ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN THIÊN THANH NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG MẠNG TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP TRÊN NỀN VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số chuyên ngành: 62527001 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2015 Công trình hoàn thành Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn khoa học 1: PGS TS Vũ Đình Thành Người hướng dẫn khoa học 2: TS Nguyễn Tuấn Đức Phản biện độc lập 1: PGS TS Nguyễn Huy Hoàng Phản biện độc lập 2: PGS TS Trần Thu Hà Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Văn Khang Phản biện 2: PGS TS Trần Công Hùng Phản biện 3: TS Hà Hoàng Kha Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp vào lúc ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp HCM - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ [1] T.-T Tran, V D Thanh, and V N Q Bao, "Impact of CSI Imperfection on Underlay Decode-and-Forward Multihop Networks over Nakagami-m Channels," in International Conference on Green and Human Information Technology (ICGHIT), Vietnam, 2014, pp 342-347 [2] V N Q Bao, T T Thanh, N T Duc, and V D Thanh, "Spectrum Sharing-based Multihop Decode-and-Forward Relay Networks under Interference Constraints: Performance Analysis and Relay Position Optimization," Journal of Communications and Networks, vol 15, pp 266-275, Jun 2013 [3] T.-T Tran, V N Quoc Bao, V Dinh Thanh, and T Q Duong, "Performance analysis and optimal relay position of cognitive spectrum-sharing dual-hop decode-and-forward networks," in 2013 International Conference on Computing, Management and Telecommunications (ComManTel), Vietnam, 2013, pp 269-273 [4] T T Tran, V N Q Bao, V D Thanh, and T D Nguyen, "Performance analysis of spectrum sharing-based multi-hop decode-andforward relay networks under interference constraints," in 2012 Fourth International Conference on Communications and Electronics (ICCE), Vietnam, 2012, pp 200-205 CHƢƠNG 1.1 MỞ ĐẦU Mục đích Trong năm gần đây, công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio – CR) xem giải pháp tiềm để cải thiện độ chiếm dụng phổ tần, bị giới hạn sách phân bố phổ tần cố định Ý tưởng vô tuyến nhận thức cho phép người dùng không đăng ký sử dụng tần số (người dùng thứ cấp - SU) tận dụng băng tần cấp phép miễn không gây ảnh hưởng đến việc truyền liệu người dùng đăng ký tần số (người dùng sơ cấp - PU) Do đó, CR xem chìa khóa để giải vấn đề khan phổ tần Xét khía cạnh hiệu suất sử dụng phổ, mô hình dạng cho kết tốt so với mô hình lại đặc tính cho phép hai hệ thống hoạt động đồng thời thời điểm Tuy nhiên, tính chất mô hình dạng nền, công suất phát thiết bị thuộc hệ thống thứ cấp bị giới hạn ngưỡng cho trước, dẫn đến phạm vi vùng phủ sóng bị giới hạn 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 Điểm chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật Khuếch đại chuyển tiếp (AF) Giải mã chuyển tiếp (DF) để chuyển liệu Nhược điểm công nghệ truyền thông chuyển tiếp liệu truyền hai khe thời gian Kết tốc độ truyền liệu hệ thống thứ cấp bị giảm Theo phân tích trên, mục đích luận văn tìm giải pháp thỏa mãn cho toán đồng thời vừa mở rộng vùng phủ sóng, vừa tăng hiệu suất sử dụng phổ hệ thống thứ cấp thông qua việc thiết kế mô hình mạng phân tích hiệu mô hình đề xuất 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Một cách cụ thể, luận văn tập trung thiết kế mạng truyền thông đa chặng điều kiện ràng buộc mức can nhiễu nút sơ cấp với tiêu chí: - Giảm ảnh