e I i g k s

Công suất phát của CR user sẽ phụ thuộc vào ρ: ' ˆ T tP

Trong trường hợp này sai số do ước lượng kênh truyền được tính như sau:

Chương 5: Phân tích xác suất gây nhiễu 56 HVTH: Trần Quốc Thái Công suất pilot t training , T tP

  và tr tr tP tr

Công suất BER trung bình của tất cả các hop {R e (1), R e (2),…, Re(N)}, đƣợc tính nhƣ công thức (4.21)

Phân tích xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu đến mạng primary vượt ngưỡng cho phép trong trường hợp có điều kiện P m

5.2.1 Xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngưỡng cho phép trong trường hợp có điều kiện công suất phát tối đa P m

Trong chương 3, nếu giới hạn công suất phát tối đa của các CR user là Pm, thì điều kiện công suất phát của các CR user được xác định như sau:

Sử dụng hàm pdf trong công thức (5.16) để tính xác suất công suất gây nhiễu cho mạng primary vượt quá ngưỡng cho phép trong trường hợp có điều kiện công suất phát tối đa P m

Hàm mật độ xác suất (pdf) của h tP 2 và h ˆ tP 2 là:

( ) tP tP tP tP tP tP tP x y h h tP tP tP tP e xy f x y I

Xác suất CR user gây nhiễu cho PU vƣợt ngƣỡng cho phép là:

Pr t tP T Pr T , m tP T Pr tP , tP 1 tP tP

Chương 5: Phân tích xác suất gây nhiễu 57 HVTH: Trần Quốc Thái trong đó: T m

( ) tP tP tP tP tP tP x y y y t tP T h h tP tP tP tP y x e xy

       Đặt 1 2 u x du 2 dx dx udu

2 ( ) tP tP y tP tP tP t tP T tP tP tP tP tP y y

2 ( ) tP tP tP y tP tP tP t tP T tP tP tP tP tP y y

2 ( ) tP tP z tP tP tP t tP T tP tP tP tP tP tP

2 1 tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP t tP T tP s tP e Q s r s r

( ) ( ) tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP s     

( ) ( ) tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP t   

5.2.2 Hệ số điều khiển công suất back-off ρ trong trường hợp có điều kiện P m

Cũng giống như trường hợp không có điều kiện công suất phát tối đa Pm, nhằm đảm bảo công suất phát của các user mạng CR gây nhiễu cho mạng primary không vƣợt quá mức ngƣỡng cho phép, giải pháp đƣợc đƣa ra nhằm giải quyết vấn đề trên là kỹ thuật điều khiển công suất phát back-off Kỹ thuật này sẽ giảm công suất phát của mạng relay vô tuyến thông qua hệ số điều khiển công suất back-off ρ (0 ≤ ρ ≤ 1) Công suất phát của mạng vô tuyến nhận thức nền sẽ giảm xuống theo tỉ lệ của hệ số ρ: P t '  P t Điều kiện công suất phát của user mạng CR là:

Chương 5: Phân tích xác suất gây nhiễu 59 HVTH: Trần Quốc Thái Sử dụng hàm pdf trong công thức (4.16) để tính xác suất công suất gây nhiễu cho mạng primary vượt quá ngưỡng cho phép trong trường hợp có điều kiện công suất phát tối đa P m và hệ số điều khiển công suất back-off ρ:

Pr t tP T Pr T , m tP T Pr tP , tP 1 tP tP

Pr ( ) tP tP tP tP tP y y x t tP T tP tP tP tP

       Đặt 1 2 u x du 2 dx dx udu

2 ( ) tP tP y tP tP tP t tP T tP tP tP tP tP y y

Pr  2  tP 1 tP 2( 2 ) , ( 2 ) tP y tP tP tP t tP T tP tP tP tP tP y y

2 ( ) tP tP z tP tP tP t tP T tP tP tP tP tP tP

2 tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP t tP T tP s tP e Q s r s r

( ) ( ) tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP s      

( ) ( ) tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP tP t      

I0(.): zeroth-order Modified Bessel Function [17, eq.(8.431.1)]

