Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng

Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng.

TRẦN VĂN PHÚ

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ĐƯỜNG XUỐNG NGẪU NHIÊN

SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP

PHI TRỰC GIAO VÀ CHỌN LỰA NGƯỜI DÙNG

ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong đề án là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2023

Học viên thực hiện đề án

Trần Văn Phú

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Từ Lâm Thanh, Thầy đã định hướng,

hỗ trợ và chỉ bảo cho tôi hoàn thành quyển đề án này

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban lãnh đạo Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn thông, Ban chủ nhiệm Khoa viễn thông 2 đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia khóa học này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy thuộc các khoa Cơ Bản 2, Công Nghệ Thông Tin 2, Điện tử 2, Viễn thông 2 đã truyền dạy những kiến thức và truyền tải những kinh nghiệm quý báu cho tôi

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô thuộc Phòng Đào tạo và Khoa học Công nghệ và Khoa Đào tạo Sau đại học đã hết lòng hỗ trợ cho khóa học của chúng tôi được tiến hành suôn sẻ, trọn vẹn

Nhân dịp này, em cũng xin cám ơn Quỹ Nafosted đã hỗ trợ trong suốt thời gian em thực hiện Đề án, thông qua Đề tài “Nâng cao độ tin cậy truyền tin và bảo mật thông tin cho các mạng vô tuyến quảng bá sử dụng mã Fountain“ với mã số 102.04-2021.57

Trong quyển đề án này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và quý bạn đọc

để đề án này được hoàn thiện hơn

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2023

Học viên thực hiện đề án

Trần Văn Phú

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về mạng vô tuyến 3

1.1.1 Lịch sử phát triển 3

1.1.2 Ưu điểm và nhược điểm 5

1.2.3 Ứng dụng 6

1.2 Kênh truyền vô tuyến 9

1.2.1 Mô hình truyền tín hiệu 11

1.2.2 Hiệu năng mạng vô tuyến 12

1.2.3 Mô phỏng Monte Carlo 13

1.3 Mạng vô tuyến ngẫu nhiên và chọn lựa người dùng 14

1.4 Đa truy nhập phi trực giao (NOMA) 15

1.5 Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) 20

1.6 Kết luận chương 1 23

1.6.1 Lý do chọn đề án 23

1.6.2 Các nghiên cứu liên quan 24

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ HIỆU NĂNG XÁC SUẤT DỪNG 25

2.1 Mô hình nghiên cứu 25

2.2 Xác suất dừng của mạng sơ cấp 26

2.3 Tìm công suất phát của SS 28

2.4 Truyền dữ liệu trong mạng thứ cấp 29

2.4.1 Mô hình kênh truyền và mô hình khoảng cách 29

2.4.2 Mô hình truyền sử dụng NOMA 31

2.4.3 Các phương pháp chọn lựa người dùng 32

2.4.4 CDF của các độ lợi kênh 34

2.4.5 Xác suất dừng mạng thứ cấp 37

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH 41 KẾT LUẬN 48 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng

BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers Viện kỹ thuật điện và điện tử NOMA Non-Orthogonal Multiple

Access Đa truy nhập phi trực giao

OP Outage Probability Xác suất dừng

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PT Primary Transmitter Thiết bị phát sơ cấp

PR Primary Receiver Thiết bị thu sơ cấp

SIC Successive Interference

Cancellation Khử giao thoa tuần tự SINR Signal to Interference plus Noise

ST Secondary Transmitter Thiết bị phát thứ cấp

SR Secondary Receiver Thiết bị thu thứ cấp

SS Secondary Station Trạm thứ cấp

SU Secondary User Người dùng thứ cấp

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

thời gian

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ kết nối mạng 5G 6

Hình 1.2: Kết nối các thiết bị trong mạng WLAN 7

Hình 1.3: Kiến trúc mạng cảm biến không dây 8

Hình 1.4: Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh 9

Hình 1.5: Hiện tượng fading đa đường 9

Hình 1.6: Chất lượng tín hiệu biến thiên theo thời gian do hiện tượng fading kênh truyền 10

Hình 1.7: Sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh 11

Hình 1.8: Mô hình mạng ngẫu nhiên 15

Hình 1.9: Kỹ thuật FDMA 16

Hình 1.10: Kỹ thuật TDMA 16

Hình 1.11: Kỹ thuật CDMA 16

Hình 1.12: Kỹ thuật NOMA 17

Hình 1.13: Mô hình NOMA đường xuống (downlink) với 02 người dùng 19

Hình 1.14: Các mô hình trong vô tuyến nhận thức 22

Hình 1.15: Mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền 22

Hình 2.1: Mô hình nghiên cứu 25

Hình 3.1: Môi trường mô phỏng 41

Hình 3.2: Xác suất dừng của mạng sơ cấp vẽ theo PPT (dB) 42

Hình 3.3: Công suất phát của SS vẽ theo PPT (dB) 43

Hình 3.4: Xác suất dừng vẽ theo PPT (dB) với OP 0.05, U =1, V=3, P=1, Q=3, 2 0.8 a  , K 5 44

