Nghiên cứu mạng truyền thông hợp tác di động băng rộng với điều kiện thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo tt

Các hệ thống truyền thông không dây phát triển rất nhanh nhằm đáp ứng những yêu cầu, đòi hỏi ngày càng cao và khắt khe hơn của người dụng như: sử dụng hiệu quả năng lượng và phổ tần; mở

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN HỒNG GIANG

NGHIÊN CỨU MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

DI ĐỘNG BĂNG RỘNG VỚI ĐIỀU KIỆN THÔNG TIN TRẠNG THÁI KÊNH TRUYỀN KHÔNG HOÀN HẢO

Chuyên ngành : Khoa học máy tính

Mã số : 62.48.01.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, Năm 2018

Công trình được hoàn thành tại:

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN LÊ HÙNG

PGS.TS VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO

Phản biện 1 PGS TS NGUYỄN TUẤN ĐỨC

Phản biện 2: PGS TS HOÀNG MẠNH THẮNG

Phản biện 3: PGS TS NGUYỄN VĂN CƯỜNG

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Đà Nẵng họp tại: Đại học Đà Nẵng

Vào hồi 14 giờ 00 ngày 4 tháng 11 năm 2017

* Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Bối cảnh nghiên cứu

Ngày nay, công nghệ truyền thông không dây đã trở thành một phần thiết yếu của cuộc sống hàng ngày ở hầu hết các quốc gia trên thế giới Các hệ thống truyền thông không dây phát triển rất nhanh nhằm đáp ứng những yêu cầu, đòi hỏi ngày càng cao và khắt khe hơn của người dụng như: sử dụng hiệu quả năng lượng và phổ tần; mở rộng phạm vi vùng phủ; gia tăng tốc độ truyền dẫn; cải thiện phẩm chất tín hiệu; nâng cao

độ tin cậy và vững chắc các đường liên kết; giảm chi phí giá thành trong thiết kế và triển khai mạng

Tuy nhiên, tài nguyên phổ tần số vô tuyến ngày càng trở lên khan hiếm và đã được phân bổ, cấp phép cho các dịch vụ khác nhau, việc chia

sẻ các dải phổ này là không được phép [1]1 Vô tuyến nhận thức

(Cognitive radio) cần sử dụng một chính sách phổ cởi mở hơn [5, 6] Mạng vô tuyến nhận thức cho phép một người dùng không được cấp

phép sử dụng tần số, người dùng thứ cấp Secondary User (SU) có thể

truy nhập một hố phổ trống của một người dùng có phép sử dụng tần số,

người dùng sơ cấp Primary User (PU) Nhờ vào đó, hiệu suất sử dụng

phổ có thể được cải thiện đáng kể trong khi giảm được khoảng phổ trắng [3-13]

Mặt khác, chất lượng của các hệ thống truyền thông không dây lại phụ thuộc bởi môi trường kênh truyền Trong đó, hiện tượng pha-đinh, đặc biệt là hiện tượng pha-đinh đa đường gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống Để khắc phục những vấn đề này, kỹ thuật phân tập không gian truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) đã được chứng minh là giải pháp mạnh mẽ, đầy tiềm năng [12], [ 21-28] Với ưu điểm đó, MIMO được chọn lựa làm nền

1 Số trích dẫn tài liệu tham khảo là số thứ tự trong Mục Tài liệu tham khảo của luận án

tảng cho nhiều chuẩn vô tuyến như Wireless Local Area Network (WLAN) IEEE 802.11, WiMAX IEEE 802.16, các chuẩn thông tin di động 3G, 4G như 3GPP LTE (Long Term Evolution)/LTE Advanced, 3GPP2 UMB (Ultra Mobile Broadband) Chuẩn WLAN 802.11n đã được phê chuẩn và thương mại hóa [30]

Bên cạnh đó, phương thức truyền dẫn truyền thông hợp tác 2 [18, 32- 38], đang là giải pháp khả thi cho các bài toán mở rộng vùng phủ, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cũng như tính bền vững của hệ thống Gần đây, sự kết hợp giữa kỹ thuật chuyển tiếp hợp tác và vô tuyến nhận thức cho phép tạo nên các hệ thống truyền thông hợp tác khác nhau và đây cũng đang là một xu thế nghiên cứu của các nhà khoa học nhằm phát huy các lợi thế vốn có của các kỹ thuật này [9], [12], [51-54] Với những đặc tính ưu việt đã nêu, các hệ thống truyền thông

hợp tác đang là một trong những chủ đề "nóng", thu hút được sự quan

tâm của cộng đồng nghiên cứu trong và ngoài nước từ nhiều khía cạnh khác nhau nhằm cải tiến cho hệ thống truyền thông hợp tác, chẳng hạn như: kết hợp với mã không gian thời gian [55-58]; kết hợp với mã hóa [59- 61]; lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất [9, 20, 62, 63]; mở rộng cho nhiều nút dạng lặp lại, đa chặng [38, 64-66]; mở rộng cho kiểu điều chế

vi sai [27, 54]; đơn giản hóa phần cứng bằng cách sử dụng các bộ kết hợp có độ phức tạp thấp [18, 19]; phân tích chất lượng hệ thống trong các kênh truyền khác như Rice, Nakagami-m [17, 26, 67]

