4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
2.1.4. Mơ hình chia sẻ phổ tín hiệu và truyền tin hợp tác mới (theo [26])
tác mới (theo [CITATION Tru19 \l 1033 ])
Qua các phương trình trên, các phương trình (6) đến (8) thể hiện sự hợp tác và chia sẻ phổ giữa hai hệ PU và SU. Phương pháp xếp chồng tín hiệu như thể hiện ở các phương trình trên cũng là phương pháp phổ biến được sử dụng ở các nghiên cứu khác [CITATION Tru14 \l 1033 ] [CITATION VAs11 \l 1033 ] [CITATION YHa101 \l 1033 ] [CITATION YHa12 \l 1033 ] [CITATION Wei12 \l 1033 ]. Hầu hết các nghiên cứu hiện nay chọn tín hiệu SU là các tín hiệu phổ biến như M-ary PSK (với chòm sao tương tự như ) hoặc M-ary PAM với chòm sao như mô tả tại Chương 3 của tài liệu [ CITATION JPr08 \l 1033 ].
Ví dụ:
- Chọn tín hiệu có dạng chịm sao tương tự . Theo đó, , .
Việc lựa chọn tín hiệu và xếp chồng tín hiệu như trên có đặc điểm nổi bật như sau: “Ký hiệu PU và ký hiệu SU là hai tín hiệu độc lập, khơng phụ thuộc
nhau về đặc tính điều chế, về truyền dẫn”.
Với đặc tính đó, việc xếp chồng tín hiệu như trình bày ở cơng thức (4) và đến (7) dẫn đến các hệ quả đáng chú ý như sau (Minh hoạ tại Hình 2.2):
+ Tín hiệu PU ( ) và tín hiệu SU ( ln ln là can nhiễu của nhau. Ở
Hình 2.2, tín hiệu với bán kính A1 là tín hiệu PU (tương ứng với biên độ ), tín
hiệu ứng với bán kính A2 là tín hiệu SU (ứng với biên độ ). Có thể thấy rằng, với sự xuất hiện của SU sẽ dẫn đến làm thu hẹp hoặc đảo lộn khoảng cách Euclid giữa 2 tín hiệu PU và SU. Đây là nguyên nhân chính dẫn đến gây can nhiễu cho nhau.
do sẽ gây can nhiễu đến hệ PU (vốn là hệ được ưu tiên hơn về chất lượng). + Nếu hệ PU có yêu cầu cao về SINR (giá trị SINR cao), công suất phát dành cho hệ PU thường lớn, dẫn đến gây can nhiễu cao cho hệ SU. Lúc bấy giờ, hệ SU rất khó để đạt hiệu suất truyền dẫn mong muốn.
Hình 2.2. Minh họa trường hợp cả tín hiệu PU () và SU () đều sử dụng M- ary PSK.
Ghi chú: Hai tín hiệu được xếp chồng theo phương pháp cộng thông thường
như ở Công thức (4): .
Với cùng một tọa độ về khe thời gian, tần số và không gian, các hệ quả trên là nhược điểm gần như là cố hữu (đến mức không thể giải quyết được) của chia sẻ phổ xám. Năm 2019, nhóm tác giả Truc T.T và cộng sự đã đề xuất giải pháp để khắc phục các vấn đề trên tại công bố [CITATION Tru19 \l
1033 ]. Theo đó, xem đặc tính điều chế của tín hiệu là điểm có thể khai thác để chia sẻ phổ. Tại nghiên cứu đó, nhóm tác giả chứng minh hiệu quả của giải pháp thông qua chỉ số thông lượng truyền dẫn đạt được (achievable rates). Tín hiệu PU được xem là tín hiệu pha liên tục, tín hiệu SU được lựa chọn là tín hiệu biên độ liên tục. Trong quá trình chia sẻ phổ và truyền tin hợp tác, nút trung gian (tương tự nút R) thực hiện xếp chồng tín hiệu một cách có phụ thuộc: tín hiệu SU được xếp chồng phụ thuộc vào vị trí của tín hiệu PU. Ở luận văn này, tạm gọi giải pháp này là mô hình chia sẻ phổ hợp tác phụ
thuộc. Cịn mơ hình truyền thống tạm gọi là mơ hình chia sẻ phổ hợp tác độc lập. Bằng cách này, nhóm nghiên cứu đã so sánh giải pháp mới với giải pháp
truyền thống khác và đã chứng tỏ giải pháp mới đạt được một số ưu điểm sau: + Tín hiệu SU khơng là can nhiễu của tín hiệu PU. Tín hiệu SU thậm chí góp phần cải thiện hiệu quả giải mã của tín hiệu PU. Ưu điểm này giúp cho giải pháp mới không những tương đương với chia sẻ phổ bằng khoảng phổ trắng mà còn ưu điểm hơn.
