Về truyền thông kết hợp trong môi trường vô tuyến nhận thức cải thiện và đánh giá hiệu năng mạng thứ cấp (tt)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ************************** NGUYỄN VĂN CHÍNH IT VỀ TRUYỀN THÔNG KẾT HỢP TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC: CẢI THIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG THỨ CẤP Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông PT Mã số: 62.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo TS Nguyễn Lương Nhật Phản biện 1: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn IT Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Ngọc San Phản biện 3: GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến PT Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tại: Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, Vào lúc: 09 giờ, ngày 11 tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Thư viện Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng MỞ ĐẦU PT IT Công nghệ vô tuyến nhận thức (cognitive radio - CR) đời giúp cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần cho phép dịch vụ vơ tuyến sử dụng chung dải phổ Bên cạnh vô tuyến nhận thức, truyền thông đa chặng cho phép hệ thống mở rộng vùng phủ sóng cải thiện chất lượng tín hiệu vùng phủ sóng Tuy nhiên, nhược điểm truyền thơng đa chặng hiệu suất sử dụng phổ tần thấp Để giải vấn đề này, công nghệ vô tuyến nhận thức lựa chọn tốt Phương thức truyền dạng có ưu điểm cho phép mạng sơ cấp mạng thứ cấp đồng thời truyền nhận liệu miễn can nhiễu mạng thứ cấp không lớn mức chịu đựng máy thu sơ cấp Để thực điều này, máy phát thứ cấp thường phải điều chỉnh công suất phụ thuộc vào độ lợi kênh truyền can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến máy thu sơ cấp dẫn đến vùng phủ sóng mạng thứ cấp thường giới hạn việc đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS hệ thống thứ cấp vấn đề thử thách Luận án định hướng giải toán nâng cao hiệu mạng thứ cấp đảm bảo mức can nhiễu cho mạng sơ cấp cách sử dụng kỹ thuật tiên tiến lớp vật lý như: truyền chuyển tiếp, truyền hợp tác, truyền thích nghi mã hóa khơng gian MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng mơ hình mạng truyền thơng kết hợp chuyển tiếp hiệu cho mạng thứ cấp: đảm bảo QoS mở rộng vùng phủ sóng Đề xuất phương pháp cho phép phân tích hiệu mơ hình mạng đề xuất Áp dụng kỹ thuật cải thiện hiệu lớp vật lý: mã khơng gian thời gian, truyền thích nghi để cải thiện hiệu mạng thứ cấp đảm bảo thông tin mạng sơ cấp Đối tượng nghiên cứu Các kỹ thuật kết hợp: selection combining maximal-ratio combining; Các kỹ thuật truyền thích nghi giảm ảnh hưởng can nhiễu lên hệ thống sơ cấp; Kênh truyền fading: Rayleigh; Các mơ hình truyền thơng hợp tác: truyền lựa chọn, truyền lặp lại, truyền gia tăng; Các giao thức xử lý tín hiệu nút chuyển tiếp: amplify-and-forward, decode-and-forward, coded cooperation; Các kỹ thuật chọn nút chuyển tiếp mạng truyền thông hợp tác; Kỹ thuật truyền đa chặng sử dụng công nghệ MIMO PT IT Phạm vi nghiên cứu: Thông tin vô tuyến, mạng truyền thông kết hợp kỹ thuật vô tuyến nhận thức Nhiệm vụ nghiên cứu Để nâng cao hiệu năng, mở rộng vùng phủ sóng chất lượng dịch vụ QoS mạng thứ cấp (Mạng Cognitive radio) mà không ảnh hưởng đến chất lượng mạng sơ cấp; NCS phải thực nhiệm vụ sau: Một đề xuất mơ hình truyền thơng kết hợp sử dụng nhiều nút chuyển tiếp, chọn nút chuyển tiếp AF tốt dạng Trong xem xét điều kiện sau: * Xem xét đến kênh can nhiễu từ nút nguồn nút chuyển tiếp đến nút thu sơ cấp * Xem xét kênh truyền Pha đinh