Qua việc khảo cứu ở trên, Nghiên cứu sinh nhận thấy: các nhóm nghiên cứu về truyền thông hợp tác trong nước và thế giới đại đa số đều giả định rằng thông tin trạng thái kênh truyền Channel State Information (CSI) là hoàn hảo ở phía máy thu (máy đích) với mục đích dễ dàng cho việc nghiên cứu và phân tích Tuy nhiên trong thực tế, thông tin kênh truyền mà máy đích có được (qua quá trình huấn luyện) thường có một

2 Trong luận án này, hệ thống truyền thông hợp tác là hệ thống có đường liên kết trực tiếp nguồn-đích

độ trễ và độ sai khác nhất định với thông tin kênh truyền thực tế Độ trễ

và độ sai khác này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hệ thống, hay nói

cụ thể hơn, ảnh hưởng đến kỹ thuật chuyển tiếp, kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp và kỹ thuật kết hợp tại nút đích

Do mô hình toán phức tạp, nên cho đến nay chỉ có một số rất ít nghiên cứu tập trung nghiên cứu về hướng này, ví dụ như: [10, 73-77] Tuy nhiên, đặc điểm chung của các nghiên cứu chỉ ra ở trên là chỉ giới hạn ở mô hình kênh đơn giản và chưa đi sâu và chỉ khảo sát đơn lẽ ảnh hưởng của độ trễ hoặc của độ sai lệch của thông tin kênh truyền và chưa cung cấp một nhìn tổng quan cũng như phương pháp phân tích tổng quát cho vấn đề này Bên cạnh đó, chất lượng hệ thống và các thông số quyết định chất lượng mạng vẫn là một câu hỏi chưa có câu trả lời Xuất phát

từ tính chất thời sự và khả năng ứng dụng rộng rãi mạng truyền thông hợp tác cùng với các vấn đề nghiên cứu mở đã chỉ ra ở trên, nghiên cứu

sinh quyết định lựa chọn và thực hiện đề tài "Nghiên cứu mạng truyền thông hợp tác di động băng rộng với điều kiện thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo"

Luận án định hướng giải quyết bài toán truyền thông hợp tác trong môi trường vô tuyến nhận thức với điều kiện kênh truyền đường can nhiễu không hoàn hảo nhằm nâng cao hiệu năng của mạng thứ cấp trong khi vẫn đảm bảo mức can nhiễu cho mạng sơ cấp bằng cách sử dụng các

kỹ thuật tiên tiến ở lớp vật lý, cũng như đề xuất các phương pháp tối ưu

hệ thống

2 Đóng góp của luận án

Một số đóng góp chính của luận án có thể được tóm tắt như sau

1 Đề xuất mô hình và phân tích chất lượng hệ thống hợp tác MIMO trong môi trường vô tuyến nhận thức Mô hình gồm một máy thu

sơ cấp PU-Rx đơn ăng-ten Mạng thứ cấp gồm một nút Nguồn, một nút Chuyển tiếp, và một nút Đích Tất cả máy thu và máy

phát mạng thứ cấp đều đa ăng-ten, với mô hình kênh truyền Rayleigh, CSI của đường can nhiễu không lý tưởng

2 Đề xuất mô hình và phân tích chất lượng hệ thống truyền thông chuyển tiếp đa chặng với sự hiện diện nhiều máy thu sơ cấp đơn ăng-ten thu

3 Nghiên cứu, so sánh hiệu quả sử dụng kỹ thuật kết hợp tín hiệu thu MRC và SC cho mô hình chuyển tiếp hợp tác trong môi trường vô tuyến nhận thức với mô hình kênh truyền Rayleigh

4 Đề xuất phân tích chất lượng mô hình hệ thống gồm một máy thu

sơ cấp PU-Rx đơn ăng-ten Trong khi đó, mạng thứ cấp gồm nút Nguồn, nút Chuyển tiếp, và nút Đích Tất cả máy phát thứ cấp đều đơn ăng-ten phát và đa ăng-ten thu, các máy thu thứ cấp sử dụng kỹ thuật kết hợp tỉ số cực đại, sử dụng mô hình kênh truyền

pha-đinh Nakagami-m với điều kiện CSI của đường can nhiễu

không hoàn hảo

5 Đề xuất phân tích mô hình truyền thông hợp tác trong môi trường

vô tuyến nhận thức có ràng buộc can nhiễu Mạng sơ cấp gồm máy phát sơ cấp PU-Tx có một ăng-ten phát và máy thu sơ cấp PU-Rx nhiều ăngten thu Trong mạng thứ cấp gồm một nút Nguồn, nút một nút Chuyển tiếp và một nút Đích; các máy phát của mạng thứ cấp có một ăng-ten trong khi đó máy thu thứ cấp gồm nhiều ăng-ten và sử dụng kỹ thuật MRC

