NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ThS Nguyễn Xuân Tùng - Trường CĐ KT - KT Quảng Nam TS Nguyễn Lê Hùng - Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT: Sử dụng hợp lý có hiệu tài nguyên tần số vô tuyến ngày bị hạn chế toán khó cho nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến Thời gian gần có nhiều nhà nghiên cứu đưa số giải pháp nhằm cải thiện tình hình Mạng vô tuyến nhận thức giải pháp quan tâm nhiều nhất, nhằm khai thác triệt để nguồn tài nguyên vô tuyến đồng thời tăng số lượng người dùng nâng cao chất lượng truyền dẫn Bài báo phần đánh giá hiệu mạng vô tuyến nhận thức trình hoạt động song song với mạng (mạng cấp phép) Kết nghiên cứu cho thấy tần số rỗi người dùng mạng mạng vô tuyến nhận thức khai thác để cung cấp cho người dùng phụ Quá trình hoạt động người dùng phụ không gây nhiễu đến người dùng Vì chất lượng dịch vụ người dùng đảm bảo mở rộng dịch vụ cho người dùng phụ Từ khóa: Vô tuyến nhận thức, vô tuyến thông minh, ước lượng kênh truyền, SDR ĐẶT VẤN ĐỀ Trong xã hội thông tin di động đóng vai trò lớn tính mềm dẻo linh hoạt Vì vậy, nhu cầu sử dụng hệ thống thông tin di động chiếm dụng tài nguyên vô tuyến ngày cao Tuy nhiên tài nguyên vô tuyến nói chung tài nguyên tần số nói riêng ngày bị hạn chế Vấn đề nhà mạng tìm giải pháp nhằm nâng cao tính hiệu việc sử dụng tần số vô tuyến cấp phép mặt khác mở rộng phạm vi sử dụng nâng cao chất lượng thông tin vô tuyến Hệ thống vô tuyến nhận thức hệ thống mà phần tử có khả thay đổi tham số (công suất, tần số) sở tương tác với môi trường hoạt động Mục đích vô tuyến nhận thức cho phép thiết bị vô tuyến khác hoạt động dải tần trống tạm thời mà không gây nhiễu đến hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hoạt động dải tần Trong ước lượng kênh truyền chủ đề quan tâm hệ thống thông tin vô tuyến Việc ước lượng kênh truyền xác giúp cho nhà mạng chủ động việc cung cấp dịch vụ vô tuyến với chất lượng cao TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC [3] Mạng vô tuyến có số phần phổ vô tuyến cấp phép cho mục đích khác số băng tần chưa cấp phép Các thành phần kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức Hình Thông tin KHOA HỌC - GIÁO DỤC - số 1/2015 15 Hình Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức phân thành hai nhóm mạng mạng phụ * Mạng chính: Mạng có quyền truy nhập tới vài băng phổ định Các thành phần mạng bao gồm: - Người dùng chính: Người dùng (hay người dùng cấp phép) có giấy phép để hoạt động băng phổ định - Trạm gốc chính: Trạm gốc (hay trạm gốc cấp phép) thành phần sở hạ tầng mạng cố định, có giấy phép phổ, BTS mạng tổ ong * Mạng phụ: Mạng phụ (mạng truy nhập phổ tần động, mạng thứ cấp, mạng không cấp phép) giấy phép để hoạt động băng tần mong muốn Mạng phụ gồm thành phần sau: - Người dùng phụ: Người dùng phụ ( người dùng không cấp phép, người dùng thứ cấp) giấy phép sử dụng phổ Do đó, cần có chức cộng thêm để chia sẻ băng phổ cấp phép - Trạm gốc phụ: Trạm gốc phụ (hay trạm gốc xG, trạm gốc