5.2.3 Phân tích ảnh hưởng của hệ số điều khiển công suất back-off đối với chất lượng mạng trong trường hợp có P m

Hệ số điều khiển công suất back-off sẽ làm thay đổi công suất phát của CR user và ảnh hưởng đến chất lượng mạng Sử dụng công thức 4.28 để tính BER, các thông số của công thức giống nhƣ đã trình bày trong phần 4.5

Chương 5: Phân tích xác suất gây nhiễu 61 HVTH: Trần Quốc Thái Trong đó:

2 k tr eff k s k tr tr w i k s G g Q i gx f x dx s 

Công suất phát của CR user sẽ phụ thuộc vào ρ:

Trong trường hợp này sai số do ước lượng kênh truyền được tính như sau:

Công suất pilot t training , T tP

  và tr tr tP tr

Công suất BER trung bình của tất cả các hop {R e (1), R e (2),…, Re(N)}, đƣợc tính nhƣ công thức (4.21)

Chương 6: Kết quả mô phỏng 62 HVTH: Trần Quốc Thái

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Mô hình hệ thống

Hình 6.1: Mô hình mạng relay vô tuyến nhận thức nền

Mô hình mạng relay DF vô tuyến nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ (gọi tắt là CR) đƣợc mô tả nhƣ hình 6.1 Gọi (x,y) là tọa độ vị trí của các nút mạng, để thuận lợi cho việc mô phỏng và đánh giá các thông số thì giá trị của x và y đƣợc đƣa về khoảng chuẩn và giới hạn trong khoảng [0,1].Vị trí của các nút mạng đƣợc chọn làm ví dụ nhƣ sau: S(0,0), R1(0.6,0.2), R2(0.8,0.3), D(1,0), P(0.7,0.5) Vị trí của các nút mạng này sẽ đƣợc cố định và sử dụng trong toàn bộ quá trình mô phỏng Chọn giá trị hệ số mũ suy hao trong không gian α = 3, số lƣợng symbol pilot L p = 1 dùng để mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của các thông số của hệ thống mạng trong tất cả các trường hợp Mô hình kênh truyền không đầy đủ đƣợc mô tả nhƣ sau: tr ˆ tr tr h  h  

Chương 6: Kết quả mô phỏng 63 HVTH: Trần Quốc Thái Phương sai sai số do ước lượng:

0 0 t training tr T tr tr training tP

Chương này sẽ thực hiện việc mô phỏng và đánh giá sự thay đổi của thông số BER, xác suất (Pr) CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng cho phép IT theo các thông số khác nhau của mạng vô tuyến nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ Quá trình mô phỏng và đánh giá các thông số trên đƣợc thực hiện với 2 trường hợp: trường hợp CR user không có điều kiện công suất phát tối đa Pm và trường hợp có điều kiện công suất phát tối đa Pm Sử dụng các công thức đã được phân tích trong chương 4 & 5 để thực hiện việc mô phỏng các thông số Sử dụng lý thuyết để kiểm tra sự chính xác của sự phân tích trên.

Mô phỏng và đánh giá sự thay đổi của BER theo các thông số mạng trong trường hợp không có điều kiện công suất phát tối đa P m

6.2.1 Mô phỏng BER theo tỷ số I T /N 0 ứng với điều chế 2-QAM và 4-QAM

Hình 6.2 mô phỏng sự thay đổi của BER theo tỷ số I T /N 0 [dB] ứng với kỹ thuật điều chế 2-QAM và 4-QAM của mạng relay vô tuyến nhận thức nền Quá trình mô phỏng này được thực hiện dựa theo kết quả phân tích trong Chương 4 & 5 (analysis) và kết quả phân tích sẽ đƣợc kiểm chứng bằng kết quả theo lý thuyết (simulation)

Hình 6.2: BER theo tỷ số I T /N 0 [dB] ứng với điều chế 2-QAM và 4-QAM

Chương 6: Kết quả mô phỏng 64 HVTH: Trần Quốc Thái Ngoài ra, thông số BER được phân tích trong 2 trường hợp: thông tin kênh truyền đầy đủ (perfect CSI ) và thông tin kênh truyền không đầy đủ (imperfect CSI )

 Kết quả của quá trình phân tích tương thích với kết quả mô phỏng theo lý thuyết

 Tỷ lệ lỗi bit BER giảm khi tỷ số I T /N 0 tăng Lý do, khi IT/N 0 tăng thì công suất đƣợc phép phát của các user mạng vô tuyến nhận thức nền tăng lên, chất lƣợng tín hiệu thu đƣợc sẽ tốt hơn