hưởng can nhiễu gây hệ thống thứ cấp máy thu sơ cấp, - Cải thiện chất lượng hệ thống thứ cấp, - Cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần hệ thống thứ cấp Luận văn này, với mục đích khảo sát tìm giải pháp nhằm tăng hiệu suất sử dụng phổ chất lượng hoạt động hệ thống SU, đề xuất áp dụng kỹ thuật truyền thích nghi biến đổi chòm điều chế vào hệ thống mạng chuyển tiếp nhận thức 1.3 Nội dung nghiên cứu Luận văn thực trước hết mô hình toán xác suất cho kênh fading Rayleigh Nakagami-m, sau thực mô kiểm chứng thông qua phần mềm Matlab Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng mạng khảo sát, bao gồm: số chặng, vị trí thiết bị chuyển tiếp, kỹ thuật điều chế thích nghi đa tốc độ Hiệu hệ thống thứ cấp phân tích khảo sát mô hình đề xuất 1.4 Phạm vi thực đề tài Các nghiên cứu tập trung vào thông tin vô tuyến, mạng truyền thông hợp tác/đa chặng, kỹ thuật vô tuyến nhận thức, phương pháp truy nhập phổ dạng nền, kỹ thuật điều chế thích nghi Trong luận văn này, giả sử áp dụng cho tất mô hình nghiên cứu bao gồm: - Chế độ truyền hệ thống thứ cấp bán song công - Mỗi thiết bị hệ thống thứ cấp trang bị ăng-ten - Công suất phát thiết bị thứ cấp điều chỉnh thay đổi theo chất lượng kênh truyền tức thời, cụ thể theo giá trị thông tin kênh truyền can nhiễu tức thời (Channel State Information – CSI), thay cố định giá trị công suất phát số hệ thống truyền thống - Khoảng cách thiết bị thứ cấp nguồn thứ cấp đích chuẩn hóa một, thiết bị thứ cấp nguồn đặt gốc tọa độ 0xy 1.5 Các đóng góp luận án thực nghiên cứu hiệu bốn mô hình hệ thống Trong bốn mô hình đề xuất, công suất phát thiết bị phát hệ thống thứ cấp điều chỉnh cho đạt giá trị tối đa có dựa thông tin kênh truyền tức thời nhận từ kênh hồi tiếp, đồng thời đảm bảo ràng buộc can nhiễu gây chúng ảnh hưởng lên thiết bị sơ cấp thu không vượt giá trị ngưỡng cho trước Việc cho phép thay đổi công suất phát theo ký tự truyền thay cố định công suất phát thiết bị hệ thống thứ cấp giúp tăng chất lượng kênh thứ cấp Nhằm cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần, luận án tập trung nghiên cứu mô hình nhận thức với phương pháp truy nhập phổ dạng Cụ thể: Mô hình 1- Hình 3.1: luận án đề xuất khảo sát mô hình hai chặng có phân bố kênh tổng quát không đồng Nakagami-m, kỹ thuật sử dụng chuyển tiếp liệu DF Mô hình có mô hình hoạt động tương tự [10] Kết phân tích hiệu hệ thống thông qua xây dựng lại thông số xác suất dừng hệ thống xác [10], đề xuất công thức OP xấp xỉ Dựa vào công 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 Ngoài ra, toán khảo sát vị trí điểm chuyển tiếp hệ thống thứ cấp nhằm tối ưu hiệu hệ thống giải Các kết nghiên cứu mô hình đề cập [11] Kết nghiên cứu [11] cho thấy mô hình đề xuất cho hiệu suất tốt so với mô hình tương đương thiết bị chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật AF thay DF [12] Mô hình 2- : Mô hình khảo sát mô hình hệ thống nhận thức với kênh thứ cấp số chặng tổng quát hoạt động tác động kênh n.i.i.d Rayleigh Tương tự mô hình 1, kỹ thuật chuyển tiếp DF sử dụng thiết bị trung gian Hiệu hệ thống phân tích ba thông số: xác suất dừng hệ thống, tỉ lệ lỗi bit hệ thống dung lượng ergodic Trong OP xác xây dựng lại từ [13], OP xấp xỉ, BER C công thức toán học đề xuất luận văn Luận án thực 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 Các phân tích hiệu hệ thống trình bày [14] Bài toán tổng quát tìm vị trí điểm chuyển tiếp cho cực tiểu theo xác suất dừng cực tiểu tỉ lệ lỗi bit hệ thống trình bày báo [15] Bên cạnh đó, báo [16] khảo