rayleigh độc lập, không đồng * Xem xét đến kênh truyền trực tiếp từ nguồn đến đích kỹ thuật kết hợp nút đích Hai đề xuất mơ hình chuyển tiếp đa chặng tiến hành tối ưu vị trí nút chuyển tiếp DF dạng Trong xem xét điều kiện sau: * Xem xét công suất chịu đựng can nhiễu tối đa máy thu sơ cấp * Xem xét công suất phát tối đa máy phát thứ cấp Ba ứng dụng mã hóa không gian thời gian Alamouti vào mạng vô tuyến nhận thức dạng trường hợp chặng nhiều chặng Trong xem xét điều kiện sau: * Xem xét công suất chịu đựng can nhiễu tối đa máy thu sơ cấp * Xem xét kênh can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến máy thu sơ cấp Bốn ứng dụng điều chế thích nghi môi trường vô tuyến nhận thức dạng Xây dựng giải toán tối ưu hiệu suất phổ tần, kết biểu diễn dạng đóng cho kênh truyền fading Rayleigh xem xét điều kiện kênh can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến máy thu sơ cấp Cấu trúc luận án Chương 1: Giới thiệu vô tuyến nhận thức truyền thông kết hợp Chương 2: Đề xuất đánh giá hiệu mơ hình truyền thơng kết hợp hiệu môi trường vô tuyến nhận thức dạng Chương 3: Đánh giá hiệu mã hóa khơng gian thời gian Alamouti môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền: chặng nhiều chặng Chương 4: Điều chế thích nghi mơi trường vơ tuyến nhận thức dạng nền: Tối ưu hiệu suất phổ tần CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VÀ TRUYỀN THƠNG KẾT HỢP Tóm tắt: Chương giới thiệu kiến thức liên quan đến luận án khái niệm vô tuyến nhận thức, truyền thông kết hợp (MIMO ảo) truyền thông kết hợp môi trường vô tuyến nhận thực Mối quan hệ vô tuyến nhận thức với vô tuyến thông minh, kiến trúc vật lý vàchức vô tuyến nhận thức Phân tích mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức 1.1 GIỚI THIỆU Chương trình bày tổng quan vấn đề vô tuyến nhận thức, truyền thông kết hợp kết hợp truyền thông kết hợp với vô tuyến nhận thức Phần cuối chương rút số nhận xét đề xuất hướng nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần mà đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS 1.2 VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Sự cần thiết đời vô tuyến nhận thức IT 1.2.1 1.2.2 PT Do nhu cầu thiết đặt viễn thông giới cho đời hệ thống vô tuyến nhận thức có khả sử dụng khoảng trắng dải tần số Sự xuất vô tuyến nhận thức cho phép giải khó khăn việc sử dụng hiệu tài nguyên tần số vô tuyến Khái niệm vô tuyến nhận thức Theo IEEE: “Vô tuyến nhận thức hệ thống phát/nhận tần số vô tuyến mà thiết kế để thông minh phát khoảng phổ sử dụng hay không, nhảy (hoặc thoát khỏi cần thiết) nhanh qua khoảng phổ tạm thời không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho hệ thống cấp phép khác 1.2.3 Mối quan hệ vô tuyến thông minh (Software Defined Radio) vô tuyến nhận thức Vô tuyến nhận thức cần dựa vô tuyến thông minh để phát triển Hay nói cách khác, vơ tuyến thơng minh cơng nghệ lõi vơ tuyến nhận thức 1.2.4 Kiến trúc vật lý vô tuyến nhận thức Bộ phận hệ thống thu phát vơ tuyến nhận thức gồm hai phần phần cao tần (RF font end), phần xử lý băng gốc (baseband processing unit) 1.2.5 Chức vô tuyến nhận thức Hệ thống vơ tuyến nhận thức có bốn chức chính, là: Cảm biến phổ, Phân tích quản lý phổ, Quản lý phổ chia sẻ phổ 1.2.6 Mô hình mạng vơ tuyến nhận thức 1.2.6.1 Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức dạng (underlay) Trong mơ hình vô tuyến nhận thức dạng nền, mạng thứ cấp mạng sơ cấp hoạt động tần số máy phát thứ cấp phải điều chỉnh cơng suất phát cho công suất can nhiễu nhận máy thu sơ cấp phải nhỏ ngưỡng quy định trước, I p 1.2.6.2 Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức dạng chồng chập (overlay) Trong mơ hình này, mạng sơ cấp thứ cấp hoạt động băng tần với giả định hai mạng phải trao đổi thông tin hợp tác lẫn để loại bỏ/trách can nhiễu hai mạng kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp Mơ hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen (interweave) IT 1.2.6.3 Mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng đan xen mơ hình hệ thống thứ cấp phải dừng truyền hệ thống sơ cấp truyền phát trở lại hạn chế gây can nhiễu cho hệ thống sơ cấp Cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức PT 1.2.7 Mạng vô tuyến nhận thức tồn hai dạng có cấu trúc khơng có cấu trúc Với dạng có cấu trúc, phần tử mạng giao tiếp với thông qua trạm gốc (hoặc nút chủ) tần số quyền tần số không quyền Trong mơ hình mạng, có phần tử quản lý phổ (Spectrum broker), giúp trao đổi thông tin tần số (lỗ phổ) hệ thống vô tuyến nhận thức Với dạng khơng có cấu trúc (ad-hoc networks), phần tử mạng kết nối với thông qua kết nối ad-hoc Mơ hình mạng khơng có cấu trúc thường sử dụng mạng cảm biến, thu thập thông tin 1.3 MƠ HÌNH KÊNH CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG TRỰC TIẾP 1.3.1 Mơ hình S D Hình 1.8: Mơ hình kênh hệ thống truyền thơng trực tiếp 1.3.2 Các kỹ thuật phân tập sử dụng mạng vô tuyến nhận thức 1.3.2.1 Các phương pháp tổ hợp phân tập Cho đến nay, kỹ thuật phân tập chia làm bốn loại bản:  Kết hợp lựa chọn (Selection Combining)  Kết hợp chuyển mạch (Switching Combining)  Kết hợp độ lợi cân (Equal-Gain Combining)  Kết hợp tỉ số cực đại (Maximal Ratio Combining) 1.3.3 Kỹ thuật MIMO (Multi-Input Multi Output) 1.3.3.1 Khái niệm MIMO Định nghĩa: MIMO công nghệ truyền thông khơng dây, máy phát máy thu sử dụng nhiều anten 1.3.3.2 Ưu nhược điểm kỹ thuật MIMO IT Việc sử dụng nhiều anten hệ thống MIMO cho phép: i) cải thiện hiệu dạng độ lợi phân tập hệ thống ii) nâng cao dung lượng hệ thống (truyền nhiều luồng liệu) 1.4 TRUYỀN THƠNG KẾT HỢP Truyền thơng chuyển tiếp PT 1.4.1 Hình 1.10 Mơ hình hệ thống truyền thông chuyển tiếp đa chặng 1.4.2 Kỹ thuật MIMO ảo (Hay cịn gọi truyền thơng kết hợp) 1.4.2.1 Lý đời MIMO ảo Cơng nghệ MIMO khó áp dụng thiết bị di động cầm tay mạng cảm biến không dây với lượng lực tính tốn giới hạn 1.4.2.2 Khái niệm MIMO ảo Hệ thống cho phép đầu cuối di động sử dụng anten môi trường đa người dùng, chia sẻ sử dụng chung anten với nhau, tạo phát gồm nhiều anten ảo để đạt phân tập không gian hệ thống MIMO Hệ thống gọi truyền thông kết hợp hệ thống MIMO ảo 1.4.2.3 Mơ hình hệ thống Hình 1.11 Mơ hình hệ thống truyền thơng kết hợp Mơ hình hệ thống truyền thơng hợp tác bao gồm nút nguồn (S), nút chuyển tiếp (R) nút đích (D) 1.4.2.4 Một số kỹ thuật xử lí tín hiệu truyền thơng kết hợp 1.4.2.5 IT Khuếch đại chuyển tiếp Giải mã chuyển tiếp So sánh kỹ thuật chuyển tiếp AF DF PT Về mặt kỹ thuật, kiểu AF đơn giản địi hỏi nút chuyển tiếp có nhiều nhớ để lưu trữ mẫu tín hiệu thu trước khuếch đại chuyển tiếp Trong đó, kiểu DF lại có ưu điểm thích hợp cho hệ thống số có sử dụng mã hóa 1.5 TRUYỀN THƠNG KẾT HỢP TRONG MƠI TRƯỜNG VƠ TUYẾN NHẬN THỨC 1.5.1 Phân tích ưu nhược điểm truyền thông kết hợp * Ưu điểm: Cải thiện độ lợi phân tập (hiệu năng) cho hệ thống đơn anten; Mở rộng vùng phủ mà không tăng công suất phát Hạn chế can nhiễu cho hệ thống đơn anten * Nhược điểm: Hiệu suất sử dụng phổ tần (spectral efficiency) thấp việc sử dụng nhiều khe thời gian để truyền khung liệu Độ phức tạp nút đích cao việc sử dụng phân tập kết hợp 1.5.2 Ưu điểm vô tuyến nhận thức Hiệu