(Đồ án tốt nghiệp) xác định xác suất dừng của mạng vô tuyến nhận thức với ràng buộc can nhiễu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÔTÔ XÁC ÐỊNH XÁC SUẤT DỪNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VỚI RÀNG BUỘC CAN NHIỄU GVHD: TS PHẠM NGỌC SƠN SVTH : NGUYỄN CHÂN TÂM SVTH : LÊ VĂN TƯỞNG SKL004545 Tp Hồ Chí Minh, tháng 02/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: XÁC ĐỊNH XÁC SUẤT DỪNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VỚI RÀNG BUỘC CAN NHIỄU SVTH : SVTH : Khóa : Ngành : GVHD: NGUYỄN CHÂN TÂM – 12141196 LÊ VĂN TƢỞNG – 12141420 2012 ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG TS PHẠM NGỌC SƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: XÁC ĐỊNH XÁC SUẤT DỪNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VỚI RÀNG BUỘC CAN NHIỄU SVTH : SVTH : Khóa : Ngành : GVHD: NGUYỄN CHÂN TÂM – 12141196 LÊ VĂN TƢỞNG – 12141420 2012 ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG TS PHẠM NGỌC SƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2017 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ộc l p – T – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng năm 2017 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Chân Tâm Lê Văn Tưởng Ng nh iện t - Viễn th ng Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Ngọc Sơn Ng y nh n ề tài: 15/9/2016 MSSV: 12141196 MSSV: 12141420 Lớp: 12141CLVT T 09666 09555 Ngày nộp ề tài: 13/2/2017 Tên ề tài : Xác ịnh xác suất dừng mạng vô tuyến nh n thức với ràng buộc can nhiễu Nội ung th c ề t i trình bày mơ hình s dụng relay mạng vô tuyến nhân thức underlay với can nhiễu phải hạn chế nhằm trảnh ảnh hưởng ến người dùng chính, qua lu n văn ưa nh n ịnh s ảnh hưởng can nhiễu ến mơ hình mạng, ngồi so sánh với mơ hình mạng truyền thống Sản phẩm: Mơ phần mềm Mathlab TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ộc l p – T – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN MSSV: 12141196 Họ tên sinh viên: Nguyễn Chân Tâm MSSV: 12141420 Lê Văn Tưởng Ng nh iện t - Viễn th ng Tên ề tài: Xác ịnh xác suất dừng mạng vô tuyến nh n thức với ràng buộc can nhiễu Họ v tên Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Ngọc Sơn NHẬN XÉT Về nội ung ề tài & khối lượng th c hiện: Ưu iểm: Khuyết iểm: ề nghị cho bảo vệ hay không? ánh giá loại: iểm ……………….(Bằng chữ: Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Giáo viên hướng dẫn ii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ộc l p – T – Hạnh phúc *** PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN MSSV: 12141196 Họ tên sinh viên: Nguyễn Chân Tâm MSSV: 12141420 Lê Văn Tưởng Ng nh iện t - Viễn th ng Tên ề tài: Xác ịnh xác suất dừng mạng vô tuyến nh n thức với ràng buộc can nhiễu Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội ung ề tài & khối lượng th c hiện: Ưu iểm: Khuyết iểm: ề nghị cho bảo vệ hay không? ánh giá loại: iểm ……………….