Phát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thức (Luận án tiến sĩ)

Phát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thứcPhát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - NGUYỄN VIẾT TUYẾN PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP CẢM BIẾN PHỔ CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : 52 02 03 HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN VIẾT TUYẾN PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP CẢM BIẾN PHỔ CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số : 52 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS VÕ KIM TS NGUYỄN HẢI DƯƠNG HÀ NỘI - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu hướng dẫn cán hướng dẫn Các số liệu, kết trình bày luận án hoàn toàn trung thực, phần cơng bố tạp chí khoa học chuyên ngành, kỷ yếu hội nghị khoa học nước quốc tế Phần lại chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu Các kết sử dụng tham khảo trích đầy đủ theo quy định Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2018 NGHIÊN CỨU SINH Nguyễn Viết Tuyến LỜI CẢM ƠN Trong q trình nghiên cứu hồn thành luận án này, tác giả nhận nhiều giúp đỡ đóng góp quý báu Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Võ Kim, TS Nguyễn Hải Dương tận tình hướng dẫn giúp đỡ tác giả trình nghiên cứu Xin trân trọng cảm ơn TS Hồng Mạnh Kha có góp ý quan trọng trình thực luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ môn Xung số - Vi xử lý Khoa Vơ tuyến Điện tử, Phòng Sau Đại học Học viện Kỹ thuật Quân tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin cảm Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, đơn vị chủ quản, tạo điều kiện cho phép tác giả tham gia nghiên cứu năm làm nghiên cứu sinh Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua khó khăn để đạt kết nghiên cứu ngày hôm Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2018 NGHIÊN CỨU SINH Nguyễn Viết Tuyến i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỀU, LƯỢC ĐỒ vii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC viii MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1.Giới thiệu 1.2.Vô tuyến nhận thức 1.3.Các kỹ thuật cảm biến phổ 12 1.4.Cảm biến phổ hợp tác 17 1.5.Kỹ thuật ước lượng tham số 23 1.6.Thuật toán tối ưu 25 1.7.Mơ hình Markov ẩn 29 1.8.Tóm tắt chương 31 Chương 2: NÂNG CAO HIỆU QUẢ KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ TẠI NÚT RIÊNG LẺ 33 2.1.Giới thiệu 33 2.2.Mơ hình hệ thống CED 35 2.3.Đề xuất hệ thống ED-EM 39 ii 2.4.Đề xuất ước lượng công suất nhiễu dùng EM kết hợp với GA xác định ngưỡng tối ưu 45 2.5.Đề xuất sử dụng mơ hình HMM để xác định trạng thái kênh 52 2.6.Tóm tắt chương 61 Chương 3: XÁC ĐỊNH BỘ TRỌNG SỐ TỐI ƯU TRONG CẢM BIẾN PHỔ HỢP TÁC QUYẾT ĐỊNH MỀM 63 3.1.Giới thiệu 63 3.2.Mơ hình hệ thống CSS-SDF 64 3.3.Đề xuất hệ thống CSS- SDF dùng GA (GA-SDF) kết hợp với ước lượng công suất nhiễu dùng EM (EMGA-SDF) 66 3.4.Đề xuất hệ thống CSS- SDF dùng thuật tốn đàn dơi (BA-SDF) 73 3.5.Tóm tắt chương 82 KẾT LUẬN 83 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết Nghĩa tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt ABA Adaptive Bat Algorithm Thuật tốn đàn dơi thích nghi ADC Analog Digital Converter Bộ biến đổi tương tự - số AF Amplify and Forward Khuếch đại chuyển tiếp AWGN Additive White Gauss Noise Tạp âm Gauss trắng cộng tính BA Bat Algorithm Thuật tốn đàn dơi BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CED Conventional Energy Kỹ thuật phát lượng Detection truyền thống Cyclostationary Feature Phát đặc tính dừng Detection tín hiệu CP Cyclic Prefix Tiếp đầu tuần hoàn CRN Cognitve Radio Netwok Mạng vô tuyến nhận thức CFAR Constant False