Nghiên cứu và đánh giá chất lượng mạng truyền thông chuyển tiếp trên nền vô tuyến nhận thức

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THIÊN THANH NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP TRÊN NỀN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THIÊN THANH NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP TRÊN NỀN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số chuyên ngành: 62.52.70.01 Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Huy Hoàng Phản biện độc lập 2: PGS TS Trần Thu Hà Phản biện 1: GS TSKH Nguyễn Ngọc San Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Văn Khang Phản biện 3: PGS TS Lê Tiến Thường NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Vũ Đình Thành TS Nguyễn Tuấn Đức LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan công trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Chữ ký Trần Thiên Thanh i TÓM TẮT LUẬN ÁN Cùng với phát triển mạnh mẽ công nghệ phần cứng, thông tin vô tuyến ngày thể vai trị khơng thể thiếu sống xã hội Tuy nhiên, vấn đề thông tin vô tuyến giới hạn tài nguyên phổ tần Nhằm gia tăng độ khả dụng phổ tần, công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio – CR) sử dụng giải pháp phù hợp, đó, hai hệ thống người dùng sơ cấp (Primary User - PU) thứ cấp (Secondary User - SU) hoạt động song song vùng phổ tần Người dùng sơ cấp PU người cấp phép thức để sử dụng phổ tần này, người dùng thứ cấp SU không cấp phép, sử dụng phổ tần cách linh hoạt nhờ công nghệ vô tuyến nhận thức Tùy theo phương pháp truy nhập phổ hệ thống SU, nghiên cứu mơ hình vơ tuyến nhận thức phân chia thành hai mơ hình mơ hình dạng (underlay) mơ hình dạng chồng chập (overlay) Xét khía cạnh hiệu suất sử dụng phổ, mơ hình dạng cho kết tốt so với mơ hình cịn lại đặc tính cho phép hai hệ thống hoạt động đồng thời thời điểm Trong toán khảo sát hiệu hoạt động hệ thống SU, điều kiện ràng buộc công suất can nhiễu gây hệ thống SU ảnh hưởng đến hệ thống PU giới hạn công suất phát thiết bị SU để khơng gây tạp nhiễu thêm cho PU Do đó, chất lượng hệ thống SU giảm khoảng cách thiết bị thu phát hệ thống SU đủ xa Nói cách khác, hệ thống SU bị giới hạn phạm vi vùng phủ sóng để đảm bảo chất lượng dịch vụ (quality of service – QoS) cho toàn hệ thống PU SU Để giải toán mở rộng vùng phủ sóng cho hệ thống SU, hướng nghiên cứu phối hợp công nghệ truyền thông chuyển tiếp vào mạng CR thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu năm gần Trong đó, thiết bị chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp (AF) giải mã chuyển tiếp (DF) Trong hai kỹ thuật này, xét khía cạnh hiệu suất hoạt động toàn hệ thống, kỹ thuật DF cho kết tốt AF lý khơng khuếch đại nhiễu q trình chuyển tiếp tín hiệu ii Các mơ hình truyền thơng chuyển tiếp dạng khảo sát cho thấy việc tăng số chặng hệ thống SU giải vấn đề mở rộng vùng phủ sóng, đồng thời đảm bảo QoS qui định hệ thống SU Tuy nhiên, dễ dàng nhận thấy, số lượng chặng tỉ lệ thuận với độ trễ truyền liệu tỉ lệ nghịch với dung lượng tồn hệ thống Do đó, việc xác định số lượng chặng tối ưu phân bố khoảng cách chặng tốn khó điều kiện thực tế Ngoài ra, mặt lý thuyết, kênh truyền hoạt động môi trường chất lượng tốt có tỉ số tín hiệu nhiễu cao đạt yêu cầu QoS Tuy nhiên, thực tế, hệ thống cần đạt giá trị tỉ lệ lỗi bit thấp giá trị định trước xem đạt QoS Khi đó, ta tăng tốc độ truyền với điều kiện đảm bảo QoS mức chấp nhận Như vậy, ta tăng hiệu suất sử dụng băng thơng, thay sử dụng tốc độ truyền cố định Luận án tập trung thiết kế mạng truyền thông đa chặng điều kiện ràng buộc mức can nhiễu nút sơ cấp PU với tiêu chí: i/ Giảm ảnh hưởng can nhiễu gây hệ thống thứ cấp SU máy thu sơ cấp PU; ii/ Cải thiện chất lượng hệ thống thứ cấp SU, iii/ Cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần hệ thống thứ cấp SU Các thông số khảo sát bao gồm: Xác suất dừng hệ thống, Tỉ lệ lỗi bit hệ thống, Dung lượng ergodic Những điểm thực luận án bao gồm: Mô hình 1: Luận án đề xuất mơ hình hai chặng có phân bố kênh tổng qt khơng đồng Nakagami-m, sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp liệu DF Kết phân tích hiệu hệ thống tính tốn thông qua thông số xác suất dừng hệ thống hai dạng công thức tường minh công thức xấp xỉ Trong đó, dựa vào cơng thức xấp xỉ, có kết luận quan trọng hệ thống hoạt động chế độ SNR cao, độ lợi phân tập hệ thống phụ thuộc vào mức độ chịu ảnh hưởng fading kênh có chất lượng Ngồi ra, tốn khảo sát vị trí điểm chuyển tiếp hệ thống thứ cấp nhằm đạt hiệu hệ thống tối ưu nghiên cứu Kết cho thấy mơ hình đề xuất sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp DF cho kết tốt iii mơ hình tương tự sử dụng kỹ thuật AF, đề xuất tác giả T Q Duong cộng năm 2012 Mơ hình 2: Mơ hình đề xuất mơ hình hệ thống nhận thức với kênh thứ cấp đa chặng, hoạt động tác động kênh i.n.i.d Rayleigh Tương tự mơ hình 1, kỹ thuật chuyển tiếp DF sử dụng thiết bị trung gian Hiệu hệ thống phân tích ba thơng số: xác suất dừng hệ thống, tỉ lệ lỗi bit hệ thống dung lượng ergodic Luận án chứng minh với thông số thiết kế ngoại trừ kỹ thuật chuyển tiếp, hệ thống sử dụng kỹ thuật DF cho dung lượng ergodic hệ thống cao so với hệ thống sử dụng AF Mơ hình 3: Mơ hình đề xuất sử dụng kỹ thuật điều chế thích ứng Tùy thuộc vào chất lượng môi trường truyền mà hệ thống thứ cấp lựa chọn mức điều chế phù hợp (hoặc không truyền) để đảm bảo tỷ lệ tín hiệu nhiễu tức thời hệ thống không lớn giá trị cho trước (QoS định trước) Vì lý giảm thiểu độ phức tạp phần cứng hệ thống thứ cấp sử dụng điều chế giải điều chế đa chế độ, kỹ thuật AF đề xuất thay kỹ thuật DF Các tham số hiệu đánh giá hiệu hệ thống thứ cấp có sử dụng điều chế thích ứng bao gồm xác suất dừng hệ thống, hiệu suất phổ tần tỉ lệ lỗi bit trung bình Mơ hình 4: Trong ba mơ hình trước, kênh hồi tiếp giả sử hồn hảo, có nghĩa khơng lỗi khơng trễ Trong thực tế, kênh truyền hồi tiếp có lỗi có trễ Nhằm nghiên cứu ảnh hưởng kênh truyền có lỗi, luận án khảo sát hệ thống đa chặng DF với phân bố kênh Nakagami-m tổng quát dạng nền, xác suất can nhiễu gây hệ thống thứ cấp SU ảnh hưởng đến thiết bị sơ cấp thu PU khảo sát tuỳ thuộc theo thông số số chặng, hệ số tương quan hệ số kênh truyền ước lượng Hiệu hệ thống thứ cấp khảo sát thông qua xác suất dừng hệ thống iv Trong mơ hình đề xuất khảo sát luận án, nhận thấy tiềm việc ứng dụng mơ hình vào thực tiễn lớn, đặc biệt vùng phổ tần cần cấp phát cho doanh nghiệp viễn thơng khơng cịn trống Khi đó, doanh nghiệp vừa thành lập thâm nhập thị trường viễn thông cách hợp tác với doanh nghiệp cấp phát vùng phổ tần, chia sẻ vùng phổ đồng thời giảm chi phí kinh doanh Mặc dù mơ hình đề xuất minh hoạ cải thiện đáng kể hiệu hệ thống so với mơ hình kênh truyền trực tiếp, chúng có số giới hạn như: hệ thống hoạt động chế độ truyền bán song công, thiết bị trang bị ăng-ten, kỹ thuật điều chế sử dụng M-QAM, công suất phát không bị ràng buộc giới hạn phần cứng Do đó, luận án đề xuất hướng nghiên cứu tiềm như: mơ hình đa ăng-ten, áp dụng kỹ thuật truyền song công, sử dụng kỹ thuật điều chế khác M-PSK hay M-PAM, mơ hình có ràng buộc giới hạn công suất phát v ABSTRACT Along with the development of the hardware technologies, wireless communication proves its significant role in our social life However, one of the key problems is the shortage of valuable spectrum communications For solving the spectrum scarcity problem in wireless communications, cognitive radio (CR) proposed by Mitola is one of a new suitable solution, in which a lower priority user, also known as a cognitive user or secondary user (SU), has its permission to opportunistically use the white space of a licensed spectrum band allocated for primary user (PU) Based on spectrum accessing techniques, the cognitive models is divided into underlay and overlay models Having been analyzed in former literatures, the underlay approach is particularly interested in both academia and industry owing to its advantage on providing concurrent cognitive and non-cognitive communications In designing spectrum sharing underlay systems, with the aim not to harm the primary system PU, the fact that the transmitted power of the secondary system SU is bounded leads to its coverage to be reduced Consequently, its quality declines severely when the distance from the secondary transmitter to the secondary receiver is gigantic Multihop communication is a well-known technique to extend network coverage and to improve network data rate of wireless systems Recently, cognitive radio has also been considered as the radio platform for relaying networks Depending signal processing technique used at relay nodes, we can classify multihop communications as either decode-and-forward (DF) systems or amplify-and-forward (AF) systems Obviously, the former systems give better performance than the later because the DF technique does not amplify noise Several researches are devoted to study performance of AF and DF systems in terms of outage probability (OP), bit error rate (BER) and ergodic capacity under different assumptions for fading channels In underlay model, the increasing of number of hops makes both the delay increase and the ergodic capacity decrease Thus, it is difficult to find solution for the number of the optimal