+ Hiệu quả về mặt băng thông truyền dẫn cao hơn so với phương pháp chia sẻ phổ truyền thống.
Kế thừa ý tưởng và các thành quả của ở nghiên cứu trên, ở luận văn này, học viên tiếp tục triển khai các nội dung chính như sau:
+ Triển khai với trường hợp tín hiệu PU và SU là các ký hiệu điều chế rời rạc phân bố đều. Cụ thể, trường hợp này tín hiệu PU là tín hiệu M-ary PSK. Tín hiệu SU sẽ là tín hiệu biên độ rời rạc. (Thay vì nghiên cứu tín hiệu liên tục như nghiên cứu [CITATION Tru19 \l 1033 ])
+ Hiệu quả của giải pháp sẽ được khảo sát ở chỉ số tỷ số lỗi ký hiệu (thay vị khảo sát băng thông truyền dẫn cực đại như ở nghiên cứu [CITATION Tru19 \l 1033 ]).
+ Kế thừa phương pháp xếp chồng tín hiệu phụ thuộc mà nghiên cứu [CITATION Tru19 \l 1033 ] đã trình bày.
+ Bổ sung lại thuật tốn tách tín hiệu (giải mã tín hiệu) ở các nút R, D và X để phù hợp với giải pháp nghiên cứu.
Qua các trình bày ở trên cho thấy việc chọn dạng tín hiệu, cụ thể là chịm sao và kiểu điều chế của tín hiệu trong mơ hình chia sẻ phổ hợp tác phụ thuộc. Ở đây, lựa chọn loại tín hiệu biên độ rời rạc với chòm sao như sau:
( 0)
Lưu ý giá trị mơ-men bậc 2 trung bình ln bảo đảm ngun tắc sau . Thay vì bố trí xếp chồng tín hiệu độc lập như phương pháp truyền thống (tương tự phương trình (4) đến (6)), luận văn này thực hiện việc xếp chồng tín hiệu SU lên tín hiệu PU theo hình thức phụ thuộc với phương trình tốn học tương ứng như sau:
(0)
Trong đó là tín hiệu sau khi xếp chồng. Phương trình cho thấy vị trí của tín hiệu SU () nằm liên kết với tín hiện PU () thơng qua phép nhân (thay vì phép cộng như phương pháp truyền thống). Hình 2.3 minh họa cho sự phụ thuộc này. Tham số là một gia số được thêm vào để tùy biến, cho phép hiệu chỉnh vị trí của ký hiệu tổng hợp trên mặt phẳng phức.
Hình vẽ này cũng cho thấy một số các đặc điểm như sau:
+ Giá trị càng lớn thì khoảng cách giữa 2 ký hiệu và (hai ký hiệu với giá trị kế cận nhau) càng lớn. Giá trị càng lớn cũng dẫn đến công suất sử dụng cho phần không mang thông tin lớn. Nhược điểm này sẽ làm rõ hơn trong các phần sau.
+ Với hai ký hiệu kế cận và , ta có thể thấy rằng, khoảng cách này luôn bằng với khoảng cách giữa hai ký hiệu lân cận và .
+ Giá trị càng lớn thì khoảng cách giữa 2 ký hiệu và càng lớn.