 Tỷ lệ bit lỗi BER ứng với điều chế 2-QAM thấp hơn so với điều chế 4-QAM, tính chất này đúng theo lý thuyết

 Tỷ lệ lỗi bit BER trong trường hợp thông tin kênh truyền đầy đủ sẽ nhỏ hơn so với trường hợp thông tin kênh truyền không đầy đủ BER trong trường hợp thông tin kênh truyền không đầy đủ cao hơn là do sai số do ƣớc lƣợng kênh truyền gây ra

Mô hình ƣớc lƣợng kênh truyền làm cho tỷ số SNR bị suy giảm khoảng 0.40.6 dB so với trường hợp thông tin kênh truyền đầy đủ

 Trong trường hợp khoảng cách giữa S và D rất xa, tín hiệu không thể truyền trực tiếp đƣợc và phải sử dụng các relay để chuyển tiếp tín hiệu cần truyền Lựa chọn số lượng relay sẽ ảnh hưởng đến phạm vi phủ sóng của mạng, khoảng cách tín hiệu có thể truyền đi đƣợc Tuy nhiên, trong mạng CR thì việc tăng số lƣợng relay trong một số trường hợp sẽ làm giảm chất lượng tín hiệu thu Lý do, như theo hình

6.1 thì sẽ có 2 trường hợp truyền dữ liệu: S  R1  D (N = 2) và S  R1  R2

D (N = 3) Theo kết quả mô phỏng hình 6.2 thì tỷ lệ lỗi bit BER của đường truyền 2 hop sẽ thấp hơn đường truyền 3 hop Lý do, với điều kiện mức ngưỡng gây nhiễu tối đa cho phép của mạng CR là IT nhƣng do R2 đặt quá gần P làm cho công suất đƣợc phép phát của R 2 nhỏ Công suất phát tại R 2 nhỏ nên tín hiệu nhận đƣợc tại D của kênh truyền

R D 2 h có độ tin cậy thấp và tỷ lệ bít lỗi trong kênh truyền này sẽ cao Tóm lại, cần phải nghiên cứu đề xuất các giải pháp lựa chọn vị trí và số lượng trạm phát sóng sao cho phù hợp để đảm bảo chất lượng đường truyền tốt nhất.

Chương 6: Kết quả mô phỏng 65 HVTH: Trần Quốc Thái relay cho hợp lý nhằm nâng cao chất lƣợng của mạng CR đồng thời phải đảm bảo không gây nhiễu cho các user của mạng primary vƣợt quá ngƣỡng cho phép

6.2.2 Mô phỏng BER theo I T /N 0 ứng với vị trí và số lƣợng relay khác nhau

Theo sự phân tích ở phần 6.2.1, tỷ lệ lỗi bit BER của mạng CR phụ thuộc vào số lƣợng và vị trí của các nút relay Hình 6.4 mô tả sự thay đổi của tỷ lệ bit lỗi BER theo tỷ số I T /N 0 [dB] ứng với các trường hợp thay đổi vị trí và số lượng của relay

Giả sử các vị trí nút mạng S, D, P đƣợc đặt cố định trong quá trình khảo sát và có giá trị như sau: S(0,0), D(1,0), P(0.7,0.5) Hình 6.3 sẽ mô tả các đường truyền tín hiệu khác nhau (ứng với sự thay đổi số lƣợng và vị trí của relay)

Hình 6.3:Sơ đồ truyền tín hiệu mạng CR với số lƣợng và vị trí relay khác nhau

Hình 6.4: BER theo I T /N 0 ứng với sự thay đổi số lƣợng và vị trí relay

 Kết quả của quá trình phân tích tương thích với kết quả mô phỏng theo lý thuyết

Tỷ lệ lỗi bit BER chịu tác động bởi vị trí và số lượng bộ tiếp sóng Thông thường, tăng số lượng bộ tiếp sóng sẽ giúp giảm BER, tăng độ tin cậy của tín hiệu thu được Tuy nhiên, trong một số trường hợp, tăng số lượng bộ tiếp sóng lại khiến BER tăng Nguyên nhân là do vị trí của bộ tiếp sóng quá gần với điểm chính P, khiến công suất phát phải giảm để tránh gây nhiễu Điều này dẫn đến tín hiệu thu được tại điểm đích D có độ tin cậy thấp.