(Bằng chữ: Tp Hồ Chí Minh, ngàytháng Giáo viên phản biện iii LỜI CẢM ƠN ể ho n th nh ề tài này, chúng em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô khoa o tạo chất lượng cao, Trường ại Học Sư Phạm Kỹ Thu t TP Hồ Chí Minh ã t n tình truyền ạt kiến thức năm chúng em học t p ặc biệt, chúng em xin ch n th nh cảm ơn Thầy Phạm Ngọc Sơn ã t n t nh hướng ẫn v tạo iều kiện thu n lợi cho chúng em suốt thời gian th c án tốt nghiệp Bên cạnh , chúng em c ng xin cảm ơn anh, chị kh a trước c ng ạn sinh viên lớp 12141CLVT ã nhiệt t nh ng g p ý kiến v chia sẻ kinh nghiệm ể giúp chúng em ho n th nh ề t i n y Cuối cùng, kiến thức cịn hạn hẹp nên khơng tránh khỏi sai sót Chúng em mong nh n ược s ng g p ý kiến quý thầy bạn ể hồn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! Tp Hồ Chí Minh, ng y 13 tháng năm 2017 Nhóm sinh viên th c Nguyễn Chân Tâm Lê Văn Tưởng iv TÓM TẮT Ngày này, tốc ộ phát triển truyền thơng vơ tuyến tăng trưởng nhanh chóng Nó phục vụ số lượng lớn thiết bị th ng minh Hơn nữa, iện thoại thơng minh tiêu thụ ăng th ng nhiều thiết bị iện thoại truyền thống Cùng với s phát triển ngày nhanh công nghệ, toán phân bổ phổ tần số cách hiệu ề cạn kiệt nguồn tài nguyên, khái niệm vô tuyến nh n thức Trong vô tuyến nh n thức, có hai loại người dùng sơ cấp v người dùng thứ cấp Gần vấn ề s dụng phổ l hay cịn gọi mơ hình dạng nền, người dùng thứ cấp s với người ùng sơ cấp, mi thứ cấp ến người ùng sơ cấp phải n cường hoạt ộng m chống lại vấn ề giới hạn công suất truyền, c ng vấn Trong th c tế mạng vô tuyến nh n thức dạng lu n van xem xét vấn can nhiễu mạng vô tuyến nh n thức Lu n văn cáo n y mạng vô tuyến nh n thức với s tảng mơ hình mạng vơ tuyến nh n thức (Underlay), không làm ảnh hưởng tới người ung chính, c nghĩa l giới hạn v iều tiết ược lượng nhiễu mà người dùng chấp nh n ược thông tin truyền i kh ng ị ảnh hưởng v ABSTRACT Today the speed of development of wireless communications rapid growth Moreover, even the smart phone may consume more bandwidth than the traditional telephony equipment Along with the increasingly rapid development of technology, the problem of distribution of frequency spectrum efficiently has become a critical issue To solve the problem of resource depletion, cognitive radio concept was born In cognitive radio, there are two kinds of users are the primary users and secondary users Recently we were proposed Underlay model to slove the problem using continue spectrum for secondary users In underlay model, also known as model substrate, the secondary user can use the same frequency with primary user, as long as the interference generated from the operation of the secondary user to user profile level must be less than a limit allows To enhance the operation of this model, we use the communication protocol of co-operation to combat the problem of limited transmission capacity, as well as the problem of fading channel In fact cognitive radio networking platform types are emitted interference, this thesis consider the problem of interference from which to make comments to optimize interference in cognitive radio network This thesis reviews the outage probability the cognitive radio network with the co-operation between secondary users on the platform model cognitive radio network ( Underlay), did not affect the primary user, that is the limit and regulate the mount of noise that the primary user can accept and transmit information is not affected vi MỤC LỤC Trang bìa NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN .ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v ABSTRACT .vi MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH x Chƣơng I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Mục tiêu nghiên cứu .1 1.3 Lý chọn ề tài: 1.3 ối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Bố cục án Chƣơng II: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 2.1 Mạng vô tuyến nh n thức CR 2.2 Các mơ hình vơ tuyến nh n thức 2.2.1 Truyền theo kỹ thu t Overlay 10 2.2.2 Truyền dẫn theo kỹ thu t Underlay 10 2.3 Các kỹ thu t ược s dụng vô tuyến nh n thức 11 2.3.1 Spectrum sensing 12 2.4 Phương pháp tuyền tín hiệu truyền thơng hợp tác 16 2.4.1 Khuếch ại chuyển tiếp (AF) 16 2.4.2 Giải mã chuyển tiếp (DF) 17 2.5 Ưu, nhược iểm truyền thông hợp tác 18 2.5.1 Ưu iểm 18 2.5.2 Nhược iểm 18 2.6 Nhiễu ồng kênh (Co-channel interference) .19 vii Từ trường hợp 1: thấy hệ số k relay xác suất dừng mạng nhân thức chuyển tiếp o thường PConv P tiến tới vơ β βk tiến khoảng ≤ βk chuyển tiếp (CRN) lu n lu n tương thường ( CON) Ngồi ra, từ cơng thức (9) ta thấy xác suất dừng không phụ thuộc vào khoảng cách kênh truyền can nhiễu, lại phụ thuộc vào tỉ lệ khoảng cách kênh truyền can nhiễu kênh truyền chuyển tiếp iều n y c nghĩa l tỉ lệ ảnh hưởng tới xác suất dừng nhiều so với khoảng cách kênh truyền can nhiễu 4.2 Sự hay đổi ăng số lƣợng Relay: a chọn relay mạng lưới vô tuyến nh n thức với Phần nói s a l mạng vơ tuyến truyền thống ể ơn giản, giả thiết ộ lợi kênh l nhau, λ =λ Sk = 2−α/2,λ = λ SR kP giả thiết cung cấp cách Với giả ịnh này, PConvo Như v y, xác suất dừng mạng vô tuyến truyền thống mạng vô tuyến nh n thức P o Conv = P  k Conv   31 Với ≤ β ≤ 1, ≤ PConv + β ≤1 Do thành hai phần xác suất mạng th phát sinh từ can nhiễu hạn chế, g IC (K ) Nếu xác suất dừng tỷ lệ thu n với ρ−m mà ρ tiến tới vô cùng, dạng m ρ SNR [1] Sau Trường hợp 2: mạng giao tuyến nh n thức dùng relay l ủ nhằm a ạng Chứng minh: mạng vô tuyến nh n thức, cần p trường hơp SNR Từ hạn Pk = (i.e., P I thấp O( ρ1−K ) Thứ hai, Pk ρ = λkP với ( No I − c ng kh ng thấp O( ρ K ) , việc lụa chọn thay ) −1 l trường hợp công suất truyền Lưu ý tuyến truyền thống Do suất dừng cho mạng vô tuyến nh n thức mạng vô tuyến truyền thống thông thường giảm số lượng relay tăng Tuy nhiên, việc giảm xác suất dừng cách tăng relay mạng vô tuyến nh n thức khác so với mạng vơ tuyến truyền thống Tóm lại khoảng h kP cho thấy s a Trường hợp so với mạng Conv Chứng minh: s K-1ến K trọng G CR K −1,K ( công thức (10), GCR (K −1, K ) GConv (K −1, K ) có quan hệ với là: GCR (K − 1, K )− GConv (K − 1, K ) = g IC (K − 1, K )− g IC (K ) Từ (12) Giả s g IC (t ′ ) g IC (t ), t ∈ R+ hàm liên tục, biến ổi gra ient ( = ln P Conv + β )(P ược ịnh nghĩa l ) h (t )tại t Conv { ( h (t ) = −1 P Conv P Conv + β P Conv ) + β ≤ 0.5 k ∈ R+ Theo GCR (K − 1, K )− GConv (K − 1, K ) ≥ (12) s Từ trường hợp v trường hợp 3, ta rút a ạng tăng cường s thường lớn mạng CON với cách l 33 Chƣơng V: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Trong chương nay, tiến hành kiểm tra hiệu suất mạng CRN d a