suất sử dụng phổ tần cải thiện, cho phép triển khai dịch vụ vơ tuyến 1.5.3 Mơ hình kết hợp truyền thông kết hợp môi trường vô tuyến nhận thức Các nút mạng thứ cấp hợp tác chia sẻ với thông tin nhận dạng tần số trống mạng sơ cấp từ cải thiện chất lượng hoạt động nhận dạng Hoặc chất lượng mạng sơ cấp thứ cấp cải thiện cách sử dụng kỹ thuật truyền thông hợp tác 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày vấn đề vơ tuyến nhận thức truyền thông kết hợp Chương đồng thời đưa cần thiết kết hợp hai công nghệ vô tuyến nhận thức truyền thông kết hợp CHƯƠNG ĐỀ XUẤT VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MƠ HÌNH TRUYỀN THƠNG KẾT HỢP HIỆU QUẢ TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN PT 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG IT Tóm tắt: Trong chương này, trình bày việc đánh giá hiệu mạng truyền thông kết hợp môi trường vô tuyến nhận thức dạng với nút chuyển tiếp AF tốt Đồng thời trình bày việc tối ưu hiệu mạng truyền thông kết hợp đa chặng môi trường vơ tuyến nhận thức dạng Chương trình bày đề xuất mơ hình áp dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp tốt cho hệ thống thứ cấp đề xuất kỹ thuật phân tích để tính xác suất dừng hệ thống Phương pháp phân tích áp dụng cho kênh Rayleigh đồng kênh không đồng Tối ưu hiệu hệ thống chuyển tiếp dạng có xem xét ràng buộc công suất can nhiễu tối đa máy thu sơ cấp công suất phát tối đa máy phát thứ cấp Để đánh giá hiệu hệ thống, biểu thức dạng đóng xác suất dừng hệ thống dạng xác dạng xấp xỉ vùng tỷ lệ tín hiệu nhiễu thấp cao thiết lập cho kênh truyền fading Rayleigh 2.2 MƠ HÌNH #1: TRUYỀN THƠNG HỢP TÁC LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP DẠNG NỀN AF TỐT NHẤT 2.2.1 Mô hình hệ thống đề xuất Mơ hình hệ thống ta nghiên cứu gồm nút nguốn thứ cấp (s), nút đích thứ cấp (d) N chuyển tiếp thứ cấp ký hiệu r1 ,, rN , tồn với cặp PU PU-Tx PU-Rx s d Hình 2.1 Mơ hình hệ thống truyền thông hợp tác lựa chọn nút chuyển tiếp tốt dạng Kết CDF  viết sau: IT PT 2.2.2  k  2,nq  N N q 1    2, nq k F ( )    (1)   k  k 1 n1   nk 1   n1   nk  1, n p p 1  Phân tích xác suất dừng hệ thống 1 Pr( )  Pr  log 1   2   R   Pr        (2.16)   th    2,nq  k   N N q 1  th   2, nq    ( 1) k   k  k 1 n1   nk 1    1,thn p n1   nk p 1        (2.17) Cụ thể với trường hợp kênh truyền đồng nhất, ta có: 1,k  1 and 2,k  2 với k , (2.17) đơn giản sau: N N Pr( )    ( 1) k   k 1  k  1  (2.18) k th 1 1    th 2 k Để tăng độ lợi phân tập cho hệ thống, nút đích kết hợp tín hiệu từ nút chuyển tiếp tốt Khi đó, xác suất dừng hệ thống viết: 12 Hình 2.9 So sánh phương pháp phân bổ nút chuyển tiếp thứ cấp với I p N0  10 dB,   , ( xp , yp )  (0.8, 0.4) 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG PT IT Đóng góp chương giải tốn phân bổ tối ưu vị trí nút chuyển tiếp mạng thứ cấp cho trường hợp tổng quát, thích hợp vùng tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao lẫn thấp Kết mô chứng minh phương pháp phân bổ tối ưu hiệu so với phương pháp chia khoảng cách chọn khoảng cách ngẫu nhiên hệ thống truyền thông phân tập đa chặng ứng dụng công nghệ vô tuyến nhận thức điều kiện ràng buộc mức can nhiễu công suất phát tối đa 13 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ HĨA KHƠNG GIAN THỜI GIAN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN: MỘT CHẶNG VÀ NHIỀU CHẶNG Tóm tắt: Chương đề xuất ứng dụng mã hóa khơng gian thời gian Alamouti mạng vô tuyến nhận thức thứ cấp chặng đa chặng Đồng thời sử dụng tham số xác suất dừng OP dung lượng Shannon để đánh giá hiệu hệ thống có xem xét đến