BER tăng Tóm lại, việc chọn lựa số lƣợng và vị trí của relay có vai trò rất quan trọng nên cần phải đưa ra phương pháp chọn lựa hợp lý nhằm nâng cao chất lƣợng mạng đồng thời không bị lãng phí hạ tầng mạng

Tỷ lệ lỗi bit (BER) cao hơn trong trường hợp 3 so với trường hợp 4 là do khoảng cách vật lý giữa các điện trở R1 và R2 khác nhau Cụ thể, trong cả hai trường hợp này, điện trở R2 được giữ nguyên, chỉ có vị trí của R1 thay đổi Khoảng cách vật lý lớn hơn trong trường hợp 3 dẫn đến sự suy hao tín hiệu cao hơn và do đó, tỷ lệ lỗi bit cũng cao hơn.

R R 1 2 d trường hợp 3 và công suất phát tại R1 trong cả 2 trường hợp đều thấp (trong cả hai trường hợp vị trí R1 đặt tương đối gần vị trí của

P) nên tỷ lệ lỗi bit

R R 1 2 h trong trường hợp 4 cao hơn trong trường hợp 3 Ngoài ra, công suất phát của CR user tại S cao nên BER SR 1 trong 2 trường hợp gần tương đương nhau Vì vậy, tỷ số lỗi bit BER trường hợp 3 cao hơn BER trường hợp 4

 Tùy theo điều kiện trong thực tế, việc thiết kế và quy hoạch mạng relay vô tuyến nhận thức nền cần phải đưa ra được các phương pháp chọn lựa số lượng và vị trí của relay sao cho hợp lý nhằm nâng cao chất lƣợng mạng, tăng vùng phủ sóng của hệ thống mạng CR đồng thời giảm chi phí xây dựng hạ tầng mạng Vị trí và số lượng của relay ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của mạng relay vô tuyến nhận thức nền

6.2.3 Mô phỏng BER theo số lƣợng pilot symbol

Hình 6.5 mô phỏng sự thay đổi của BER theo số lƣợng pilot symbol

Hình 6.5: Khảo sát BER theo số lƣợng pilot symbols ( I T /N 0 = 10 dB) Nhận xét:

 Kết quả quá trình phân tích tương thích với kết quả mô phỏng theo lý thuyết

Mô phỏng và đánh giá BER theo các thông số mạng CR trong trường hợp có điều kiện công suất phát tối đa P m

6.3.1 Mô phỏng và đánh giá BER theo tỷ số I T /N 0

Hình 6.9 khảo sát sự thay đổi của BER theo tỷ số IT/N0 ứng với điều chế 2-

QAM và 4-QAM của mạng relay vô tuyến nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ và điều kiện công suất tối đa đƣợc phép phát của các CR user là Pm

Thực hiện việc mô phỏng theo phân tích (analysis) và kiểm chứng sự chính xác của kết quả phân tích đƣợc (simulation) theo lý thuyết

Chọn tỷ số P m /N 0 = 12 [dB] và đƣợc cố định trong quá trình mô phỏng

Hình 6.9: Mô phỏng BER theo tỷ số I T /N 0 ( P m /N o = 12 dB) Nhận xét:

 Kết quả quá trình phân tích tương thích với kết quả mô phỏng theo lý thuyết

 Tỷ lệ lỗi bit BER giảm khi tỷ số IT/N0 [dB] tăng Lý do, khi IT/N0 tăng thì công suất đƣợc phép phát của các CR user tăng lên, chất lƣợng tín hiệu thu đƣợc sẽ tốt hơn và BER giảm

Việc tăng số lượng relay mở rộng phạm vi phủ sóng và khoảng cách truyền tín hiệu Tuy nhiên, mô hình 2 hop (S  R1  D) và mô hình 3 hop (S  R1  R2  D) cho thấy rằng khi R2 quá gần ngưỡng gây nhiễu tại P (IT), công suất phát của R2 phải giảm Do đó, tín hiệu nhận tại D có độ tin cậy thấp Vì vậy, cần nghiên cứu các giải pháp và kỹ thuật chọn lựa số lượng relay hợp lý để đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của mạng vô tuyến nhận thức.