Hình 3.5: Xác suất dừng vẽ theo PPT (dB) với OP 0.05, U =3, V=5, P=1, Q=2, 2 0.85 a  , K 6 45

Hình 3.6: Xác suất dừng vẽ theo a với 2 PPT = 10 (dB), OP 0.05, U =1, V=2, P=1, Q=2, 5 K  46

Hình 3.7: Xác suất dừng vẽ theo K với PPT = 8 (dB), OP 0.05, U =1, V=2, P=1, Q=2, 2 0.85   47

MỞ ĐẦU

Trong thông tin vô tuyến (Wireless Communications), không gian tự do được

sử dụng làm môi trường truyền dẫn, và thông tin được truyền đi từ máy phát đến máy thu bằng sóng điện từ Truyền thông vô tuyến với tính năng linh hoạt và di động, giúp cho các kỹ thuật này nhận được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu Trong vài thập kỷ gần đây, tốc độ phát triển của thông tin vô tuyến đã tăng trưởng nhanh chóng, đặc biệt là nhu cầu về truyền thông di động băng rộng Có thể nói các ứng dụng thông tin vô tuyến ngày càng thiết yếu và gần như không thể thiếu trong các hoạt động thường nhật của con người

Do phổ tần vô tuyến là hữu hạn, muốn tăng dung lượng, cần phải nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số Vì vậy việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ kỹ thuật tiên tiến là cần thiết Một trong những kỹ thuật có thể giúp cải thiện, làm hạn chế vấn đề khan hiếm phổ như ngày nay đó là dùng công nghệ vô tuyến nhận thức Đặc biệt, kỹ thuật vô tuyến nhận thức dạng nền được các nhà nghiên cứu ghi nhận là một kỹ thuật hiệu quả để đảm bảo tính liên tục trong tiến trình truyền dữ liệu ở mạng thứ cấp

Để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần tất cả các công nghệ truyền thông vô tuyến hiện tại đều sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập trực giao Đó là FDMA, TDMA

và CDMA Khi số lượng người dùng/thiết bị tăng lên, công nghệ đa truy nhập phi trực giao NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) đã được giới thiệu để đảm bảo tốc độ và hiệu quả phổ tần Do đó, Bên cạnh vô tuyến nhận thức, NOMA là một công

cụ quan trọng để nâng cao tốc độ truyền dẫn và thông lượng mạng

Tuy nhiên bởi vì sự giới hạn công suất phát của các thiết bị thứ cấp trong mạng

vô tuyến nhận thức, việc áp dụng các kỹ thuật chọn lựa người dùng sẽ nâng cao độ tin cậy của việc truyền dữ liệu dưới sự tác động của fading kênh truyền Cuối cùng, trong các mạng truyền thông vô tuyến thực tế như mạng thông tin di động, mạng mobile adhoc, các mạng cảm biến, v.v các thiết bị có vị trí xuất hiện không xác định

Do đó, việc đánh giá hiệu năng của mạng theo khoảng cách ngẫu nhiên sẽ đạt được những kết quả phù hợp với hiệu năng thực tế của các mô hình này hơn

Đề án này tập trung vào việc đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và lựa chọn người dùng Học viên sử dụng mô hình lý thuyết và mô phỏng bằng Matlab để đánh giá hiệu năng của mạng

Đề án gồm 3 chương với nội dung tóm tắt như sau:

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Chương này giới thiệu tổng quan về các vấn đề nghiên cứu trong đề án như: Khái niệm mạng vô tuyến ngẫu nhiên và chọn lựa người dùng, giới thiệu mạng đa truy nhập phi trực giao, giới thiệu mạng vô tuyến nhận thức

Chương này trình bày mô hình nghiên cứu, xác suất dừng của mạng sơ cấp, công suất phát của trạm phát thứ cấp

Đồng thời là tìm hiểu truyền dữ liệu trong mạng thứ cấp bao gồm: Mô hình kênh truyền và mô hình khoảng cách, mô hình truyền sử dụng Noma, các phương pháp chọn lựa người dùng, CDF của các độ lợi kênh và xác suất dừng của mạng thứ cấp