sát hiệu suất thông qua thông số BER với mô hình tương tự Mô hình với phân bố kênh Nakagami-m; khảo sát ràng buộc công suất phần cứng [17] Kết nghiên cứu báo có kết luận trình bày luận án Mô hình - Hình 5.1: Mô hình đề xuất sử dụng kỹ thuật đa chế độ điều chế Tùy thuộc vào chất lượng môi trường truyền mà hệ thống thứ cấp tự điều chỉnh thông số điều chế phù hợp với hàm mục tiêu tỉ lệ lỗi bit truyền ứng với ký tự (symbol) truyền nhỏ giá trị 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 Thông số đo lường chất lượng hệ thống thứ cấp đề xuất bao gồm xác suất dừng hệ thống, hiệu suất phổ tần tỉ lệ lỗi bit trung bình Mô hình thứ ba nghiên cứu khảo sát luận án mô hình thực nghiên cứu kết hợp ba công nghệ gồm công nghệ vô tuyến nhận thức, công nghệ truyền thông hợp tác kỹ thuật điều chế thích nghi với đa chế độ điều chế Đây mô hình xem xét kênh truyền can nhiễu việc điều chỉnh mức điều chế thích hợp Các kết đạt mô hình nghiên cứu sở phát triển cho nghiên cứu tương lai Mô hình - Hình 6.1: Trong ba mô hình trước, kênh hồi tiếp giả sử hoàn hảo, có nghĩa không lỗi không trễ Nhằm nghiên cứu ảnh hưởng kênh truyền có lỗi, luận án thực khảo sát hệ thống đa chặng DF với phân bố kênh Nakagami-m tổng quát dạng nền, phát triển từ báo [18] với phân bố kênh Rayleigh, xác suất can nhiễu gây hệ thống thứ cấp ảnh hưởng đến thiết bị sơ cấp thu khảo sát theo thông số số chặng, hệ số tương quan hệ số kênh truyền ước lượng Hiệu suất kênh thứ cấp khảo sát thông qua xác suất dừng hệ thống [19] Mô hình mô hình mở rộng (đa chặng) so với mô hình trình bày báo [20] (hai chặng) 1.6 Nhận xét ứng dụng nghiên cứu Với mục tiêu giải toán khan phổ tần luận án, ứng dụng việc sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức cho phép hai hệ thống sử dụng đồng thời vùng phổ tần cấp phép Cụ thể, giả sử vùng phổ tần cấp phép cho công ty khai thác dịch vụ viễn thông không trống Việc công ty muốn kinh doanh viễn thông điều khó đáp ứng không sử dụng công nghệ nhận thức Việc quản lý phổ tần cho biết thông tin vùng phổ có hiệu suất sử dụng thấp thời điểm Nếu vùng phổ có hiệu suất thấp phù hợp với nhu cầu sử dụng công ty này, việc hợp tác công ty cấp vùng phổ (hệ thống người dùng sơ cấp) công ty (hệ thống người dùng thứ cấp) giúp công ty cấp phổ giải toán kinh tế giảm chi phí mua vùng băng tần, đồng thời công ty thực việc kinh doanh Kết giá thành dịch vụ công ty viễn thông giảm người hưởng lợi quan quản lý tài nguyên phổ người sử dụng dịch vụ Trong trường hợp hệ thống thứ cấp đầu tư mới, thông thường giai đoạn đầu triển khai sở hạ tầng, kinh phí đầu tư mua sắm vận hành thiết bị lớn với mục đích đảm bảo vùng phủ sóng rộng lớn Với số chặng hai, mô hình phù hợp với dịch vụ viễn thông di động Trong đó, liệu trạm gốc thu phát sóng (Base Station - BS) thay truyền trực tiếp, công nghệ hợp tác cho phép người sử dụng dịch vụ trạm trung chuyển Trong đó, mô hình đa chặng phù hợp với mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN) Trong hệ thống WSN, thiết bị hoạt động chủ yếu thông qua kết nối đa chặng lý giới hạn khoảng cách thiết bị, giới hạn nguồn điện/công suất phát, không yêu cầu lưu động cao thiết bị mạng Một vài tài liệu đề cập đến sản phẩm chuẩn tích hợp công nghệ vô tuyến nhận thức vào dịch vụ thực tiễn Năm 2008, FCC thực dự án kiểm tra tỉ suất sử dụng vùng phổ trắng thiết bị đo đạc hãng Motorola, Philips, Adaptrum I2R [1] Năm 2009, Đại học Linköping (Thụy Điển) nghiên cứu sản xuất xử lý lập trình chuyên dụng cho ứng dụng vô tuyến tái cấu hình với mức chi phí