 BER ứng với điều chế 2-QAM nhỏ hơn điều chế 4-QAM Kết quả mô phỏng giống nhƣ kết quả lý thuyết

6.3.2 So sánh sự thay đổi BER theo I T /N 0 trong trường hợp có và không có điều kiện công suất phát tối đa P m

Hình 6.10 khảo sát sự thay đổi của BER theo I T /N 0 trong trường hợp mạng CR có điều kiện công suất phát tối đa của các user Pm và trường hợp không có điều kiện công suất phát tối đa Pm Trong phần này sẽ đánh giá sự khác nhau của tỷ lệ lỗi bit BER trong 2 trường hợp trên Điều kiện công suất phát của các CR user trong trường hợp không có điều kiện công suất phát tối đa Pm là: ˆ 2

Công suất phát của CR user trong trường hợp có điều kiện Pm là: min 2, ˆ

Hình 6.10: So sánh BER theo I T /N 0 trường hợp có và không có điều kiện P m

 Khi tỷ số I T /N 0 nhỏ (I T /N 0 < 10 dB) thì tỷ lệ lỗi bit BER trong cả 3 trường hợp là tương đương nhau Lý do, khi IT/N0 nhỏ hơn nhiều so với Pm/N0 thì công suất

Chương 6: Kết quả mô phỏng 74 HVTH: Trần Quốc Thái phát của CR user bằng IT/ h ˆ tP 2 và không phụ thuộc vào Pm, BER sẽ không phụ thuộc vào Pm Khi IT/N0 lớn hơn nhiều so với Pm/N0 công suất phát của các user phụ thuộc vào giá trị P m Do công suất phát bị giới hạn nên chất lƣợng tín hiệu thu giảm và tỷ lệ lỗi bit BER tăng Tỷ lệ lỗi bit BER trong trường hợp Pm/N0 = 12dB có sự khác biệt và cao hơn so với hai trường hợp Pm/N0 = 35 dB và Pm/N0 = ∞ Sự khác biệt xảy ra khi I T /N 0 >10 dB là do sự ảnh của điều kiện giới hạn công suất phát tối đa Pm

 Khi IT/N0 nằm trong khoảng [0, 20] thì sự thay đổi BER theo IT/N0 trong trường hợp Pm/N 0 = 35dB gần giống như trường hợp không có điều kiện công suất phát tối đa P m Lý do, khi tăng giá trị Pm/N 0 = 35 dB thì khi xét giá trị I T /N 0 nằm trong khoảng [0,20] thì công suất phát của CR user bằng IT/ h ˆ tP 2 và hầu nhƣ không phụ thuộc P m

 Do bị giới hạn về công suất phát nên tỷ lệ lỗi bit BER trong trường hợp có điều kiện công suất phát tối đa Pm lớn hơn trong trường hợp không có điều kiện công suất phát tối đa Pm

 Xét trường hợp Pm/N0 = 12 dB

 Khi I T /N 0 > 12 thì công suất phát của các CR user phụ thuộc vào giá trị Pm, công suất phát của các CR user là P m

 Khi 10 ≤ IT /N0 ≤ 12 thì công suất phát của CR user sẽ bằng min{ IT/N0, Pm} và công suất phá phụ thuộc vào sự suy hao kênh truyền, sai số do ƣớc lƣợng kênh truyền

Hình 6.11 minh họa sự thay đổi của Tỷ lệ lỗi bit (BER) theo tỷ số Công suất trung bình của tín hiệu nhận được trên công suất tiếng ồn đơn phương (P m /N 0 ) của mạng vô tuyến nhận thức nền trong điều kiện thông tin kênh truyền không đầy đủ, công suất được đảm bảo và tối ưu hóa.

Chương 6: Kết quả mô phỏng 75 HVTH: Trần Quốc Thái phép phát tối đa của CR user là Pm, chọn tỷ số IT/N0 = 10 [dB] và cố định trong suốt quá trình mô phỏng

Hình 6.11: BER theo P m /N 0 ( I T /N 0 = 10 dB) Nhận xét:

 Kết quả của quá trình phân tích tương thích với kết quả kiểm chứng mô phỏng theo lý thuyết

 Tỷ lệ lỗi bit BER giảm khi Pm/N0 tăng và Pm/N0 tăng đến một giá trị đủ lớn thì BER hầu nhƣ không thay đổi Lý do, khi tỷ số P m /N 0 nhỏ hơn nhiều so với I T /N 0 thì công suất đƣợc phép phát tối đa của các user mạng CR sẽ bằng P m nên nếu tăng P m thì công suất phát của các user sẽ tăng lên, BER sẽ giảm xuống Khi Pm/N0 lớn hơn nhiều so với I T /N 0 thì công suất phát tối đa của các user sẽ bằng I T / h ˆ tP 2 và hầu nhƣ không phụ thuộc vào Pm, BER hầu nhƣ không thay đổi khi Pm tiếp tục tăng

6.3.4 Mô phỏng BER theo số lƣợng pilot symbol

Hình 6.12 mô phỏng sự thay đổi của BER theo số lƣợng pilot symbol L p của mạng relay vô tuyến nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ ứng với P m /N 0 = 12 [dB] và I T /N 0 = 10 [dB]

Hình 6.12: Mô phỏng BER theo L p ( I T /N 0 = 10 dB; P m /N 0 = 12 dB)

Để quan sát rõ hơn sự thay đổi của BER theo Lp khi sử dụng phương pháp điều chế 2-QAM, hình 6.13 đã thể hiện chi tiết hơn mối quan hệ này Trong trường hợp IT/N0 = 10 [dB]; Pm/N0 = 12 [dB] và N = 3, BER thay đổi theo Lp được mô tả rõ ràng hơn.

Hình 6.13:BER theo L p (I T /N 0 = 10 dB;P m /N 0 = 12 dB;N = 3) Nhận xét:

 Kết quả quá trình phân tích tương thích với quá trình mô phỏng theo lý thuyết

 Cũng như trong trường hợp không có điều kiện công suất phát tối đa Pm, tỷ lệ lỗi bit BER tăng khi số lượng pilot symbols tăng Tuy nhiên sự ảnh hưởng của L p theo BER làrất ít nên trong trường hợp có điều kiện công suất phát tối đa Thông thường, chọn giá trị Lp = 4 nhằm đảm bảo BER thấp đồng thời đảm bảo tốc độ truyền dữ liệu và sự suy hao công suất môi trường ít

6.3.5 Mô phỏng BER theo hệ số suy hao trong không gian α

Mô phỏng xác suất công suất phát của các user mạng CR gây nhiễu cho mạng primary vƣợt quá ngƣỡng cho phép (Pr)

6.4.1 Mô phỏng Pr theo I T /N 0 trong trường hợp không có điều kiện P m

Hình 6.15 xác định xác suất công suất phát của người dùng mạng vượt quá ngưỡng cho phép Pr theo IT/N0 ứng với số hop mạng N = 2 và N = 3.

Pr P I  Pr  1 Pr Pr  1 Pr 1 Pr Pr

Hình 6.15: P r theo I T /N 0 ứng với số hop mạng (N = 2 và N = 3)

 Kết quả quá trình phân tích tương thích với quá trình mô phỏng theo lý thuyết

 Xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu vƣợt quá ngƣỡng cho phép giảm dần khi IT/N0 tăng Lý do, khi IT/N0 tăng thì sự sai lệch do ƣớc lƣợng kênh truyền εtr giảm Vì vậy, việc ƣớc lƣợng kênh truyền chính xác và công suất phát của CR user

Chương 6: Kết quả mô phỏng 80 HVTH: Trần Quốc Thái sẽ ít gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng cho phép Tuy nhiên, khi tăng IT/N0 đến giá trị đủ lớn thì xác suất Pr hầu nhƣ không thay đổi và khi đó xác suất gây nhiễu vƣợt quá ngƣỡng cho phép của kênh truyền thứ (t - r) là Prtr = 0.5

Khi tăng số hop, xác suất gây nhiễu vượt ngưỡng cho phép (Pr) cũng tăng Với tỷ số nhiễu nhiệt/tín hiệu đủ lớn (IT/N 0), xác suất gây nhiễu vượt ngưỡng là 0,75 cho trường hợp N = 2 và 0,875 cho trường hợp N = 3 Để tránh gây nhiễu cho mạng chính, cần giảm công suất phát của thiết bị người dùng nhị cấp (CR user) bằng hệ số điều khiển công suất back off (ρ) Công suất phát của CR user khi đó là Ps' = ρPs (với 0 ≤ ρ ≤ 1).