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH

Sử dụng mô phỏng Monte Carlo và mô phỏng kết quả lý thuyết trên phần mềm Matlab để kiểm chứng tính chính xác của các biểu thức toán học đưa ra bao gồm: Xác suất dừng của hệ thống sơ cấp, xác suất dừng tại SUv trong mô hình CSI, xác suất dừng tại SUu trong mô hình CSI, xác suất dừng tại người dùng thứ cấp SUq trong

mô hình DIS, và xác suất dừng tại người dùng thứ cấp SUptrong mô hình DIS

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về mạng vô tuyến

1.1.1 Lịch sử phát triển

Truyền thông vô tuyến đã được nghiên cứu và phát triển hết sức mạnh mẽ trong những năm gần đây, nó đã đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tốc độ cũng như nhiều ứng dụng thời gian thực: game online, phẩu thuật từ xa, xe tự hành, giao hàng bằng robot… Khác với mạng hữu tuyến sử dụng các đường truyền cáp đồng hoặc cáp quang để kết nối các điểm cố định với nhau, mạng vô tuyến sử dụng bức xạ sóng điện

từ ở anten phía phát và được truyền trong không gian tự do đến phía thu Đầu thu sẽ thực hiện thu, giải mã và khôi phục tín hiệu mong muốn

Một số cột mốc phát triển của mạng truyền thông vô tuyến:

 Năm 1838: Samuel Morse đã phát minh ra tín hiệu vô tuyến điện, báo hiệu một bước tiến mới của kỷ nguyên truyền thông

 Năm 1864: J.C Maxwell đã xây dựng và đưa ra lý thuyết trường điện

từ, chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ và có thể truyền trong không gian tự do

 Năm 1901: Marconi đã thực nghiệm thành công việc truyền sóng radio xuyên qua Đại Tây Dương, đã đánh dấu sự phát triển vượt bậc khi có thể truyền sóng qua cự ly dài

 Năm 1915: Hê thống truyền tín hiệu thoại không dây được thiết lập để truyền thoại giữa San Francisco và New York Sau 30 năm, các dịch vụ điện thoại di động công cộng đã được giới thiệu ở 25 thành phố của

Mỹ

 Năm 1947: Mạng điện thoại tế bào đã được phát triển bởi phòng thí nghiệm Bell Trong mạng này, người dùng có thể liên lạc trong khi di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác

 Năm 1963: Hội kỹ sư điện và điện tử (IEEE) được thành lập IEEE đã phát triển tiêu chuẩn 802 cho LAN và được phổ biến mọi nơi

 Năm 1971: Hệ thống mạng dữ liệu gói không dây (packet radio), tên ALOHANET ra đời tại trường đại học Hawaii, cho phép kết nối các máy tính ở các cơ sở của trường trên bốn đảo về trung tâm tại Oahu thông qua truyền thông vô tuyến Tuy nhiên, tốc độ còn thấp (vào khoảng 20 Kb/s) và hiệu suất không thực sự hiệu quả

 Năm 1985: FCC phát triển LAN không dây dựa vào tiêu chuẩn IEEE 802.11 đã cho hiệu suất tốt hơn, mặc dù tốc độ dữ liệu đã tăng lên (vài chục Mb/s) nhưng vùng phủ sóng nhỏ (vào khoảng 150 m)

 Vào những năm 1990: Hệ thống di động thế hệ thứ 2 (2G) ra đời Việc chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số đã giúp tốc độ và hiệu suất được cải thiện Mạng 2G đã phục vụ tốt các dịch vụ như: thoại, nhắn tin ngắn

 Năm 2001: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) ra đời như CDMA2000 tại Hàn Quốc, UMTS thử nghiệm ở châu Âu cho phép truyền tải dữ liệu thoại và cả những dữ liệu khác như email, hình ảnh,

âm thanh, video, với tốc độ cao Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 14Mbps

 Đến năm 2010: Xuất hiện mạng 4G, tiêu chuẩn LTE và hoạt động ở các dải tần 700 MHz, 850 MHz, 1.9 GHz và 2.1 GHz Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 100 Mbps

 Tháng 10/2014: FCC ban hành một ghi chú về việc sử dụng bước sóng milimet (tần số cao trên 2.4 GHz) để sử dụng cho công nghệ thế hệ thứ

5 (5G) Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 10 Gbps

 Gần đây, một số hệ thống truyền thông không dây mới bùng nổ như mạng không dây ad-hoc (Wireless Ad-hoc), mạng cảm biến không dây (WSN: Wireless Sensor Networks), mạng IoT (Internet of Things), mạng vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio), v.v

1.1.2 Ưu điểm và nhược điểm

Ưu điểm: Do môi trường truyền là vô tuyến nên sẽ có nhiều điểm thuận lợi hơn các hệ thống khác

 Tiện lợi: Người dùng đầu cuối thiết lập kết nối vô mạng một cách dễ dàng, nhanh chóng và bất kỳ đâu miễn là nằm trong vùng phủ sóng của trạm gốc … Các thiết bị đầu cuối ngày càng rẻ và giá thành các gói cước di động ngày càng cạnh tranh, do đó có thể tiếp cận được nhiều khách hàng hơn

 Tính di động: Đây là ưu điểm nổi bật nhất mà các hệ thống thông tin hữu tuyến không có được Người dùng di động luôn được kết nối vào mạng dù đang ở trong nhà, ngoài đường, đi bộ, đi xe máy, hay thậm chí duy chuyển trên cao tốc, tàu điện ngầm với tốc độ cao

