CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
2.6. Kênh truyền trong vô tuyến nhận thức
Giả sử độ lợi kênh truyền của mỗi người dùng được chuẩn hóa là một mô hình kênh truyền được thể hiện như hình 2.7 sau:
Hình 2. 7. Kênh truyền nhận thức Khi đó, kênh truyền được thể hiện theo công thức sau:
2.1 2.2 Trong đó:
Yp: Tín hiệu thu được của người dùng chính.
Ys: Tín hiệu thu được của người dùng nhận thức.
Xp: Tín hiệu phát của người dùng chính.
Xs: Tín hiệu phát của người dùng nhận thức.
a,b: Các độ lợi kênh truyền.
Np: Nhiễu tại phía thu của người dùng chính.
Ns: Nhiễu tại phía thu của người dùng nhận thức.
Giả định rằng người dùng nhận thức ở gần các trạm gốc của nó hơn các người dùng chính, do đó, trong các công thức trên ta có a ≤ 1. Trong mô hình kênh truyền (1,a,b,1) trên, dung lượng kênh của người dùng nhận thức được xác định theo công thức sau:
∗ log 1 + 1 − α
, 2.3 Trong đó ! ≤ "0,1$ là mức công suất người dùng nhận thức sử dụng để truyền phối hợp với người dùng chính.
Khi đó, người dùng chính không cần quan tâm sự có mặt của người dùng nhận thức và vẫn đạt dung lượng kênh giống như khi không có người dùng nhận thức %∗ = log &1 + '
'(. Khi đó, ta có [11] :
%∗ = log 1 + %
% = log
)
**
*+ 1 +
,- %/ % + /! 0 1
1 + 1 − ! 0
2 33 34
2.4
Giá trị của có thể được xác định theo công thức sau:
! = /6- %7-1 + 1 + % − 18
- 1 + % 9 2.5 Để làm giảm nhiễu gây ra cho người dùng chính, có thể sử dụng kỹ thuật mã hóa dirty paper. Trong đó, cho rằng người dùng nhận thức bằng các kỹ thuật khác
nhau có khả năng thu được các tín hiệu mp của người dùng chính, khi đó thay vì phát tín hiệu ms của mình, nó thực hiện chồng mã hóa như sau:
;< = =;<+ /!
% >< 2.6 Trong đó =;< là kết quả mã hóa dirty paper của ms. Khi đó người dùng nhận thức chịu một mức nhiễu & @A'<( ><. Việc người dùng nhận thức sử dụng một phần công suất của mình để phát đi tín hiệu của người dùng chính là để bù lại cho mất mát SNR của người dùng chính [26].
2.6.2 Kênh truyền tránh xung đột
Trong mô hình interweave, người dùng nhận thức chỉ được sử dụng kênh truyền trong các phổ trống. Trong một băng tần xác định, người dùng nhận thức chỉ được sử dụng khi không có sự tham gia của người dùng chính. Do đó, người dùng nhận thức cần có khả năng cảm biến sự xuất hiện của người dùng chính trong phạm vi hoạt động của mình.
Xét phía phát của người dùng nhận thức Ss có khả năng cảm biến trong khu vực có bán kính Rs, phía thu của người dùng nhận thức Rs có khả năng cảm biến trong khu vực có bán kính Rr. Trong các khu vực có tồn tại những người dùng chính A, B, C như (hình 2.8):
Hình 2. 8. Mô hình kênh truyền tránh xung đột.
Phía phát Ss phát hiện có phổ trống khi đồng thời hai người dùng A và B không hoạt động. Tương tự, phía thu Rs phát hiện có phổ trống khi không có sự hoạt động của hai người dùng B và C. Mô hình kênh truyền tương đương có thể được minh họa trong hình:
Hình 2. 9. Mô hình tương đương kênh truyền chống xung đột.
Trong đó hai khóa ss và sr mang các giá trị giữa 0 và 1. Giá trị 1 khi không có sự xuất hiện của người dùng chính, và 0 khi tồn tại một người dùng chính trong khu vực cảm biến. Quá trình giám sát của người dùng nhận thức cần thực hiện đáp ứng thời gian thực để không gây ảnh hưởng cho người dùng chính.
Khi đó tín hiệu nhận được tại phía thu được biểu diễn theo phương trình:
= 7 < + 8BC 2.7 Việc tính dung lượng kênh nhận thức trong trường hợp này phụ thuộc vào các giá trị của ss và sr. Do đó kết quả tính dung lượng kênh là phức tạp. Ta có thể ước tính các giới hạn của dung lượng kênh với hai biên trên và dưới cho nó. Khi đó, dung lượng kênh chuẩn hóa cực đại có thể xác định theo công thức:
E FCGH"B BC 1$IJK &1 L( 2.8 Trong đó P là công suất phát của người dùng nhận thức. FCGH"B BC 1$ là hàm mật độ xác suất khi B BC 1.
Xem sự xuất hiện của người dùng chính tuân theo phân phối Possion với mật độ λ ta có biểu thức (2.8) được viết lại thành [9], [26]:
E = NOP, QR
S TOUCVVG W XYRZ [ XQR/\O X]YSRS1
IJK &1 F
^ NPTQR
S( 2.9
2.6.3 Kênh truyền hình phối hợp
Trong mô hình kênh truyền hình phối hợp, người dùng nhận thức thực hiện các vai trò trong mạng như một relay cho các tín hiệu của người dùng chính. Trong mạng có 3 nút cơ bản bao gồm nút nguồn s, nút relay r, và nút nhận d. Được minh họa trong hình sau:
Hình 2. 10. Mô hình phối hợp relay.
Nút r hoạt động trong chế độ bán song công. Nó hoạt động ở hai trạng thái, một trạng thái lắng nghe tín hiệu từ nút s và một trạng thái phối hợp với s để truyền tín hiệu đến cho d. Trong trạng thái lắng nghe, nó nhận được n1 tín hiệu từ nút nguồn, trong trạng thái phối hợp, nó thực hiện relay cho n – n1 tín hiệu đến cho nút nhận.
Xét kênh truyền là AWGN, gọi X và U là các vector tín hiệu phát lần lượt tại nút nguồn và nút relay, Y và Z lần lượt là vec-tơ thu được tại nút relay và nút nhận.
Gọi Hs là ma trận kênh truyền giữa nút nguồn và nút nhận, Hr là ma trận giữa nút
nguồn và nút relay. Hc là ma trận kênh truyền trong đó có chứa Hs như là một ma trận con.
Trong trạng thái lắng nghe của nút relay từ nút nguồn, ta có:
Z = Hs X + Nz
Y = Hr X + Ny (2.10) Trong đó Nz và Ny là nhiễu Gauss của kênh truyền AWGN. Tương tự trong trạng thái relay ta có:
` = aV " bc , dc $c + Le 2.11 Dung lượng kênh chuẩn hóa R WHfg.ceZ đối với mỗi kênh truyền có ma trận H được tính:
R = log det l + mmc = R H 2.12
Trong mô hình relay trên, đặt o = ppq , o ∈ "0,1$, ta có dung lượng kênh cho mô hình relay trên là:
R = oR st + 1 − o R su 2.13 Các tính toán ở trên được sử dụng trong điều kiện người dùng nhận thức sử dụng công suất phát của mình để hỗ trợ cho việc relay các tín hiệu của người dùng chính. Phát triển hơn nữa, người dùng nhận thức có thể sử dụng một phần công suất của mình để thực hiện thu phát cho các tín hiệu của mình và một phần còn lại thực hiện relay để bù lại tỉ lệ SNR cho người dùng chính [27].