Alarm Rate Xác suất phát nhầm tắt CFD không đổi CDR Constant Detection Rate Xác suất phát không đổi CSS Cooperative Spectrum Cảm biến phổ hợp tác Sensing DSA Dynamic Spectrum Access Truy cập phổ động ED Energy Detection Phát lượng EGC Equal Gain Combining Kết hợp đồng độ lợi iv EM Expectation Maximization Cực đại hóa kì vọng FC Fussion Center Nút định FSA Fixed Spectrum Allocation Phân bố phổ tần cố định GA Genetic Algorithm Thuật toán di truyền HDF Hard Decision Fusion Quyết định cứng HMM Hidden Markov Model Mơ hình Markov ẩn HOS High Order Statistic Thống kê bậc cao MF Matched Filter Bộ lọc kết hợp ML Maximum Likelihood Hợp lý cực đại MRC Maximal Ratio Combination Kết hợp với tỉ lệ cực đại PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PSD Power Spectral Density Mật độ phổ cơng suất PU Primary User Người dùng ROC Receiver Operating Đường cong đặc tính nhận Characteristic Received Signal Strength Chỉ số cường độ tín hiệu nhận Index SCD Spectral Correlation Density Mật độ phổ tương quan SDF Soft Decision Fusion Quyết định mềm SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa mềm SS Spectrum Sensing Cảm biến phổ SU Secondary User Người dùng thứ cấp Wi-Fi Wireless Fidelity Mạng cục vô tuyến RSSI v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hố phổ truy cập phổ động Hình 1.2 Phân loại kỹ thuật cảm biến phổ 14 Hình 1.3 Năng lượng thu SU, tín hiệu PU BPSK, kênh Gauss, N=15, SNR=2dB 14 Hình 1.4 Phân loại cảm biến phổ hợp tác 19 Hình 1.5 Mơ hình Markov ẩn 30 Hình 2.1 Sơ đồ khối CED 36 Hình 2.2 Quan hệ Pf , σ n2 λ 39 Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống đề xuất ED-EM 39 Hình 2.4 PDF liệu phân bố Gauss 40 (a): Dữ liệu đầy đủ, (b): Dữ liệu bị cắt 40 Hình 2.5 Ngưỡng định công suất nhiễu thay đổi với Pf =0,1 43 Hình 2.6 Ngưỡng định ngưỡng cắt thay đổi 44 Hình 2.7 Xác suất phát Pd ngưỡng cắt Tc = 60, σ n2 = 0,8 44 Hình 2.8 Sơ đồ khối đề xuất ED-EMGA 46 Hình 2.9 Lưu đồ thuật tốn ED-GA 48 Hình 2.10 Tốc độ hội tụ hàm mục tiêu dùng GA, SNR = -20dB 49 Hình 2.11 Ngưỡng tối ưu SNR = [-25,0] dB, α = 10%, 50%, 90% 50 Hình 2.12 Xác suất phát Pd , α = 50% 51 Hình 2.13 Xác suất lỗi phát Pe , α = 50% 51 Hình 2.14 Sự đánh đổi Pm Pf 52 vi Hình 2.15 Mơ tả dự đốn trạng thái kênh 53 Hình 2.16 Mơ hình HMM trạng thái kênh PU 54 Hình 2.17 Histogram xt 55 Hình 2.18 Histogram st trường hợp H0 58 Hình 2.19 Histogram st trường hợp H1 58 Hình 2.20 Histogram xt trường hợp H0 59 Hình 2.21 Histogram xt trường hợp H1 59 Hình 2.22 PA với SNR=-5dB 60 Hình 2.23 PA SNR thay đổi 60 Hình 2.24 Xác suất phát Pd sử dụng HMM 61 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống CSS – SDF 64 Hình 3.2 Mơ hình hệ thống đề xuất EMGA – SDF 67 Hình 3.3 Lưu đồ thuật tốn GA – SDF 68 Hình 3.4 Toán tử lai ghép 69 Hình 3.5 ROC hệ thống GA-SDF với số SU khác 71 Hình 3.6 So sánh hệ thống EMGA – SDF GA-SDF 72 Hình 3.7 Lưu đồ thuật tốn BA- SDF 75 Hình 3.8 ROC GA-SDF BA-SDF với 1000 vòng lặp 77 Hình 3.9 Tốc độ hội tụ BA-SDF GA-SDF 77 Hình 3.10 So sánh ROC BA-SDF GA-SDF 78 Hình 3.11 ROC BA-SDF với số lượng SU thay đổi 79 Hình 3.12 Quan hệ ψ số lượng SU 81 Hình 3.13 So sánh tốc độ hội tụ ABA-SDF BA-SDF 82 ... QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN VIẾT TUYẾN PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP CẢM BIẾN PHỔ CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số :... MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC viii MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1.Giới thiệu 1.2 .Vô tuyến nhận thức ... tuyến nhận thức 1.3.Các kỹ thuật cảm biến phổ 12 1.4 .Cảm biến phổ hợp tác 17 1.5.Kỹ thuật ước lượng tham số 23 1.6.Thuật toán tối ưu 25 1.7.Mơ hình Markov