 Dễ thiết kế và triển khai mở rộng: Triển khai trạm gốc vô tuyến sẽ dễ dàng và nhanh hơn nhiều so với mạng hữu tuyến Khi số lượng người dùng tăng lên, chỉ cần phát sóng thêm trạm gốc mới, hoặc mở rộng cấu hình của trạm gốc cũ cũng dễ dàng được thực hiện Ngoài ra chi phí triển khai của mạng không dây cũng rẻ hơn mạng có dây Thời gian triển khai mạng không dây cũng nhanh hơn nhiều so với mạng có dây

 Bền vững: Do triển khai nhiều trạm gốc để phục vụ người dùng, khi một trạm có sự cố xảy ra, các trạm lân cận vẫn có thể đảm bảo được vùng phủ sóng

… Làm cho tín hiệu thu được bị thăng giáng dẫn đến chất lượng tín hiệu thu được không đảm bảo

 Chất lượng dịch vụ: Do thường xuyên chịu tác động các yếu tố bên ngoài lên đường truyền như nhiễu, fading, … nên chất lượng không được ổn định, phụ thuộc vào vị trí của người dùng và trạm gốc cũng như mật độ người dùng

 Giới hạn phạm vi hoạt động: Các thiết bị chỉ hoạt động trong phạm vi phủ sóng của mạng, khi ra khỏi khu vực này sẽ không hoạt động được

1.2.3 Ứng dụng

a Mạng thông tin di động

Khi nói đến truyền thông không dây, đầu tiên phải nói đến là mạng thông tin

di động Sự ra đời của mạng thông tin di động đã cung cấp cho người dùng sự tiện lợi, đáp ứng hầu hết các nhu cầu của người dùng như: xem film, nghe nhạc, video call, học tập trực tuyến, … Mạng di động hiện tại đã trãi qua 5 thế hệ, các phòng thí nghiệm và công ty lớn trên thế giới đang chạy đua nghiên cứu mạng thế hệ thứ 6 Nếu mạng 1G,2G đã đáp ứng tốt nhu cầu về thoại, sms Qua các thế hệ tiếp theo, tốc độ truyền tải dữ liệu đã tăng lên nhanh chóng Đặt biệt khi mạng 5G được triển khai đã cung cấp các dịch vụ mà gần như không có độ trễ như phẫu thuật từ xa, xe tự hành, cho phép kết nối vạn vật

Hình 1.1: Sơ đồ kết nối mạng 5G

Hình 1.1 mô tả sơ đồ kết nối trạm gốc và core trong mạng 5G

 Next generation eNodeB (ng-eNB): Nút xuất hiện trong mạng truy cập LTE từ 3GPP Rel 15 trở lên, cung cấp các đầu cuối giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng EUTRAN đối với UE và được kết

nối qua giao diện NG tới 5GC

 Next generation NodeB (gNB): Nút xuất hiện trong mạng truy cập 5G

từ 3GPP Rel 15 trở lên, cung cấp các đầu cuối giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng NR (New Radio) đối với UE và được kết nối qua giao diện NG tới 5GC

 NG: Giao diện kết nối trạm gốc và AMF/UPF

 Xn: Giao diện kết nối các trạm gốc

 AMF/UPF: Chịu trách nhiệm về các chức năng như xác minh danh tính

UE, xác thực, đăng ký, quản lý di chuyển, và quản lý kết nối

b Mạng Wireless LAN

Mạng không dây nội bộ (Wireless Lan) là mạng sử dụng công nghệ cho phép

hai hay nhiều thiết bị kết nối với nhau trong khu vực mạng nội bộ bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn (IEEE 802.11x) mà không cần những kết nối bằng dây mạng.Các thiết bị trong WLAN chủ yếu giao tiếp với nhau bằng sóng Wifi Hiện tại chuẩn Wifi 6 có thể hỗ trợ tốc độ lên đến 10Gbps

Hình 1.2: Kết nối các thiết bị trong mạng WLAN

c Mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay

vệ tinh

Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh, tạo ra không gian sống thông minh, kiểm tra giám sát môi trường, giám sát hoạt động sản xuất nông nghiệp, theo dõi sức khỏe

y tế,

Hình 1.3: Kiến trúc mạng cảm biến không dây

d Truyền thông tin vệ tinh

Đặc điểm thông tin vệ tinh

 Có khả năng đa truy cập

 Vùng phủ rộng, chỉ cần 3 vệ tinh có thể phủ sóng toàn cầu

 Ổn định cao, băng thông lớn

 Có thể ứng dụng cho thông tin di động

 Thích hợp với dịch vụ truyền hình

 Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn, đặc biệt khi liên lạc xuyên lục địa (phục vụ trong lĩnh vực hằng hải)