kênh can nhiễu từ máy phát thứ cấp, nút chuyển tiếp đến máy thu sơ cấp Mô monte carlo thức để chứng minh kết phân tích 3.1 MÃ HĨA KHƠNG GIAN THỜI GIAN TRONG MƠI TRƯỜNG VƠ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN 3.1.1 Mơ hình hệ thống Primary network PU-Rx IT PU-Tx PT Secondary network SU-Tx SU-Rx Hình 3.1 Hệ thống MISO dạng 3.1.2 Phân tích xác suất dừng hệ thống OP  Pr(    th ) (3.9)  F  ( th )   th  th  2  Cho trước đặc tính kênh truyền lệ tín hiệu nhiễu cao sau: 2  ln ( th  2 )  th    , xác suất dừng hệ thống xấp xỉ vùng tỷ OP   th 2 (3.10) 14 3.1.3 Dung lượng Shannon hệ thống   C AGWN ( ) f  ( ) d     log (3.15) (1   ) f  ( ) d  Sử dụng tích phân phần, ta viết   4 ln  ln 4 ln  4 ln     ln 1   lại sau:     2  d J 1  ln      ln 1      2  J   ln    1    2   d d IT   J 31,2   ln (3.16) Kết mô thảo luận PT 3.1.4  ln(  1) ln(  1)  0        2  d  J 41, ,2   Hình 3.2 Hình 3.3 Kết hai hình kết mơ kết phân tích trùng khớp với cho phép kết luận rằng phương pháp tính tốn kết phân tích hồn tồn đắn Hình 3.2 Xác suất dừng hệ thống Alamouti SISO dạng 15 Hình 3.3 Dung lượng Shannon hệ thống Alamouti SISO dạng IT Kết hệ thống Alamouti môi trường vô tuyến nhận thức đạt độ lợi phân tập so với độ lợi phân tập hệ thống SISO 3.2 MÃ HĨA KHƠNG GIAN THỜI GIAN VỚI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG DF DẠNG NỀN 3.2.1 Giới thiệu 3.2.2 PT Truyền thông đa chặng kỹ thuật cho phép mở rộng vùng phủ sóng hệ thống vô tuyến hạn chế can nhiễu Trong phần đề xuất áp dụng mã hóa khơng gian thời gian với kỹ thuật chuyển đa chặng dạng với mục tiêu cải thiện vùng phủ sóng và/hoặc hiệu hệ thống Mơ hình hệ thống Hệ thống xem xét bao gồm nút nguồn ký hiệu T0 , K nút chuyển tiếp, nút đích TK Hình 3.7 Các nút trang bị hai anten phát anten thu sử dụng mã không gian thời gian Alamouti PU-Tx PU-Rx Hình 3.7 Hệ thống hai chặng MIMO dạng 16 3.2.3 Phân tích xác suất dừng hệ thống K   th 2 k k  OP    1   ln  th  2 k ( th  2 k )  th   k  k 1  (3.41) Ở vùng tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao, ta xấp xỉ OP: K   OP    th  k 1   k  (3.42) Kết mô phân tích kết PT IT 3.2.4 Hình 3.8 Ảnh hưởng số chặng lên xác suất dừng hệ thống mã hóa khơng gian thời gian đa chặng, PU (0.5, 0.5) ,   ,  th  Trong Hình 3.8, cho thấy số chặng tăng lên xác suất hệ thống giảm, nghĩa hiệu hệ thống cải thiện Các kết mơ trùng khít với kết phân tích xác tồn vùng tỷ số tín hiệu nhiễu Hình 3.9 Ảnh hưởng vị trí máy thu sơ cấp lên xác suất dừng hệ thống mã hóa khơng gian thời gian đa chặng, K  ,   ,  th  17 Hình 3.9 rằng, vị trí mạng sơ cấp xa mạng thứ cấp hiệu mạng thứ cấp tăng lên đáng kể công suất phát mạng thứ cấp xa mạng sơ cấp bị ràng buộc bời mạng sơ cấp IT Trong Hình 3.10 thấy với điều kiện hệ thống, kênh truyền có  lớn hiệu mạng cao Hiện tượng hoàn toàn trùng khớp với mạng truyền thơng đa chặng truyền thống Hình 3.10 Ảnh hưởng mơi trường fading lên OP mã hóa khơng gian thời gian đa chặng, K  , PU (0.5, 0.5) ,  th  PT 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Đề xuất ứng dụng mã không gian thời gian cho mạng vô tuyến nhận ứng dạng đồng thời đề xuất phương pháp phân tích hiệu dạng xác suất dừng dung lượng dừng hệ thống Chứng minh hệ thống Alamouti với hai anten phát anten thu dạng đạt độ lợi phân tập hai Đề xuất áp dụng mã không gian thời gian cho mạng đa chặng phân tích xác suất dừng dạng xác dạng xấp xỉ vùng tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao Chứng minh hệ thống đa chặng tăng độ lợi mã mà không tăng độ lợi phân tập Các kết phân tích hiệu kết mới, kiểm