thấp [21] 1.7 Hƣớng mở rộng Trong giả thiết phát biểu mô hình hệ thống, đặc điểm chung mô hình đề xuất phần 1.5 có giả sử chung thiết bị thu phát trang bị ăng-ten, mô hình kênh truyền phân tích áp dụng mô hình toán học đơn ngõ vào – đơn ngõ (Single Input Single Output – SISO) Hệ thống nghiên cứu mở rộng thông qua việc tăng cường số lượng ăng-ten thiết bị thông qua phân tích toán học với mô hình toán học ăng-ten phát đa ăng-ten thu (Single Input Multi Output – SIMO), đa ăng-ten phát đơn ăng-ten thu (Multi Input Single Output – MISO) trường hợp tổng quát thiết bị phát thu trang bị nhiều ăng-ten (Multi Input Multi Output – MIMO) Kế đến, kỹ thuật điều chế áp dụng cho mô hình kỹ thuật M-QAM Phương pháp phân tích toán học thông qua tính toán hàm mật độ xác suất áp dụng cho hệ thống sử dụng kỹ thuật điều chế khác MPSK, M-PAM… mà không làm tính tổng quát Ngoài ra, mô hình đề xuất, công suất phát khe thời gian khảo sát phụ thuộc vào ràng buộc can nhiễu quy định hệ thống sơ cấp hệ số kênh truyền tức thời nhận khe thời gian Trong thực tế, công suất phát phụ thuộc ràng buộc điều kiện phần cứng giới hạn nguồn lượng cung cấp cho hệ thống, giảm mức độ can nhiễu ảnh hưởng lên thiết bị khác hệ số kênh truyền đủ bé 1.8 Bố cục luận văn Luận văn gồm chương Chƣơng giới thiệu tổng quan luận văn Chƣơng trình bày tình hình nghiên cứu liên quan đến công nghệ gồm: công nghệ vô tuyến nhận thức, công nghệ truyền thông chuyển tiếp kỹ thuật truyền thích nghi Từ Chƣơng đến Chƣơng trình bày phân tích toán học kết mô nhằm khảo sát hiệu hoạt động hệ thống thứ cấp tương ứng với mô hình đề xuất Trong đó, kênh truyền hồi tiếp từ Chương đến Chương giả sử không lỗi, không trễ Chương thực khảo sát thay đổi số lượng chặng K hệ thống thứ cấp ảnh hưởng lên thiết bị thu sơ cấp kênh truyền hồi tiếp không hoàn hảo 1.9 CHƢƠNG TỔNG QUAN Trong chương trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu ba công nghệ: công nghệ vô tuyến nhận thức, công nghệ truyền thông chuyển tiếp kỹ thuật truyền thích nghi Từ đó, rút vấn đề tồn nhằm đưa định hướng nghiên cứu mô hình khảo sát Chương từ Chương đến Chương Bắt đầu Symbol_Num; S=1 ERB=0; C=0 Less_gammath =0 S Symbol_Num S Đ Error=(Data_1, Data_K+1) ERB=ERB+Error Less_gammath =Less_gammath +sum(gammamin/log2M)[...]... mô phỏng kênh truyền đa chặng 10 Bảng 3.1 Mô tả lưu đồ mô phỏng kênh truyền đa chặng Tên biến Symbol_Num S ERB C Less_gammath Mô tả Tổng số lượng symbol cần truyền Symbol truyền thứ S Tổng số lượng bit lỗi khi truyền hết Symbol_Num Dung lượng hệ thống Số lần SNR hệ thống nhỏ hơn giá trị ngưỡng chất lượng  th k K Data_k Chặng thứ k Tổng số lượng chặng trong hệ thống Giá trị của symbol truyền ở chặng... xác suất dừng với hệ thống truyền trực tiếp Hình 5.12 So sánh hiệu suất phổ tần với hệ thống truyền trực tiếp 22 Trong hai hình cuối cùng, Hình 5.11 và Hình 5.12, chúng ta so sánh hiệu năng của hệ thống đề xuất với hiệu năng của hệ thống không sử dụng kỹ thuật truyền thông chuyển tiếp, tương ứng với hệ thống truyền trực tiếp (không có nút chuyển tiếp) trong cùng điều kiện kênh truyền Chúng ta dễ dàng... trên nhiễu toàn hệ thống có giá trị lớn hơn hoặc bằng giá trị ngưỡng chuyển  Tk 1 thì hệ thống sẽ quyết định truyền chế độ thứ k Các giá trị ngưỡng chuyển này được xác định dựa vào ràng buộc chất lượng QoS của hệ thống thứ cấp: tỉ lệ lỗi bit tức thời của hệ thống thứ cấp sẽ không vượt quá giá trị cho trước BER T Vì lý do giảm thiểu độ phức tạp phần cứng khi hệ thống thứ cấp sử dụng bộ điều chế và. .. thiết bị đích thứ cấp có thể nhận dữ liệu trực tiếp từ thiết bị nguồn thứ cấp và từ thiết bị chuyển tiếp Thiết bị đích sử dụng kỹ thuật lựa chọn kết hợp (SC) để kết hợp hai tín hiệu nhận được (Hình 5.1) 15 PU-Tx PU-Rx R S D Kênh hồi tiếp Hình 5.1 Mô hình hệ thống hai chặng AF điều chế thích nghi Tùy thuộc vào chất lượng môi trường truyền mà hệ thống thứ cấp tự điều chỉnh thông số điều chế phù hợp với... tọa độ (0.3, 0.3), (0.6,0.6) và (0.9, 0.9), nghĩa là ngày càng xa các nút phát thứ cấp Từ Hình 5.6 và Hình 5.7, ta dễ dàng thấy rằng khi khoảng cách giữa hai mạng càng lớn thì hiệu năng của hệ thống thứ cấp càng được cải thiện: hiệu suất phổ tần tăng và xác suất dừng giảm Các hiệu ứng này gần như là tương tự như với mạng truyền thông nhận thức không sử dụng truyền thích nghi Tiếp theo, chúng ta khảo sát... Mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền ba chặng sử dụng mô hình mạng đa chặng tuyến tính (các nút thứ cấp sắp xếp trên một đường thẳng) Trong đó, dD,k là khoảng cách của hai thiết bị thu phát thuộc chặng thứ K Bài toán tổng quát tìm vị trí các điểm chuyển tiếp sao cho cực tiểu theo xác suất dừng hoặc cực tiểu tỉ lệ lỗi bit hệ thống được giải quyết 12 Hiệu năng hệ thống được phân tích ở cả ba thông số:... với phân bố kênh Nakagamim tổng quát dạng nền, trong đó xác suất can nhiễu gây ra bởi hệ thống thứ cấp ảnh hưởng đến thiết bị sơ cấp thu được khảo sát theo các thông số như số chặng, hệ số tương quan giữa hệ số kênh truyền và ước lượng của nó Trong đó, mối liên hệ giữa thông số kênh truyền can nhiễu của chặng thứ K và giá trị ước lượng của nó được biểu diễn thông qua hệ số tương quan  Mô hình khảo... nghi Tiếp theo, chúng ta khảo sát ảnh hưởng của vị trí nút chuyển tiếp lên hiệu năng (xác suất dừng và hiệu suất phổ tần) của hệ thống bằng cách khảo sát ba trường hợp tiêu biểu của nút chuyển tiếp Cụ thể, khoảng cách giữa thiết bị nguồn thứ cấp và thiết bị chuyển tiếp thứ cấp xsr lần lượt là 0.25, 0.5 và 0.75 tương ứng với trường hợp 1, 2 và 3 Ta thấy rằng khi khoảng cách xsr  0.5 thì hiệu năng của... của hệ thống được xem xét với hai mức chất lượng dịch vụ tương ứng với mức tỷ lệ lỗi bit mong muốn, đó là giá trị BER T  102 và BER T  103 Hệ thống hoạt động với thông số yêu cầu BER T nhỏ hơn đồng nghĩa với việc chất lượng truyền trong hệ thống đó được yêu cầu cao hơn so với hệ thống còn lại Ứng với một giá trị BER T cụ thể ( BER T được thiết lập là hằng số), thông số ASE của hệ thống được khảo... suất dừng và hiệu suất phổ tần của hệ thống xem xét đều tốt hơn của hệ thống truyền trực tiếp Khi xem xét xác suất dừng hệ thống tại mức 102 , hệ thống có sử dụng truyền thông hợp tác đạt được độ lợi công suất so với hệ thống truyền trực tiếp là 10 dB Với hiệu suất phổ tần, mặc dù tại vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao, cả hai hệ thống đều hội tụ đến mức 5bps/Hz, tuy nhiên hệ thống truyền thông hợp ... nghiên cứu phối hợp công nghệ truyền thông chuyển tiếp vào mạng CR thu hút nhiều quan tâm nhà nghiên cứu năm gần Điểm chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật Khuếch đại chuyển tiếp (AF) Giải mã chuyển tiếp. .. 1.4 Phạm vi thực đề tài Các nghiên cứu tập trung vào thông tin vô tuyến, mạng truyền thông hợp tác/đa chặng, kỹ thuật vô tuyến nhận thức, phương pháp truy nhập phổ dạng nền, kỹ thuật điều chế thích... quan tình hình nghiên cứu ba công nghệ: công nghệ vô tuyến nhận thức, công nghệ truyền thông chuyển tiếp kỹ thuật truyền thích nghi Từ đó, rút vấn đề tồn nhằm đưa định hướng nghiên cứu mô hình khảo