1.2 Kênh truyền vô tuyến

Hình 1.5: Hiện tượng fading đa đường

Để truyền dữ liệu từ thiết bị phát đến thiết bị thu trên kênh vô tuyến, thông tin

số (các bit) tại thiết bị phát cần được điều chế thành tín hiệu tương tự Sau đó, tín hiệu tương tự này sẽ được gửi đến thiết bị thu Tín hiệu với bản chất là sóng điện từ, tín

Hình 1.4: Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh

hiệu bị suy hao (path-loss), bị phản xạ (Reflection), nhiễu xạ (Diffraction) hoặc tán

xạ (Scatering) khi gặp vật cản Như mô tả trong Hình 1.5, thiết bị phát sẽ gửi các tín hiệu điều chế đến thiết bị thu Tín hiệu sẽ đi theo nhiều đường khác nhau để đến thiết

bị thu Đường ngắn nhất chính là đường LOS (Line of Sight) giữa thiết bị phát và thiết bị thu, tiếp đến là các đường phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ Tín hiệu đi theo các đường phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ sẽ đến thiết bị thu với thời gian trễ và biên độ khác nhau, do quãng đường di chuyển khác nhau và gặp các bề mặt khác nhau Sau đó, các tín hiệu này sẽ cộng vào nhau, và điều này làm biên độ của tín hiệu thu được tại thiết

bị thu sẽ thăng/giáng theo thời gian Đây chính là hiện tượng fading kênh truyền

Hình 1.6: Chất lượng tín hiệu biến thiên theo thời gian do hiện tượng

fading kênh truyền

Hình 1.6 vẽ sự thăng giáng của tín hiệu nhận được theo thời gian Ta có thể thấy rằng chất lượng tín hiệu có lúc được tăng cường, tuy nhiên cũng có lúc bị suy giảm nghiêm trọng Bởi vì sự biến thiên biên độ tín hiệu là ngẫu nhiên nên ta không thể dự đoán trước khi nào tín hiệu tốt và khi nào tín hiệu xấu Điều này có thể dẫn đến sự rớt mạng bất cứ lúc nào và đây là điều không mong muốn

Trong thực tế, có nhiều kênh truyền fading phổ biến như kênh fading Rayleigh, fading Nakagami, fading Rician Đề án này sẽ nghiên cứu về kênh fading Rayleigh Trong kênh fading Rayleigh, đường truyền LOS giữa thiết bị phát và thiết bị thu không tồn tại Thật vậy, trong môi trường có nhiều vật cản như nhà cửa, xe cộ, tòa

nhà, v.v., thiết bị phát và thiết bị thu thường sẽ bị che khuất bởi các vật chắn giữa chúng nên không có đường LOS giữa thiết bị phát và thu

1.2.1 Mô hình truyền tín hiệu

Hình 1.7: Sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh

Hình 1.7 miêu tả sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh giữa nguồn S

và đích D Tín hiệu nhận được tại nút đích D là

D S SD D

y  P h xn (1.1) Trong công thức (1.1), x là tín hiệu chứa dữ liệu của nút nguồn S, PS ký hiệu công suất phát của nút nguồn S, h là hệ số kênh fading Rayleigh giữa nút nguồn S SD

và nút đích D, nD là nhiễu Gauss trắng (AWGN: Additive White Gaussian Noise) tại nút đích D

Nhiễu AWGN nD được biểu diễn bằng biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là 2

0

 , với hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) là:

 

2 0 D

2 2

trong đó, exp(.) là ký hiệu của hàm mũ cơ số tự nhiên: exp a e a

Đối với hệ số kênh truyền fading h , đây cũng là một biến ngẫu nhiên và SD

biên độ |hSD| có phân phối Rayleigh với hàm mật độ xác suất là:

Hơn nữa, biên độ bình phương của h , còn được gọi là độ lợi kênh SD |hSD |2,

sẽ có phân phối mũ và hàm mật độ xác suất của 2

SD

|h | là (xem tài liệu [1]):

 

 

2 SD

2

| |

1exp

SD

|h | được đưa ra như sau:

2 SD

h

F x   x (1.5) Trở lại với công thức (1.1), tỷ số SNR (Signal-to-noise ratio) tức thời đạt được tại nút đích D được tính như sau:

1.2.2 Hiệu năng mạng vô tuyến

Các hiệu năng mạng vô tuyến có thể kể đến như xác suất dừng (OP: Outage Probability), tỷ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate), dung lượng kênh trung bình (EC: Ergodic Capacity) Trong đề án này, học viên nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng,

đó là xác suất mà dung lượng kênh C nhỏ hơn một ngưỡng cho trước, ký hiệu SD Cth

Sử dụng công thức (1.7), ta có xác suất dừng của đường truyền từ nguồn S sang đích