Hình 2.3. Mô hình chia sẻ phổ hợp tác phụ thuộc. Trong đó tín hiệu SU () phụ thuộc vào vị trí tín hiệu PU ().
Các đặc điểm trên tạm thời gợi ý rằng: Nếu đặt giá trí đủ lớn và khoảng cách giữa các ký hiệu được bố trí hợp lý thì khả năng phân biệt giữa hai ký hiệu càng tốt. Do vậy giải thuật tách sóng ký hiệu PU () cần được sắp xếp phù hợp để bảo đảm khai thác được đặc điểm này.
Trên cơ sở đó, giải thuật tách sóng (dị tín hiệu) của mơ hình mới có thể xây dựng theo các hướng như sau:
- Thứ nhất, tín hiệu sau khi xếp chồng (SU lên PU theo phương pháp mới) không thay đổi thơng tin về pha của tín hiệu PU. Như vậy, tách sóng pha có thể sử dụng theo đúng Giải thuật tách sóng pha của tín hiệu thuần M-ary PSK. Do vậy tại Nút D sẽ giống Giải thuật tại Nút R. (Giải thuật 2 sẽ tương tự như Giải thuật 1)
- Thứ hai, tín hiệu biên độ của hệ SU (thu tại nút X) là tín hiệu thuần biên độ. Trong khi đó, tín hiệu xếp chồng có chứa cả hai thơng tin pha lẫn biên độ. Để bảo đảm tách sóng hiệu quả, cần các biện pháp xử lý tín hiệu để quy tín hiệu thu được tại X thành tín hiệu thuần biên độ (chi tiết sẽ được nêu ở Giải thuật 3)
Phương trình nhận tín hiệu tại nút R ở pha quảng bá (pha thứ nhất) vẫn giữ nguyên, giống với phương trình (4).
Phương trình tín hiệu nhận tại nút D trong pha chuyển tiếp như sau: (0)
Tín hiệu thu được tại nút X là:
2.2.GIẢI THUẬT DỊ TÍN HIỆU TRONG MƠ HÌNH CHIA SẺ PHỔ HỢP TÁC PHỤ THUỘC DỰA TRÊN KHAI THÁC ĐẶC TÍNH ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU M-
ARY PSK. 2.2.1. Giải thuật dị tín hiệu tại nút R
Việc dị tín hiệu PU tại nút R tại pha truyền sóng thứ nhất được thực hiện hồn tồn tương tự như phương pháp tách sóng thơng thường. Chi tiết giải thuật được trình bày như Bảng sau.
GIẢI THUẬT 1:
1: Thực hiện tách tín hiệu M-ary PSK theo phương pháp Maximum Likelihood
(0)
Lưu ý ở đây, trong phạm vi bài toán này đã giả định hệ số kênh truyền được các nút truyền dẫn biết và ước lượng chính xác, cơng suất phát của tín hiệu cũng đã biết. Do vậy nút R sẽ thực hiện đo đạc xem xét khoảng cách giữa tín hiệu nhận được với các tất các cả ký hiệu M-ary có trong chịm sao (xem xét tất cả ký hiệu ). Giá trị ước lượng (tương ứng với ký hiệu dị tìm được ) là giá trị tương ứng với khoảng cách nhỏ nhất.
Tỷ lệ xác suất lỗi ký hiệu được biểu diễn theo lý thuyết như sau [ CITATION JPr08 \l 1033 ]:
(0)
2.2.2. Giải thuật dị tín hiệu PU tại nút D
Có thể thấy rằng ở Hình 2.3, việc xếp chồng tín hiệu SU () theo cách mới hồn tồn khơng gây ảnh hưởng (gây sai lệch) về pha của tín hiệu PU . Trong khi đó, phần thơng tin của tín hiệu PU chỉ nằm trong thành phần pha của tín hiệu. Thành phần biên độ hồn tồn khơng mang tín hiệu.