chứng kết mô dựa vào phần mềm Matlab đồng thời cho phép chứng minh Hệ thống mã Alamouti, cải thiện đáng kể hiệu hệ thống thứ cấp mà đảm bảo mức can nhiễu cho hệ thống sơ cấp 18 CHƯƠNG ỨNG DỤNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN: TỐI ƯU HIỆU SUẤT PHỔ TẦN Tóm tắt: Trong chương giới thiệu kỹ thuật truyền thích nghi cho hệ thống thứ cấp dạng có xem xét đến kênh truyền can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến máy thu sơ cấp Đề xuất phương pháp phân tích để đánh giá hiệu hệ thống kênh truyền fading Rayleigh dạng xác suất dừng, hiệu suất phổ tần xác suất lỗi bit trung bình Mơ Monte Carlo phần mềm Matlab sử dụng để kiểm chứng tính xác kết mơ chứng minh ưu điểm kỹ thuật truyền thích nghi việc cải thiện hiệu suất phổ tần hệ thống thứ cấp 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG IT Trong chương này, đề xuất áp dụng kỹ thuật truyền thích nghi cho mạng vô tuyến nhận thức dạng để cải thiện hiệu hệ thống xem xét đến kênh truyền can nhiễu từ nút phát thứ cấp đến nút thu sơ cấp tỷ số tín hiệu nhiễu hệ thống thứ cấp Để đánh giá hiệu hệ thống, phân tích tham số hiệu hệ thống báo gồm: xác suất chế độ truyền, xác suất dừng, hiệu suất phổ tần xác suất lỗi bít trung bình hệ thống kênh truyền fading Rayleigh 4.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT VÀ KHẢO SÁT PT Hình 4.1 Mơ hình mạng vô tuyến nhận thức dạng sử dụng điều chế thích nghi Với xác suất lỗi bit cho trước, BEPT , ngưỡng chuyển chế độ thứ k ,  T tính để đảm bảo xác suất lỗi bít tức thời hệ thống1 nhỏ BEPT Khi hệ thống sử dụng điều chế kết hợp (coherent modulation), ta viết k Tương đương với xác suất lỗi bit kênh truyền nhiễu trắng 19 k Q    k  Tk  BEPT , (4.6) Từ (4.6), ta tính  sau: k T  k T  1  BEPT    Q    k    k   (4.7) 4.3 PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI TRONG MƠI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN 4.3.1 Xác suất chế độ truyền Với điều chế thích nghi M QAM K chế độ, hệ thống truyền với K  mức điều chế Xác suất xảy chế độ thứ k với k  1,, K sau:  k  Pr   Tk     Tk 1    Tk 1  f  ( ) d  (4.8) IT  Tk Thay (4.5) vào (4.8) sau thực tích phân, ta xác định xác suất chế độ truyền thứ k sau: k   Tk 1   4.3.2  (   ) PT  Tk  Tk 1  Tk 1    Tk (4.9)  Tk   Xác suất dừng hệ thống OP  Pr     T1   1 4.3.3  d  T1   T (4.11) Hiệu suất phổ tần K ASE    k mk k 2 (4.12) mk  log M k Chú ý với chế độ đầu tiên, k  , hệ thống không truyền nên m1  với 20 4.3.4 Tỷ số lỗi bít trung bình K BEP   m BEP k 2 K k k m  k 2 k , (4.13) k BEPk xác suất lỗi bít trung bình chế độ thứ k , tính sau: BEPk   Tk   Tk 1 k 2   2k    k  e  d  e 43  (   ) T  k  k T  e e   d   d  2    k (   ) (   )   Tk  T   1   2  k  I 2k  I k  3     k  k 1  k 1 2 (4.16)     4.4 TỐI ƯU HIỆU SUẤT PHỔ TẦN IT Bài toán tối ưu phát biểu dạng biểu thức toán học sau max ,, K ASE subject to BER  BER T T T (4.19) PT Sử dụng toán tử Largange, ý  T0  ,  TK   với  Tk 1   Tk , ta viết nhân tử chung sau:   ASE   (BER  BER T ASE)  ASE(1   BER T )   BER (4.20) Sử dụng điều kiện BER-BER_ASE = kết hợp với (4.18), giá trị tối ưu  T1 ,,  TK 1 nghiệm hệ K  phương trình phi tuyến sau: K 1  K 1   mk BER k  BER T  mk  k   k 1 k 1  y ( )  y ( k )  0, k  2,, K  k T  T với yk ( Tk )  (4.21) k mk BER kAWGN (mk ,  Tk )  mk 1BER AWGN (mk 1 ,  Tk 1 ) mk  mk 1 4.5 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Ip Hình 4.2 Ở vùng giá trị N nhỏ, khoảng 0-7 dB, hệ thống thường xuyên dừngI truyền khơng đảm bảo xác suất lỗi bít theo yêu cầu Tuy nhiên, p giá trị N tăng làm hệ thống có xu hướng sử dụng chế độ truyền cao 21 Hình 4.3 xác suất lỗi bít trung bình hệ thống ln ln nhỏ xác suất lỗi bít yêu cầu, nghĩa đảm bảo QoS yêu cầu hệ thống PT IT Hình 4.2 Xác suất chế độ truyền Hình 4.3 Xác suất lỗi bit trung bình hệ thống với chế độ truyền Hình 4.4 Xác suất dừng hệ thống 22 IT Trên hình 4.4, giá trị BER T giảm làm xác suất dừng hệ thống tăng cao, nghĩa hệ thống thường rơi vào trạng thái không truyền khơng đảm bảo QoS u cầu Hình 4.5 Hiệu suất phổ tần hệ thống với chế độ truyền PT Hình 4.5 giá trị BER T tăng làm hiệu suất phổ tần giảm xuốn Từ ta đến kết luận rằng, tăng QoS dẫn đến đánh đổi với hiệu suất phổ tần hệ thống Hình 4.6 điều kiện kênh truyền, việc tăng số lượng chế độ truyền cải thiện đáng kể hiệu suất phổ tần, đặc biệt vùng tín hiệu nhiễu cao Tuy nhiên, ngưỡng chuyển không thay đổi dẫn đến xác suất dừng hệ thống không phụ thuộc vào số lượng chế độ truyền Hình 4.6 Ảnh hưởng số lượng chế độ truyền lên hiệu suất phổ tần 23 4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương có hai đóng góp quan trọng: - Đề xuất phương pháp đánh giá hiệu hệ thống bao gồm: xác suất dừng, xác suất lỗi bít trung bình, hiệu suất phổ tần xác suất chế độ truyền kênh truyền fading Rayleigh Phương pháp tổng quát áp dụng cho mơ hình kênh khác; (1) Áp dụng khảo sát hiệu kỹ thuật truyền thích nghi vào hệ thống truyền thơng hợp tác nhận thức dạng nền, (2) Áp dụng khảo sát hiệu kỹ thuật truyền thích nghi vào hệ thống MIMO dạng Thiết lập giải toán tối ưu hiệu suất phổ tần hệ thống truyền thơng nhận thức dạng có sử dụng truyền thích nghi Các kết ngưỡng chuyển tiếp tối ưu cải thiện đáng kể hiệu suất phổ tần so với ngưỡng chuyển tiếp cố định KẾT LUẬN IT KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP PT Qua thời gian nghiên cứu kết luận án đạt mục đích đề ban đầu là: i) Xây dựng mơ hình mạng truyền thơng kết hợp chuyển tiếp hiệu cho mạng thứ cấp: đảm bảo QoS mở rộng vùng phủ sóng Đồng thời đề xuất phương pháp cho phép phân tích hiệu mơ hình mạng đề xuất ii) Áp dụng kỹ thuật cải thiện hiệu lớp vật lý: mã không gian thời gian, truyền ứng ứng để cải thiện hiệu mạng thứ cấp đảm bảo thông tin mạng sơ cấp Những kết nghiên cứu vừa mang tính bản, vừa mang tính chất đề xuất vấn đề mới, phát triển nhằm ứng dụng có hiệu vào mạng khơng dây tương lai Các kết đạt luận án tin cậy có số đóng góp mới: (i) Xác định giới hạn số hiệu (xác suất dừng, tỷ lệ lỗi bít trung bình, dung lượng Shannon, hiệu suất phổ, …) lớp vật lý (mơ hình OSI) trường hợp hệ mạng thứ cấp vô tuyến nhận thức dạng (ii) Áp dụng đặc thù lớp vật lý (mơ hình OSI) hệ mạng thứ cấp hệ thống truyền thông hợp tác môi trường vô tuyến nhận thức vào phân tích chất lượng hệ thống trường hợp phân bố vị trí nút chuyển tiếp mạng thứ cấp, mã Alamouti, phương pháp điều chế 24 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Từ cơng trình nghiên cứu số là: “Phân tích xác suất dừng hệ thống truyền thông kết hợp chuyển tiếp AF môi trường vơ tuyến nhận thức kênh fading Rayleigh”, phát triển toán đánh giá chất lượng hệ thống truyền thông kết hợp chuyển tiếp AF môi trường vô tuyến nhận thức thông qua số nút chuyển tiếp tối ưu, vị trí nút sơ cấp ảnh hưởng môi trường truyền kênh Rician Nakagami-m Đồng thời tiếp tục phát triển nghiên cứu hệ thống truyền thông kết hợp đa chặng phân định công suất tối ưu cho máy phát nút chuyển tiếp PT IT Trên sở công trình số “Tối ưu hiệu hệ thống truyền thông đa chặng môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền” nghiên cứu phát triển thiết kế mạng vô tuyến kết hợp nhận thức thứ cấp cho phép tận dụng tối