D như sau:

  th th

2 SD

1.2.3 Mô phỏng Monte Carlo

Để kiểm chứng kết quả các bài toán ngẫu nhiên, người ta thường sử dụng mô phỏng Monte Carlo Mô phỏng Monte Carlo là một phương pháp tính toán dựa trên việc sử dụng các số ngẫu nhiên để tính toán hoặc mô phỏng một quá trình ngẫu nhiên Cách thức hoạt động của phương pháp Monte Carlo là dựa trên việc lặp lại một quá trình nhiều lần để tính toán giá trị trung bình hoặc xác suất của một biểu thức Bằng cách tạo ra các số ngẫu nhiên và áp dụng chúng vào biểu thức, chúng ta có thể xây dựng một ước lượng xấp xỉ cho kết quả mong đợi

Phương pháp Monte Carlo được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tính toán khoa học, tài chính, kỹ thuật, xử lý hình ảnh, và các vấn đề xác suất Với sự phát triển của máy tính và khả năng tính toán cao, phương pháp Monte Carlo đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc giải quyết các bài toán phức tạp có tính ngẫu nhiên

Ví dụ để kiểm chứng tính chính xác của biểu thức xác suất dừng được đưa ra trong công thức (1.9), mô phỏng Monte Carlo được áp dụng để mô phỏng kênh truyền fading Rayleigh Phần mềm MATLAB [23] hỗ trợ hàm tạo ra biến ngẫu nhiên, sử dụng cấu trúc sau:

h = 1/sqrt(2* )*(randn(1,1) + j*randn(1,1)); (1.10)

Trong công thức (1.10), randn(1,1) là hàm MATLAB tạo ra biến ngẫu nhiên

có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng 1

1.3 Mạng vô tuyến ngẫu nhiên và chọn lựa người dùng

Trong mạng vô tuyến ngẫu nhiên (random wireless networks), các thiết bị không dây như điểm truy cập, điện thoại di động, thiết bị cảm biến, thiết bị IoTs, v.v được đặt hoặc chuyển động ngẫu nhiên trong một khu vực xác định và tương tác với nhau hoặc với trạm gốc thông qua sóng vô tuyến Bởi vì vị trí của các nút là ngẫu nhiên nên khoảng cách giữa các thiết bị này hoặc giữa các thiết bị và trạm gốc là những biến ngẫu nhiên

Để đánh giá hiệu năng của các mô hình mạng này, các mô hình mô phỏng mạng vô tuyến ngẫu nhiên đã được đưa ra và đánh giá Các mô hình mạng vô tuyến ngẫu nhiên thường xuyên sử dụng các phân phối xác suất để mô phỏng vị trí và cách tương tác của các thiết bị không dây Các phân phối này có thể dựa trên các đặc tính thực tế của môi trường, chẳng hạn như phân phối đều hoặc phân phối Poisson, để tạo

ra khoảng cách ngẫu nhiên hoặc vị trí ngẫu nhiên của các thiết bị vô tuyến

Mô hình mạng ngẫu nhiên được nghiên cứu trong đề án này là mô hình những người dùng US (User) xuất hiện ngẫu nhiên xung quanh 01 trạm gốc BS (Base Station) Do đó, khoảng cách giữa các US và BS là một biến ngẫu nhiên Hơn nữa, trạm BS thường phải phục vụ cùng lúc nhiều người dùng US bởi số lượng người dùng xuất hiện trong mạng thường lớn Người dùng US có thể yêu cầu dữ liệu cùng lúc từ trạm gốc, tuy nhiên chỉ một số lượng giới hạn người dùng có thể được phục vụ tại một thời điểm nhất định Cũng vì vậy, việc chọn lựa người dùng hay lập lịch trình phục vụ các người dùng sẽ nâng cao chất lượng dịch vụ và quản lý tài nguyên hiệu quả Hơn nữa, việc tính toán về khoảng cách và ước lượng kênh truyền giữa người dùng và trạm gốc có ý nghĩa quan trọng trong việc chọn lựa người dùng để phục vụ Việc ước lượng thông tin trạng thái kênh truyền và chọn lựa người dùng theo thông tin này mang lại độ tin cậy cao hơn Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn phương pháp chọn lựa người dùng theo khoảng cách

1US

BS

USn

Hình 1.8: Mô hình mạng ngẫu nhiên

Hình 1.8 xét mô hình mạng vô tuyến ngẫu nhiên, trong đó trạm gốc BS có vùng phủ là hình tròn bán kính R, và các người dùng xuất hiện ngẫu nhiên trong

đường tròn này Giả sử có K người dùng xuất hiện ngẫu nhiên trong mạng, các người

dùng này được ký hiệu là US1, …, USK Khoảng cách giữa người dùng USm và trạm gốc BS, ký hiệu là BSUS

m

d là một biến ngẫu nhiên và có hàm CDF và PDF được đưa

ra như trong các tài liệu [3], [4] như sau:

1.4 Đa truy nhập phi trực giao (NOMA)

Cho đến nay, tất cả các công nghệ truyền thông vô tuyến hiện tại đều sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập trực giao Đó là đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access)

Hình 1.9: Kỹ thuật FDMA

Hình 1.10: Kỹ thuật TDMA

Hình 1.11: Kỹ thuật CDMA

Hình 1.9 mô tả kỹ thuật đa truy nhập FDMA, trong đó, toàn bộ băng tần được phân chia thành các băng tần nhỏ để phân phối đến từng người dùng Sự trực giao trong FDMA là trực giao về mặt tần số Tuy nhiên, tốc độ truyền của mỗi người dùng

bị giới hạn bởi việc chỉ được sử dụng một băng con Hình 1.10 mô tả kỹ thuật đa truy nhập TDMA, trong đó mỗi người dùng được sử dụng toàn bộ băng tần nhưng bị giới hạn thời gian được sử dụng Cụ thể, mỗi người dùng chỉ được sử dụng băng tần trong

01 khoảng thời gian nhất định (time slot), và sự trực giao trong TDMA là sự trực giao

về thời gian Hình 1.11 vẽ kỹ thuật đa truy nhập CDMA, trong đó mỗi người dùng được cấp một mã (code) trực giao lẫn nhau Kỹ thuật CDMA cho phép các người dùng sử dụng toàn bộ băng thông và bất kỳ lúc nào

Đa truy nhập phi trực giao NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) [5]-[7]

là kỹ thuật mới cho phép một thiết bị phát gửi dữ liệu đến nhiều thiết bị thu cùng lúc, trên cùng tần số và cùng mã NOMA được kỳ vọng là kỹ thuật nâng cao đáng kể tốc

độ truyền dữ liệu cho mạng thông tin vô tuyến Thật vậy, thiết bị phát sẽ phân bổ mức công suất phát khác nhau cho các tín hiệu của các thiết bị thu Thông thường, thiết bị thu nào có kênh truyền đến thiết bị phát tốt hơn sẽ được phân bổ công suất phát cho tín hiệu thấp hơn Cụ thể, khi một thiết bị thu nhận tín hiệu từ thiết bị phát, thiết bị thu này sẽ lần lượt giải mã các tín hiệu theo thứ tự được phân bổ mức công suất cao

nhất, cao thứ hai, v.v… Sau khi giải mã xong tín hiệu được phân bổ mức công suất cao nhất, thiết bị thu này sẽ loại bỏ tín hiệu này ra khỏi tín hiệu nhận được, rồi tiếp tục giải mã tín hiệu được phân bổ mức công suất cao thứ hai Tiến trình này lặp lại cho đến khi thiết bị thu giải mã được tín hiệu mong muốn của mình Tiến trình giải

mã và khử nhiễu này có tên gọi là khử giao thoa tuần tự SIC (Successive Interference Cancellation)

Hình 1.12 mô tả kỹ thuật NOMA, trong đó nguồn S phục vụ cùng lúc M nút

đích trên cùng tần số và mã Các nút đích được ký hiệu là D1, D , …, 2 DM Không mất tính tổng quát, ta có thể giả sử độ lợi kênh giữa nguồn và các nút đích được sắp xếp theo thứ tự sau:

x a P x



 (1.12) với PS là công suất phát của nguồn S, x m là tín hiệu mà nguồn cần gửi đến đích Dm,

a





 và a1a2   a M Xét nút đích Dm, với mM, tín hiệu nhận được tại nút này sẽ là:

m

n là nhiễu AWGN với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai 02

Theo nguyên lý NOMA, nút đích Dm phải giải mã tín hiệu x trước vì tín hiệu M

này được phân bổ công suất lớn nhất Tỷ số SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio) đạt được để giải mã x tại nút đích D M m được tính như sau:

m

M

M M

m m

Nếu nút đích Dm giải mã thành công tín hiệu x , nút này sẽ khử thành phần chứa M x M

đó là a P x M S M ra khỏi tín hiệu nhận được D

m

M

m m

m

m

m m

m m

Trong nhiều nghiên cứu liên quan đến NOMA, hầu hết các tác giả xem xét mô

hình một nút nguồn phục vụ 02 người dùng (tức M = 2) Ta cần lưu ý rằng mô hình

với hai nút đích có thể được mở rộng cho trường hợp có nhiều nút đích

Hình 1.13: Mô hình NOMA đường xuống (downlink) với 02 người dùng

Hình 1.13 mô tả mô hình NOMA đường xuống, trong đó một trạm gốc BS phục vụ hai người dùng User 1 và User 2 Thông thường, người dùng User 1 là người dùng ở gần trạm gốc và người dùng User 2 là người dùng ở xa trạm gốc (người dùng