không cấp phép, trạm gốc thứ cấp) thành phần sở hạ tầng cố định * Bộ phân chia phổ: Bộ phân chia 16 phổ (hay server lập lịch) phận mạng trung tâm đóng vai trò việc chia sẻ tài nguyên phổ tần người dùng phụ KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG 3.1 Kỹ thuật ước lượng kênh ML [1], [2], [4] Tín hiệu ước lượng xˆ ML biểu diễn hàm sau: xˆ ML =(HT.H)-1.HT.y Trong đó: H: Hàm kênh hệ thống HT: Ma trận chuyển vị ma trận H xˆ ML : Tín hiệu thu theo kỹ thuật ước lượng ML y: Tín hiệu thu 3.2 Kỹ thuật ước lượng kênh MAP[1], [2], [4] Tín hiệu ước lượng xˆMAP biểu diễn hàm sau: xˆMAP =(HT.H+ I -1 T ) H y N0 Trong : H: Hàm kênh hệ thống HT: Ma trận chuyển vị ma trận H xˆMAP : Tín hiệu thu theo kỹ thuật ước lượng MAP y : Tín hiệu thu I: Ma trận đường chéo đơn vị N0: Công suất nhiễu ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Đối với mạng vô tuyến nhận thức có tồn song song mạng mạng (mạng truyền thống) mạng phụ nên việc ước lượng kênh truyền trở nên khó khăn Tiến trình ước lượng xảy đồng thời mạng phụ mạng TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ - KỸ THUẬT QUẢNG NAM 4.1 Ước lượng cho mạng Tín hiệu thu mạng gồm tín hiệu phát từ mạng chính, tín hiệu phát từ mạng phụ nhiễu nhiệt gây tác động xấu đến tín hiệu thu mạng Tuy nhiên gây nhiễu mạng phụ mạng phải nhỏ ngưỡng gama ( γ ) cho phép Vì thực tế mạng mạng mà người dùng trả phí cho việc sử dụng dịch vụ mình, mạng phụ mạng mà người dùng phụ sử dụng miễn phí nên chất lượng dịch vụ người dùng phụ không vượt giới hạn làm ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ người dùng Hay nói khác gama ( γ ) mức độ ưu tiên mạng Giá trị gama ( γ ) lớn hay nhỏ phản ánh mức độ trả phí người dùng hay nhiều Nếu người dùng trả phí đồng nghĩa với giá trị gama lớn chất lượng dịch vụ giảm Nhưng giá trị gama = lúc mức độ ưu tiên mạng tuyệt đối dẫn đến mạng phụ không tồn Trường hợp mạng vô tuyến nhận thức mà trở Trong đó: y : Tín hiệu thu mạng S : Tín hiệu phát mạng h : Đáp ứng kênh từ máy phát đến người dùng η : Nhiễu nhiệt S : Tín hiệu phát mạng phụ h : Đáp ứng kênh từ máy phát phụ đến người dùng 4.2 Ước lượng cho mạng phụ Tín hiệu thu mạng phụ có tác động mạng y = h 21 S + (η + h 12 S ) Trong đó: y : Tín hiệu thu mạng phụ S : Tín hiệu phát mạng phụ h 21 : đáp ứng kênh từ máy phát phụ đến người dùng phụ η : Nhiễu nhiệt S : Tín hiệu phát mạng h 12 : Đáp ứng kênh từ máy phát đến người dùng phụ Trong trường hợp ta thực tính toán ước lượng thông số đáp ứng kênh truyền h 21 đại lượng h 12 ta xem biến ngẫu nhiên Vậy ta xem tổng (η + h 12 S ) nguồn nhiễu tác động đến mạng phụ Hình Mô hình truyền dẫn mạng vô tuyến nhận thức (1x1) mạng truyền thống Tín hiệu thu mạng có tác động mạng phụ : y = h S + (η + h S ) Hình Mô hình khoảng cách mạng mạng phụ Thông tin KHOA HỌC - GIÁO DỤC - số 1/2015 17 Công thức ước lượng theo khoảng 2 h = α= d ho Trong đó: α : bình phương tỷ số khoảng cách từ mạng đến mạng phụ với khoảng cách từ máy phát phụ đến người dùng phụ d: Khoảng cách từ mạng