hops and the suitable distances to locate the equipment in realistic circumstance Besides, in a good transmit condition, we can robust the spectral vi efficiency by applying adaptive modulation techniques while still maintaining the QoS, especially in high signal to noise (SNR) regimes This thesis focuses on proposing new network models of multihop communications and studying their performances with the following aims: i/ Reduce the affect of the interference causing to the PUs by SUs; ii/ Strengthen the SUs’ performance; iii/ Enhance the SUs’ spectrum usage The system parameters to be studied compose of the Outage Probability OP, the Bit Error Rate BER and the Ergodic capacity Some key contributions of this thesis can be listed as below: Model 1: We deploy a performance analysis and study the optimal relay placement for cognitive spectrum-sharing dual-hop DF network over Nakagami-m channels The closed-form expressions for the exact and approximated OP are derived showing that the system diversity is determined by the fading severity of secondary links A solution for optimal relay placement is obtained, which significantly improves secondary network performance while adhering to the spectrum-sharing constraints The results show that our proposed model outperform with the AF system investigated by T.Q.Duong and et al in 2012 Model 2: We have investigated the performance of cognitive regenerative multi-hop relay networks using the underlay approach We have derived the closed-form expressions for the outage probability, BER, and ergodic capacity over i.n.d Rayleigh fading channels High SNR analysis for outage probability and bit error rate has been done to provide insights into system behaviors The numerical results show that under the interference constraints inflicted by primary network, the multi-hop transmission still offers a considerable gain as compared to direct transmission and thus makes it an attractive proposition for cognitive networks Model 3: We apply the adaptive modulation technique into the secondary system in order to increase the achievable spectral efficiency Depending on the channel condition, the transmitter and the relay reconfigure their vii parameters and choose the most suitable transmission mode under a defined BER per symbol constraint To reduce the hardware complexity, the AF is suggested to be used instead of DF Under Rayleigh fading channels, we are able to derive the closed-form expression of the occurrence probability, outage probability, bit error probability and achievable spectral efficiency of the system Numerous simulations are performed to verify the analytic results showing that by applying adaptive modulation, the achievable spectral efficiency of the system is much improved Model 4: In all three previous models, the feedback channels are assumed to be perfect with no errors or delay This last proposed model investigates the effect of imperfect feedback information to the primary user by using the interference probability Besides, the performance of the cognitive DF relay networks is invested by the outage probability in the general Nakagami-m fading scenarios Obviously, the potential applications of these models proposed above in real environment are immense, especially in case of run out of needed spectrum A new telecommunication company can deploy its business by reusing a licensed spectrum allocated to another company These two companies can co-operate to reduce their business expenditure Although the proposed models improve the system performance compared to the direct model, some assumptions used in our analysis may limit the potential abilities of these models Some suggested researches in the future might be concentrated to heightening the performance using multi-input multi-output technique, applying different modulation methods such as M-PSK or M-PAM instead of M-QAM, and investigating the upper bound of the transmitted power limited by hardware viii ... GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THIÊN THANH NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP TRÊN NỀN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số chuyên ngành:... thuật truyền thích nghi biến đổi chịm điều chế vào hệ thống mạng chuyển tiếp nhận thức 1.3 Phạm vi nghiên cứu đối tượng nghiên cứu 1.3.1 Phạm vi nghiên cứu Các nghiên cứu tập trung vào thông tin vô. .. trung nghiên cứu cải thiện hiệu mạng vô tuyến vô tuyến chuyển tiếp sử dụng công nghệ thu thập lượng, công nghệ nhận thức với đề tài tiêu biểu “ Nghiên cứu đánh giá kỹ thuật cải thiện chất lượng