ở rìa một cell) Theo nguyên lý phân bổ công suất phát, người dùng User 1 có kênh truyền đến trạm gốc tốt hơn người dùng User 2 nên trạm BS sẽ phân bổ công suất lớn hơn cho tín hiệu của người dùng User 2 Do đó, khi nhận được tín hiệu tổng hợp từ trạm gốc, người dùng User 2 sẽ trực tiếp giải mã tín hiệu của mình, trong khi người dùng User 1 phải giải mã tín hiệu của người dùng User 2 trước, sau đó thực hiện khử tín hiệu của người dùng User 2, rồi mới tiến hành giải mã tín hiệu mong muốn của mình

1.5 Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio)

Vào năm 1999, khái niệm vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) lần đầu tiên được đề xuất bởi Giáo Sư Joseph Mitola [8] Vô tuyến nhận thức là một ý tưởng về công nghệ vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm SDR (Software Defined Radio) Trong vô tuyến nhận thức, thiết bị vô tuyến có khả năng thăm dò các yếu tố môi trường để đưa ra các quyết định Theo viện các kỹ sư điện, điện tử Hoa Kỳ (IEEE),

vô tuyến nhận thức được định nghĩa như sau:

“Vô tuyến nhận thức là một hệ thống thu/phát được thiết kế để phát hiện nhạy

bén các khoảng phổ trống của phổ vô tuyến và nhảy vào (hoặc thoát ra nếu cần thiết) các khoảng phổ này, mà không làm ảnh hưởng, gây nhiễu cho các hệ thống được cấp phép khác”

Về mặt bản chất, vô tuyến nhận thức là một hệ thống gồm các SDR, có khả năng thăm dò và phản ứng với môi trường Thông qua các hoạt động thăm dò, hệ thống vô tuyến nhận thức thực hiện việc cấp phát tài nguyên và các dịch vụ một cách phù hợp, và đáp ứng nhu cầu sử dụng Đặc biệt tài nguyên phổ tần, hệ thống vô tuyến nhận thức nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, trong bối cảnh khan hiếm và cạn kiệt nguồn tài nguyên này Ví dụ, vô tuyến nhận thức cho phép một thiết bị đầu cuối có thể thăm dò và sử dụng các băng tần không đang bị chiếm dụng

Trong vô tuyến nhận thức thường có hai mạng là mạng sơ cấp (primary network) và mạng thứ cấp (secondary network), trong đó mạng sơ cấp là mạng được phép sử dụng băng tần bất kỳ lúc nào, trong khi mạng thứ cấp chỉ được phép sử dụng băng tần nếu: băng tần nào đó không đang được sử dụng bởi người dùng sơ cấp hoặc người dùng sơ cấp cho phép người dùng thứ cấp sử dụng khi chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp được đảm bảo Dựa vào hai tiêu chí này, các mô hình vô tuyến nhận thức được chia thành 03 loại gồm: dạng xen kẽ (Interweave), dạng chồng lấn (Overlay) và dạng nền (Underlay)

Trong mô hình dạng xen kẽ [9], người dùng thứ cấp phải thăm dò các băng tần trống và sử dụng các băng tần này để tránh gây can nhiễu lên người dùng sơ cấp Tuy nhiên, khi người dùng sơ cấp xuất hiện và sử dụng băng tần trống này thì người dùng thứ cấp phải lập tức rời băng tần và chuyển sang sử dụng băng tần trống khác

Trong mô hình dạng chồng lấn [10], [11]: thiết bị phát thứ cấp phải hợp tác với mạng sơ cấp để tìm kiếm cơ hội truy cập vào băng tần Ví dụ: thiết bị phát thứ cấp đóng vai trò là nút chuyển tiếp cho mạng sơ cấp, và thông qua việc phát tín hiệu cho mạng sơ cấp, thiết bị phát thứ cấp có thể nhúng tín hiệu của mình để gửi đến thiết

bị thu thứ cấp

Trong mô hình dạng nền [12], [13]: thiết bị phát thứ cấp được phép sử dụng băng tần cùng lúc với thiết bị phát sơ cấp Điều kiện tiên quyết đó là nhiễu từ thiết bị phát thứ cấp lên người dùng sơ cấp không ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp Do đó, thiết bị phát thứ cấp phải giảm công suất phát để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng sơ cấp

Trong ba phương pháp liệt kê ở trên (xem thêm Hình 1.14), mô hình chia sẻ phổ tần dạng nền (Underlay) có ưu điểm nổi bật đó là cho phép mạng thứ cấp có thể liên tục hoạt động mà không bị gián đoạn bởi sự xuất hiện của các người dùng sơ cấp Tuy nhiên, nhược điểm chính của mô hình này đó là công suất phát của người dùng thứ cấp thấp, dẫn đến hiệu năng của mạng thứ cấp thấp Để cải thiện hiệu năng cho mạng thứ cấp, đề án này nghiên cứu các kỹ thuật chọn lựa người dùng hiệu quả