đến mạng phụ d o : Khoảng cách từ máy phát phụ đến người dùng phụ h: Đáp ứng kênh truyền từ máy phát đến người dùng phụ h o : Đáp ứng kênh truyền từ máy phát phụ đến người dùng phụ THUẬT TOÁN MÔ PHỎNG ML, MAP KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 6.1 Mạng 6.1.1 Mô BER theo SNR cho thuật toán ML 10 10 Bit error rate (BER) cách: 10 10 10 Mo phong B E R theo S NR c ho thuat toan uoc luong ML -1 -2 W ireles s W ireles s W ireles s W ireles s -3 trans mis s ion trans mis s ion trans mis s ion trans mis s ion without C S I gama=0 without C S I gama=0 05 with C S I gama=0 with C S I gama=0 05 -4 10 12 S NR (dB ) 14 16 18 20 Hình Kết mô BER theo SNR cho thuật toán ML Nhận xét: Với giá trị SNR, giá trị gama lớn tỷ lệ lỗi bit cao Điều cho thấy gama lớn mức độ ưu tiên người mạng thấp gây nhiễu mạng phụ đến mạng cao Khi tỷ số SNR tăng lên tỷ lệ lỗi bit BER giảm, điều cho thấy công suất tín hiệu lớn so với công suất tín hiệu nhiễu chất lượng truyền dẫn nâng lên 6.1.2 Mô BER theo SNR cho thuật toán MAP 10 Bit error rate (BER) 10 10 10 10 Mo phong B E R theo S NR cho thuat toan uoc luong MAP -1 -2 -3 W ireles s W ireles s W ireles s W ireles s trans mis s ion trans mis s ion trans mis s ion trans mis s ion without C S I gama=0 without C S I gama=0 05 with C S I gama=0 with C S I gama=0 05 -4 10 15 S NR (dB ) Hình Kết mô BER theo SNR cho thuật toán MAP 18 TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ - KỸ THUẬT QUẢNG NAM 10 Bit error rate (BER) 10 10 10 10 Mo phong B E R theo G AMA c ho thuat toan uoc luong ML -1 -2 -3 B E R G AMA without C S I B E R G AMA with C S I -4 0 05 15 25 G AMA 35 45 Hình Kết mô BER theo gama ( γ ) cho thuật toán ML Nhận xét: Khi gama có giá trị nhỏ chất lượng truyền dẫn tốt, tín hiệu thu mạng bị gây nhiễu tín hiệu phát mạng phụ Gama lúc không tồn mạng vô tuyến nhận thức mà trở thành mạng vô tuyến truyền thống Khi gama bắt đầu tăng dần tín hiệu thu mạng bị tác động gây nhiễu mạng phụ lớn 6.1.4 So sánh mô BER theo gama ( γ ) cho ML MAP 10 Mo phong B E R theo G AMA cho thuat toan uoc luong ML, MAP -1 Bit error rate (BER) B E R G AMA with ML B E R G AMA with MAP 10 10 -2 -3 0 05 15 25 G AMA Hình So sánh kết mô BER theo gama ( γ ) cho ML MAP Nhận xét: Theo kết mô (Hình 7) gama có giá trị nhỏ thể tỷ lệ BER ML lớn MAP Điều cho thấy thuật toán ước lượng MAP có ưu so với thuật toán ước lượng ML Khi giá trị gama tăng lên tỷ lệ BER hai thuật toán Vậy gama có giá trị nhỏ nên sử dụng thuật toán MAP để ước lượng, gama có giá trị lớn dùng ML để giảm độ phức tạp cho hệ thống 6.2 Mạng phụ 6.2.1 Mô BER theo SNR cho thuật toán ML 10 Bit error rate (BER) Nhận xét : Kết mô Hình cho thấy BER thuật toán MAP cải thiện so với ML (Hình 4), nên thuật toán MAP tốt ML.Tuy nhiên, độ phức tạp hẳn ML 6.1.3 Mô BER theo gama ( γ ) cho thuật toán ML 10 10 Mo phong B E R theo S NR c ho thuat toan uoc luong MAP -1 -2 W ireles s W ireles s W ireles s W ireles s -3 trans mis s ion trans mis s ion trans mis s ion trans mis s ion without C S I anpha=0 001 without C S I anpha=0 01 with C S I anpha=0 01 with C S I anpha=0 001 10 12 S NR (dB ) 14 16 18 20 Hình Kết mô BER theo SNR cho thuật toán ML Nhận xét: Trên hình mô ta thấy SNR nhỏ tỷ lệ BER không phụ thuộc vào anpha Khi SNR tăng lên giá trị SNR anpha lớn tỷ lệ BER cao Điều cho thấy khoảng cách từ mạng đến mạng phụ lớn so với khoảng cách từ maý phát phụ đến người dùng phụ chất lượng đường truyên giảm 6.2.2 Kết mô BER theo SNR cho thuật toán MAP Thông tin KHOA HỌC - GIÁO DỤC - số 1/2015 19 10 Bit error rate (BER) 10 10 10 Mo phong B E R theo S NR cho thuat toan uoc luong ML -1 -2 W ireles s W ireles s W ireles s W ireles s -3 trans mis s ion without C S I anpha=0 001 trans mis s ion without C S I anpha=0 01 trans mis s ion with C S I anpha=0 01 trans mis s ion with C S I anpha=0 001 10 12 S NR (dB ) 14 16 18 20 Hình 10 Kết mô BER theo SNR cho thuật toán MAP Nhận xét: Theo kết mô (Hình 10) BER thuật toán MAP cải thiện so với ML Điều chứng tỏ biết thông tin trạng thái kênh truyền chất lượng truyền dẫn thông tin mạng vô tuyến tốt nhiều so với thông tin trạng thái kênh truyền Bên cạnh đó, BER thuật toán MAP cải thiện so với ML cho ta thấy thuật toán MAP tốt ML Tuy nhiên, độ phức tạp hẳn ML Đây hạn chế thuật toán MAP 6.2.3 Mô BER theo anpha ( α ) so sánh thuật toán ML MAP Mo phong B E R theo ANP HA c ho thuat toan uoc luong ML, MAP 10 Bit error rate (BER) 10 10 10 10 10 10 B E R ANP HA with ML B E R ANP HA with MAP -3 85 -3 87 -3 89 -3 91 -3 93 -3 95 -3 97 0 05 15 ANP HA 25 35 Hình 11 Kết mô BER theo anpha( α ) so sánh thuật toán ML MAP Nhận xét: Khi anpha có giá trị nhỏ tỷ lệ 20 BER hai thuật toán ước lượng ML MAP Khi anpha bắt đầu tăng lên có chênh lệch hai thuật toán ML MAP tỷ lệ BER Điều cho thấy chất lượng truyền dẫn giảm dần theo chiều tăng anpha KẾT LUẬN Trên sở phân tích kết mô nêu trên, rút số kết luận sau: + Có thể dùng mạng vô tuyến nhận thức hoạt động song song với mạng + Việc sử dụng mạng vô tuyến nhận thức nhằm mở rộng phạm vi sử dụng cho người dùng phụ + Người dùng phụ mạng vô tuyến nhận thức không gây nhiễu đến chất lượng dịch vụ người dùng mạng + Có thể làm sở cho phát triển mạng 5G tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] H Bolcskei and A.J.Paulraj (2002), Multiple- input-multiple-output(MIMO) wireless system, CRC Press, 2nd ed [2] Nguyễn Lê Hùng, Lê Ngọc Thọ (2010), “Pilot – Aided joint CFO and doubly – selective channel estimation for OFDM transmissions”, IEEE transactions on broadcasting, 56(4), pp 514-522 [3] I F Akyildiz, W Y Lee, M.C Vuran and S Mohanty (2006) , "NeXt Generation /Dynamic Spectrum Access/Cognitive Radio Wireless Networks: A Survey," Computer Networks Journal (Elsevier), Vol 50, pp 2127-2159 [4] R Deepa, K Baskaran (2011), “ Joint Bit and Subcarrier Power allocation with V-BLAST/MAP/MMSE for MIMO OFDM system”, European Journal of Scientific Research, 57(3), pp.502-513 TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ - KỸ THUẬT QUẢNG NAM