- Chi tiết giải thuật: Đặc điểm này cho phép nút D có thể hồn tồn dùng lại dị tín hiệu M-ary thơng dụng. Giải thuật được trình bày tường minh như sau.
GIẢI THUẬT 2:
1: Thực hiện tách tín hiệu M-ary PSK theo phương pháp Maximum Likelihood
(0)
Đáng lưu ý, với mơ hình M-ary PSK thơng thường, giá trị biên độ của tín hiệu thường phải được máy thu biết và áp dụng. Trường hợp đó phải viết tường minh . Tuy nhiên ở đây, tác giả vẫn tiếp tục đề xuất không sử dụng các thành phần do các lý do sau:
- Nút D khơng thể biết tín hiệu SU (.
- Việc nút D (vốn là máy nhận của hệ thống ưu tiên hơn) phải cập nhật các tham số do nút R bổ sung (thuộc hệ thống SU) là không cần thiết.
- Hơn nữa, giả sử trường hợp nút D biết trước tín hiệu , giải thuật đề xuất sử dụng tại (15) vẫn bảo đảm hiệu quả dị tín hiệu như phương trình tường minh. Lý do, đặc tính “thơng tin của tín hiệu M-ary PSK nằm ở thành phần pha”. Bằng cách khai thác đặc điểm này, giải thuật 2 có thể rút gọn rất nhiều tham số không cần thiết trong phương trình dị sóng.
Phương trình tỷ số lỗi ký hiệu SER được biễu diễn như sau:
, ** , 0 0 0 1 1 , , 0 0 ( ) 1 Pr ( , ) 1 1 2 2 sin ( ) D D n e D D n n N N D n D D n n n H P y S U N Q H N M N % % 1 4 44 2 4 4 43 ( 0) Trong đó:
2 2 2 2 0, , 2 2 2 2 2 2 P S n n D n D D P S RD n P P U x h P P U
Phân tích vai trị của tham số
Từ công thức trên ta thấy rõ ràng nếu càng lớn thì SINR từng thành phần được cải thiện, dẫn tới làm giảm tỷ lệ SER. Tỷ số SER đơn điệu giảm với . Do vậy, với một tỷ lệ SER của tín hiệu PU u cầu cho trước, ví dụ , ln ln tồn tại giá trị để bảo đảm .
Để bảo đảm , giá trị được chọn phải thỏa mãn: .
2.3.3. Giải thuật dị tín hiệu PU tại nút X
Nút X thực hiện dị tín hiệu SU () đã phát. Thơng qua biểu thức (10) và
Hình 2.3, có thể thấy rằng tín hiệu nằm trong thành phần biên độ của tín hiệu
PU. Hơn nữa đặc thù chịm sao của tín hiệu SU là điều chế PAM.
GIẢI THUẬT 3:
1: Thực hiện tách tín hiệu PU theo phương pháp Maximum Likelihood (0)
2: Loại bỏ tín hiệu PU ra khỏi tín hiệu nhận (0)
3: Tách tín hiệu SU từ tín hiệu theo phương pháp Maximum Likelihood
(0)
Giải thuật thực hiện bao gồm 03 bước như mơ tả ở Giải thuật 3. Trong đó ở bước đầu tiên, nút X cố gắng bóc tách được tín hiệu PU. Ký hiệu dị được ký hiệu là . Ký hiệu này sau đó được sử dụng ở Bước 2 nhằm loại bỏ thành phần tín hiệu PU. Tín hiệu sau khi bóc tách được đặt là . Bước 3 thực hiện việc dị tín hiệu SU từ tín hiệu bằng cách sử dụng phương pháp đo khoảng cách Euclid đối với tín hiệu PAM.
Trường hợp lý tưởng nhất của giải thuật này là khi Bước 1 thực hiện dò đúng tín hiệu PU (hệ quả kéo theo Bước 2 loại bỏ được tín hiệu PU). Ngược lại, khi Bước 1 dị tín hiệu sai, kết quả sẽ ảnh hưởng đến việc tách sóng ở Bước 3 do tồn tại tín hiệu can nhiễu trong q trình khử tín hiệu ở Bước 2.