6.4.2 Mô phỏng Pr theo I T /N 0 và hệ số điều khiển công suất back-off ρ

Nhƣ đã phân tích trong phần 6.4.1, do xác suất công suất phát CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng cho phép khá lớn nên cần phải điều chỉnh giảm công suất phát của CR user thông qua hệ số điều khiển công suất back-off ρ Giá trị hệ số điều khiển công suất back-off nằm trong khoảng [0,1]

Hình 6.16, 6.17, 6.18 khảo sát sự thay đổi của Pr theo tỷ số I T /N 0 [dB] và hệ số công suất back-off ρ của mạng vô truyến nhận thức nền trong trường hợp không có điều kiện công suất phát tối đa Pm

Hình 6.16: P r theo I T /N 0 và hệ số điều khiển công suất back-off ρ (N = 2)

Hình 6.17: P r theo I T /N 0 và hệ số điều khiển công suất back-off ρ (N = 3)

Hình 6.18 sẽ mô phỏng sự thay đổi của Pr theo I T /N 0 ứng với hệ số điều khiển công suất back-off và số hop mạng khác nhau

Hình 6.18: P r theo I T /N 0 [dB] ứng với hệ số ρ, N khác nhau Nhận xét:

 Hệ số điều khiển công suất back-off ρ ảnh hưởng rất lớn đến xác suất vượt ngƣỡng cho phép xác suất vƣợt ngƣỡng Pr Xác suất vƣợt ngƣỡng giảm nhanh khi

Chương 6: Kết quả mô phỏng 82 HVTH: Trần Quốc Thái hệ số công suất back-off giảm và đồng thời xác suất vƣợt ngƣỡng cũng giảm theo sự tăng của tỷ số IT/N0

Để tối ưu hóa hiệu suất mạng, việc lựa chọn giá trị ρ phụ thuộc chặt chẽ vào tỷ số IT/N0 Chọn ρ quá nhỏ có thể làm giảm đáng kể công suất phát của các user mạng CR, dẫn đến tăng BER Tuy nhiên, khi tỷ số IT/N0 lớn, xác suất vượt ngưỡng Pr trong trường hợp ρ = 0,6 và ρ = 0,8 trở nên gần tương đương nhau và tương đối thấp, như minh họa trong Hình 6.18.

Vì vậy, để xác suất vƣợt ngƣỡng cho phép thấp, việc điều chỉnh hệ số công suất back-off ρ tùy thuộc vào độ lớn của tỷ số IT/N0 nhƣng cũng phải đảm bảo chất lƣợng mạng

6.4.3 Mô phỏng BER theo I T /N 0 ứng với trường hợp ρ khác nhau

Việc điều chỉnh giảm công suất phát của các user mạng CR sẽ ảnh hưởng đến chất lƣợng mạng Hình 6.19 và hình 6.20 sẽ mô phỏng sự thay đổi của tỷ số lỗi bit BER theo I T /N 0 [dB] ứng với các trường hợp hệ số điều khiển công suất back-off ρ khác nhau

Hình 6.19: BER theo I T /N 0 ứng với hệ số ρ, N thay đổi

Hình 6.20: BER theo I T /N 0 ứng với hệ số ρ và điều chế khác nhau (N = 3) Nhận xét:

 BER tăng khi hệ số điều khiển công suất back-off ρ giảm Theo phân tích ở trên thì để đảm bảo không gây nhiễu cho PU thì cần phải giảm công suất phát của CR user thông qua hệ số ρ Tuy nhiên, việc giảm công suất phát (bằng cách giảm ρ) sẽ làm cho chất lƣợng mạng kém đi, khi đó BER tăng Chính vì vậy, cần phải chọn lựa giá trị ρ sao cho tối ƣu nhất nhằm đảm bảo chất lƣợng mạng đồng thời xác suất vƣợt quá ngƣỡng cho phép thấp

 BER trong trường hợp sử dụng phương pháp điều chế 2-QAM thấp hơn sử dụng phương pháp điều chế 4-QAM Tính chất này đúng theo lý thuyết

6.4.4 Mô phỏng Pr theo I T /N 0 ứng với ρ thay đổi trong trường hợp có điều kiện công suất phát tối đa P m

Nghiên cứu này tập trung vào mối quan hệ giữa Pr và tỷ số IT/N0 [dB], cũng như hệ số điều khiển công suất back-off ρ trong mạng relay vô tuyến nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ Trong quá trình này, công suất phát của người dùng CR được giữ cố định ở mức Pm/N0 = 12 [dB].