đa kênh truyền rỗi đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng vô tuyến sơ cấp đánh giá chất lượng mạng Đồng thời giải toán phân bố lượng nút nguồn nút chuyển tiếp điều kiện ràng buộc lượng tổng cụ thể: Khảo sát hệ thống trường hợp xem xét công suất phát tối đa máy phát sơ cấp can nhiễu gây máy phát sơ cấp đến máy thu sơ cấp; Tính tốn thơng số chất lượng khác hệ thống: Như tỷ số lỗi bít (Bit Error Rate), dung lượng kênh truyền (Ergodic Capacity); Khảo sát hệ thống với loại kênh truyền khác Rician, Nakagami-m; Nghiên cứu hệ thống truyền đa chặng mạng thứ cấp giới hạn công suất cho máy phát nút chuyển tiếp; Tối ưu khoảng cách nút chuyển tiếp mạng thứ cấp vị trí nút chuyển tiếp khơng nằm đường thẳng Trên sở cơng trình số “Đánh giá chất lượng hệ thống mã hóa Alamouti môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền” nghiên cứu sinh phân tích giới hạn an ten thu, Phương pháp mở rộng cho trường hợp sau: Khảo sát hệ thống Alamouti trường hợp máy thu thứ cấp có nhiều 01 anten thu; Khảo sát mã không gian thời gian khác với nhiều hai anten máy phát thứ cấp; Xem xét khảo sát ảnh hưởng kênh truyền can nhiễu khơng hồn hảo lên hiệu hệ thống thứ cấp với mức can nhiễu quy định trước; Khảo sát hệ thống với kênh truyền phức tạp kênh Nakagami-m hay Rician Với cơng trình số “Đánh giá hiệu hệ thống vô tuyến nhận thức dạng với điều chế thích nghi” cơng trình có tính chất tổng qt áp dụng cho mơ hình khác Kết cơng trình phát triển giải toán như: Áp dụng khảo sát hiệu hệ thống truyền thông kết hợp nhận thức dạng sử dụng kỹ thuật điều chế thích nghi; Hoặc áp dụng kết khảo sát hiệu hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật truyền thích nghi; DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ [1] Nguyen Van Chinh, Vo Nguyen Quoc Bao, “Outage Analysis of Cognitive Underlay Amplify-and-Forward Networks over Rayleigh Fading Channels”, International Green Technology Workshop/Conference/Exhibition IGTWCE 2012, Ho Chi Minh City, pp 38-42, 2012 IT [2] Nguyen Van Chinh, Vo Nguyen Quoc Bao, and Nguyen Luong Nhat, "Performance Analysis of Cognitive Underlay Alamouti Scheme over Rayleigh fading channels", The International Conference on Advanced Technologies for Communications 2013 (ATC'13), Ho Chi Minh City, pp 2327, 2013 PT [3] Nguyễn Văn Chính, Võ Nguyễn Quốc Bảo, Nguyễn Lương Nhật, “Tối ưu hiệu hệ thống truyền thông đa chặng môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền”, Chun san Cơng trình Nghiên cứu, Phát triển Ứng dụng Công nghệ Thông tin Truyền thơng Tạp chí Cơng nghệ Thơng tin & Truyền thông, Kỳ 3, Tập V-1, tháng 6/2014 [4] Nguyễn Văn Chính, Võ Nguyễn Quốc Bảo, “Đánh giá hiệu hệ thống vô tuyến nhận thức dạng với điều chế thích nghi”, Chun san Cơng trình Nghiên cứu, Phát triển Ứng dụng Công nghệ Thông tin Truyền thơng Tạp chí Cơng nghệ Thơng tin & Truyền thông, Tập V-1, Số 13 (33), tháng 6/2015 IT PT ... tuyến nhận thức cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức 1.1 GIỚI THIỆU Chương trình bày tổng quan vấn đề vô tuyến nhận thức, truyền thông kết hợp kết hợp truyền thông kết hợp với vô tuyến nhận thức Phần... hợp (MIMO ảo) truyền thông kết hợp môi trường vô tuyến nhận thực Mối quan hệ vô tuyến nhận thức với vô tuyến thông minh, kiến trúc vật lý vàchức vơ tuyến nhận thức Phân tích mơ hình mạng vô tuyến. .. vấn đề vô tuyến nhận thức truyền thông kết hợp Chương đồng thời đưa cần thiết kết hợp hai công nghệ vô tuyến nhận thức truyền thông kết hợp CHƯƠNG ĐỀ XUẤT VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MƠ HÌNH TRUYỀN