Xác suất tỷ lệ lỗi ký dị tìm tín hiệu được mơ tả như sau:
0 1 1 . ** , 2 1 1 0 . 2 1 1 2 * 2 1 Pr | 0, , , , Pr 0 | , , , Pr 0 | , Pr 0 | , , N P S n e D m n P S n m m e m P n n m R F G P P N m R F G P P m R F m R F P x ( 0) Ở đây có thể thấy rằng, vai trị của tham số rất quan trọng trọng việc điều tiết độ chính xác của Giải thuật 3. Cụ thể như sau: Khi tham số càng lớn thì khả năng loại bỏ tín hiệu PU ở bước 2 càng cao. Dẫn tới việc dị tín hiệu càng chính xác. Tuy nhiên xét về mặt cơng suất, giá trị tham số càng lớn càng dẫn đến hao phí về mặt năng lượng cho tín hiệu khơng mang thơng tin.
Do vậy, ở đây có sự mâu thuẫn vừa tích cực vừa hạn chế của tham số . Điều này đặt ra vấn đề trade-off để cân bằng về hiệu năng hoạt động của hệ thống PU và SU.
2.3.KẾT CHƯƠNG
Nội dung Chương 2 trình bày cụ thể về giải pháp chia sẻ phổ tần số độc lập và phụ thuộc. Trong đó, tập trung vào nghiên cứu giải pháp thứ hai. Ở mơ hình mới được kế thừa các nghiên cứu trước đó của tập thể tác giả Truc. T.T và cộng sự với bài báo khoa học [CITATION Tru19 \l 1033 ]. Điểm khác biệt chính của nghiên cứu ở luận văn này là nghiên cứu trường hợp tín hiệu điều chế rời rạc và chỉ số kỹ thuật khảo sát đánh giá so sánh là tỷ lệ lỗi ký hiệu.
PSK của hệ thống PU bằng cách:
1. Chọn tín hiệu SU là tín hiệu PAM.
2. Áp dụng tham số để điều chỉnh vị trí của chịm sao tín hiệu tổng hợp trên mặt phẳng phức.
3. Đặt tín hiệu vào biên độ của tín hiệu .
Cùng với giải pháp mới, Chương 2 cũng nêu rõ 03 giải thuật dị tín hiệu tại các nút nhận tín hiệu R, D và X.
CHƯƠNG 3
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG GIẢI PHÁP CHIA SẺ PHỔ PHỤ THUỘC
Chương này trình bày các kết quả mơ phỏng để đối chiếu so sánh giữa phương pháp đề xuất với phương pháp truyền tin hợp tác truyền thống. Các chỉ số so sánh được dựa trên các chỉ tiêu cơ bản của truyền dẫn lớp vật lý gồm:
- Tỷ lệ sai số ký hiệu SER. - Cơng suất phát tín hiệu.
Để thuận tiện phân biệt giữa 02 mơ hình truyền thống và đề xuất, hệ thống các ký hiệu được đặt thêm các ký hiệu phụ để dễ phân biệt. Các giá trị liên quan đến phương pháp truyền thống được đặt thêm ký hiệu phụ “conv”, trong khi các phương pháp đề xuất tương ứng là “prop”.
Tổng hợp các ký hiệu sau khi đặt tên ký hiệu phụ là như Bảng sau:
ST T Ký hiệu Mơ tả Phương pháp truyền thống Phương pháp đề xuất
Cơng suất tín hiệu sử dụng cho tín hiệu sơ cấp tại nút chuyển tiếp R
Cơng suất tín hiệu sử dụng cho tín hiệu thứ cấp tại nút chuyển tiếp R
Tổng công suất phát sử dụng tại nút R
Kích cỡ chịm sao điều chế của tín hiệu PSK (tính hiệu sơ cấp)
Kích cỡ chịm sao điều chế của tín hiệu thứ cấp
Chỉ số SINR mà máy thu D yêu