xác suất dừng Q trình mơ cơng thức (9) (10) Từ hình 5.1 hình 5.3 cho thấy sư khác v trí máy thu sơ cấp (1, 0), trung nh kênh = 2−α/2 , λ λ =λ Sk SR kD Chương IV.2 5.1 Xác suất dừng phụ thuộc vào tỉ lệ công suất truyền nhiễu Hình 5.1 Xác suất dừng phụ thuộc vào tỉ lệ công suất truyền nhiễu Tọa ộ thành phần: SUS : x=0, y=0; 34 SUD : x=1, y=0; SUK : x=1; y=1; PURX :x=0.35; y=0.5; Trong hình 5.1 ta khảo sát ược xác suất Dừng hệ thống mạng CRN(Cog-Relay) với mạng CON (Conv-Relay) theo tỉ lệ công suất truyền c c nhiễu, P No Với thông số sau( số lượng relay ta thấy xác suất dừng thấp số relay 2, chứng tỏ tăng số lượng relay hiệu suất tăng Ngo i s tương ồng hai mơ hình mạng CRN CON xét việc da dạng l a chọn relay cho phù hợp relay 35 5.2 Xác suất dừng phụ thuộc vào tỉ lệ can nhiễu nhiễu Hình 5.2 Xác suất dừng phụ thuộc vào tỉ lệ can nhiễu nhiễu Tọa ộ thành phần: SUS : x=0, y=0; SUD : x=1, y=0; SUK : x=0.5; y=1.5; PURX :x=0.5; y=0.5; Ở hình 5.2 , khảo sát ảnh hưởng tỉ lệ can nhiễu nhiễu I No , với thông số ( P N o = 40dB CT =2 bps/Hz) Từ y cho thấy ược xác suất dừng cơng suất truyền P cao, ví dụ P N o = 40dB Trong hình 5, cho thấy ường cong 36 cho kết tương ồng hai loại mạng tiêu chuẩn relay Vì ta thấy can nhiễu mang CRN kh ng l m thay ổi tiêu chí a relay 5.3 Xác suất dừng phụ thuộc vào số Relay Hình 5.3 Xác suất dừng phụ thuộc vào số Relay 37 Tọa ộ thành phần: SUS : x=0, y=0; SUD : x=1, y=0; SUK : x=0.5; y=1.75; PURX :x=0.5; y=0.45; Trong hình 5.2 so sánh xác suất dừng mạng vô tuyến nh n thức ( Cog Relay), mạng truyền thống (Conv-Relay), theo số lượng K relay GCR (K −1, K ) GConv (K −1, K ) , ại diện cho xác suất dừng giảm dần tăng số lượng Relay từ K-1 thành K hai mơ hình mạng, với thơng số sau ( I P = −10dB , ρ = P N o = 30dB , CT =5 bps/Hz) 38 Chƣơng 6: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Như v y viết ã trinh y mơ hình s dụng relay mạng vơ tuyến nhân thức underlay Bài viết ã ánh giá cụ thể xác suất dừng mạng giao tuyến nh n thức s dụng Relay phù hợp Trái ngược với mạng vô tuyến truyền thống, xác suất dừng mạng nh n thức s dụng relay bị ảnh hưởng ảnh hưởng khoảng cách tỷ lệ kênh truyền can nhiễu kênh truyền relay, khoảng cách tuyệt ối Ngồi mạng vơ tuyến nh n thức dùng relay có xác suất dừng lu n cao so với mạng giao tuyến nh n thức th ng thường ảnh hưởng can nhiễu hạn chế can thiệp S khác biệt hai giao thức cịn tùy thuộc v o ngưỡng can nhiễu cơng suất tối a, ược hạn chế Xác suất dừng mạng giao tuyến nh n thức với tùy chọn iểm l a chọn relay thi mạng giao tuyến th ng thường, nhiên ể giảm xác suất dừng mạng giao tuyến nh n thức cách tăng relay l hiệu so với mạng th ng thường dùng relay Chúng ta th nghiệm ảnh hưởng can nhiễu số lượng relay xác suất dừng mạng vô tuyến nh n thức v ưa nh n xét mức ộ ảnh hưởng yêu tố 6.2 Hƣớng phát triển Với nhu cầu dịch vụ viễn th ng ng y c ng tăng cao, việc tối ưu h a ăng thơng cấp thiết Mơ hình truyền dẫn giải pháp hứa hẹn ể s dụng triệt ể nguồn tài nguyên hữu hạn Tuy nhiều vấn ề phải giải ể ưa m hình vào th c tế s dụng, lu n văn ng vai trò l sở lý thuyết, ý niệm an ầu cho phát triển sâu rộng ể hoàn thiện hệ thống 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Anh [1] Jemin Lee, Hano Wang, Jeffrey G Andrews and Daesik Hong (2011), “Outage Pro a ility of Cognitive Relay Networks with Interference Constraints” [2] J Mitola, G Q Maguire (1999), "Cognitive radio: making software radios more personal", IEEE Pers Commun., vol 6, no 4, pp 13-18 [3]X Vu, N Fu and F Labeau (2014), "Relay-Based Cooperative Spectrum Sensing Framework Under Imperfect Channel Estimation", IEEE Commu Lett., vol 19, no 2, pp 239-242 [4] O Simeone, I Stanojev, S Savazzi, Y Bar-Ness, U Spagnolini, and R Pickholtz (2008), "Spectrum leasing to cooperating secondary ad-hoc networks", IEEE Journal on Sel Areas in Commun., vol 26, no 1, pp 203-213 [5] Y Guo, G Kang, N Zhang, W Zhou, and P Zhang (2010) "Outage performance of relay-assisted cognitive-radio system under spectrum-sharing constraints", Electron Lett., vol 46, no [6] I Krikidis, J Thompson, S McLaughlin, and N Goertz (2008), "Amplify– and-forward with Partial Relay Selection", IEEE Commun Lett., vol 12, no 4, pp 235–237 [7] J.N Laneman, D.N.C Tse, and G.W Wornell (2004), "Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior", IEEE Trans Inform Theory, vol 50, no.12, pp 3062 – 3080 [8] A Goldsmith, S A Jafar, I Maric, and S Srinivasa, “Breaking spectrum gridlock with cognitive radios: an information theoretic perspective," Proc IEEE, vol 97, no 5, pp 894-914, May 2009 [9] C Chang an J Chang, “Optimal esign parameters in a multihop packet radio network using random access techniques," in Proc IEEE Global Commun Conf., vol 1, pp 493-497, June 1984 [10] O Simeone, U Spagnolini, and Y Bar-Ness, “Sta le throughput of cognitive radios with and without relaying capability," IEEE Trans Commun., vol 55, no 12, pp 2351-2360, Dec 2007 [11] K Lee an A Yener, “Dừng performance of cognitive wireless relay networks," in Proc IEEE Global Commun Conf., pp 1-5, Nov 2006 40 H A Suraweera, P J Smith, an N A Suro hi, “Exact outage probability of cooperative diversity with opportunistic spectrum access," in Proc IEEE Intl Conf Commun., pp 79-84, May 2008 [13] J Mietzner, L Lampe, an R Scho er, “Distri ute transmit power allocation multihop cognitive-radio systems," IEEE Trans Wireless Commun., vol 8, no 10, pp 5187-5201, Oct 2009 Tài liệ iếng Việ [14] Lu n văn thạc sỉ Trần Văn Hiếu, “ ánh giá hiệu giao thức truyền a chặng cộng tác v tuyến nh n thức ạng nền”, Nove 2014 [15] Lu n văn thạc sỉ Phùng Mạnh Quỳnh, “ ánh giá s tác ộng phần cứng kh ng ho n hảo lên hiệu mạng v tuyến nh n thức ạng nền”, September 2015 [12] 41 ... 13/2/2017 Tên ề tài : Xác ịnh xác suất dừng mạng vô tuyến nh n thức với ràng buộc can nhiễu Nội ung th c ề t i trình bày mơ hình s dụng relay mạng vô tuyến nhân thức underlay với can nhiễu phải hạn... xác suất dừng mạng vô tuyến truyền thống xác suất dừng tăng lên g y can nhiễu; 3) Mạng vô tuyến nh n thức chuyển tiếp tương ương với mạng truyền thống a dạng l a chọn relay, xác suất dừng giảm mạng. .. CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: XÁC ĐỊNH XÁC SUẤT DỪNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VỚI RÀNG BUỘC CAN NHIỄU SVTH : SVTH : Khóa : Ngành : GVHD: NGUYỄN CHÂN