Hình 6.23 sẽ mô phỏng sự thay đổi của tỷ lệ lỗi bit BER theo I T /N 0 [dB] ứng với hệ số điều khiển công suất back-off và số hop khác nhau của mạng relay vô tuyến nhận thức nền

Hình 6.23: P r theo I T /N 0 và ρ ( P m /N 0 = 12 dB ) Nhận xét:

 Xác suất vƣợt ngƣỡng cho phép Pr giảm nhanh khi hệ số công suất back-off ρ giảm và đồng thời Pr cũng giảm theo sự tăng của I T /N 0

 Xác suất Pr phụ thuộc vào giá trị thông số I T /N 0 , P m /N 0 và ρ Vì vậy cần phải chọn lựa giá trị ρ sao cho tối ƣu nhất Bởi vì, nếu ρ quá bé sẽ làm cho công suất phát của các CR user rất thấp, khi đó BER tăng và chất lƣợng mạng giảm Theo hình

Kết luận chung

Sau quá trình mô phỏng và phân tích ảnh hưởng của các thông số của mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ, có thể rút ra kết luận nhƣ sau:

 Sự kết hợp mạng vô tuyến nhận thức nền và kỹ thuật relay giải mã và chuyển tiếp giúp cải thiện chất lƣợng mạng, nâng cao vùng phủ sóng và khoảng cách truyền tín hiệu Số lượng và vị trí của relay ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mạng vì vậy cần phải có phương pháp lựa chọn relay sao cho tối ưu nhất

Tốc độ lỗi bit (BER) của mạng vô tuyến nhận thức cơ sở (CR) khi thiếu thông tin kênh cao hơn so với khi có đầy đủ thông tin kênh Nghiên cứu này đề xuất một mô hình ước tính kênh và sử dụng phương pháp ước lượng trung bình lỗi phương sai trung bình tối thiểu (LMMSE) để ước lượng kênh Mô hình và phương pháp ước lượng kênh đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng đường truyền Do đó, cần đánh giá thêm và so sánh với các phương pháp ước lượng khác để lựa chọn phương pháp ước lượng hiệu quả nhất.

 Các thông số IT/N0, Pm/N0, α, số lượng và vị trí của relay ảnh hưởng rất lớn đến chất lƣợng mạng CR nên cần phải lựa chọn các thông số {M, Lp, N, P m , số lƣợng và vị trí relay} sao cho tối ƣu nhất, việc lựa chọn các thông số trên sẽ phụ thuộc vào giá trị {α, I T } Việc lựa chọn hợp lý các thông số trên sẽ giúp nâng cao chất lƣợng mạng và đảm bảo không gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng gây nhiễu cho phép

 Xác suất công suất phát của các user mạng CR gây nhiễu cho PU vƣợt ngƣỡng cho phép là rất cao Để giải quyết vấn đề này thì cần phải giảm công suất phát của CR user thông qua hệ số điều khiển công suất back-off ρ Chọn lựa ρ sẽ tùy thuộc vào giá trị I T /N 0 , P m /N 0 Tùy theo điều kiện môi trường

Chương 6: Kết quả mô phỏng 92 HVTH: Trần Quốc Thái thực tế mà chọn lựa ρ, Pm sao cho hợp lý nhằm giảm xác suất gây nhiễu vƣợt ngƣỡng cho phép nhƣng đồng thời vẫn đảm bảo chất lƣợng của mạng relay vô tuyến nhận thức nền

Chương 7: Kết luận và hướng phát triển 93 HVTH: Trần Quốc Thái

Tiêu đề	Phân tích mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ
Tác giả	Trần Quốc Thái
Người hướng dẫn	TS. Hồ Văn Khương
Trường học	Đại học Quốc gia Tp. HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Điện tử
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2012
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	2,58 MB