6 Đề xuất phân tích mô hình lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng truyền thông hợp tác với kênh truyền có phân bố pha-đinh Rayleigh Trong mô hình đề xuất, mạng sơ cấp có sự hiện diện của một máy thu sơ cấp PU-Rx đơn ăng ten; mạng thứ cấp gồm

một nút Nguồn, N nút Chuyển tiếp đơn ăng-ten và một nút Đích

đa ăng-ten

7 Đề xuất khảo sát phân tích chất lượng hệ thống truyền thông hợp tác trong môi trường pha-đinh không đồng nhất Trong mô hình

đề xuất, mạng sơ cấp có sự hiện diện của một máy thu sơ cấp

PU-Rx đơn ăng-ten; mạng thứ cấp gồm một nút Nguồn, N nút

Chuyển tiếp đơn ăng-ten

3 Bố cục luận án

Luận án gồm 150 trang, ngoài các phần: Mở đầu; Kết luận và hướng phát triển; Danh mục công trình công bố; Tài liệu tham khảo và Phụ lục, luận án chia thành 4 chương như trình bày tiếp theo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

1.1 Phân loại mạng không dây

1.2 Kênh truyền không dây

1.3 Đánh giá hiệu năng mạng

1.4 Các kỹ thuật phân tập và kết hợp tín hiệu

1.5 Mạng truyền thông hợp tác

1.6 Tóm tắt

CHƯƠNG 2: HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

MIMO VÀ MẠNG CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC ĐA CHẶNG

2.1 Mạng truyền thông hợp tác MIMO

2.1.1 Nghiên cứu liên quan

2.1.2 Phân tích hiệu năng hệ thống

2.1.3.1 Xác suất bị can nhiễu của máy thu sơ cấp P I

trong đó, là hệ số điều chỉnh công suất phát (back-off), là hệ

số tương quan giữa kênh ước lượng với kênh thực tế, phản ảnh mức độ hoàn hảo của CSI, giá trị của nằm trong khoảng 0,1

2.1.3.2 Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp

Xác suất dừng (OP) là một thông số quan trọng để đánh giá chất lượng hệ thống Nó cho ta biết chất lượng của hệ thống mà không cần biết hệ thống sử dụng kiểu điều chế nào Chỉ cần so sánh SNR của hệ thống ( e e2 ) với một giá trị ngưỡng ( th) xác định sao cho e e2 ththì xác suất tín hiệu được giải điều chế đúng là gần 100%

1 r

1

s th

0 1

1 1

a a a

2.1.3 Kết quả mô phỏng

Hình 2.2 và Hình 2.3 cho thấy, kết quả khảo sát lý thuyết và kết quả mô phỏng khớp nhau Hình 2.2 cho thấy xác suất dừng của hệ thống

thứ cấp sẽ giảm khi ngưỡng nhiễu cho phép của máy thu sơ cấp Q tăng

hoặc số lượng ăng-ten N N N tăng Hình 2.3 chỉ ra mối quan hệ s, r, dgiữa P và OP, khi I P tăng thì OP giảm và I N N N tăng sẽ cải thiện s, r, dchất lượng hệ thống thứ cấp làm giảm OP nếu giữ nguyên giá trị P I

2.2 Mạng chuyển tiếp hợp tác đa chặng

2.2.1 Nghiên cứu liên quan

2.2.2 Mô hình hệ thống

Mô hình đề xuất như Hình 2.4 Hệ số kênh truyền của chặng thứ k

trong mạng thứ cấp là h k

(2.35)

với BERk là tỉ lệ lỗi bit của chặng thứ k , đối với kênh Rayleigh

fading thì BERktính được như sau:

CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG KỸ THUẬT KẾT HỢP TÍN HIỆU THU

NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 3.1 So sánh kỹ thuật kết hợp tín hiệu thu MRC và SC

3.1.1 Giới thiệu

3.1.2 Mô hình hệ thống

Mô hình đề xuất như Hình

3.1, độ lợi kênh truyền

( 1)

M

i i

Q i N

th sr sp

( 1)

M

i i

Q i L

th rd rp

th th

rd 1

rd

rd

th rd

mạng tốt hơn so với SC Tăng số

lượng ăng-ten hoặc tăng 1

dẫn đến hiệu năng mạng tăng (OP

giảm) Kết quả mô phỏng cho thấy

công thức tính OP trong (3.5) đã

được kiểm chứng chính xác

3.2 Hiệu năng mạng truyền thông hợp tác với kênh truyền

j m m

j j

2 4

m m 3.2.3.3 Dung lượng Ergodic mạng thứ cấp

1 2 2

12

j j

Hình 3.6 tới Hình 3.9 đã khảo sát chất lượng của hệ thống với mô

hình kênh truyền Nakagami-m thông qua các tham số hệ thống như xác

suất bị can nhiễu P , xác suất dừng OP, dung lượng hệ thống, SER theo I

, Q , số lượng ăng-ten Kết quả mô phỏng các công thức tính toán P , I

OP, C , SER đã được xác minh phù hợp với kết quả mô phỏng

3.3 Hiệu năng hệ thống truyền thông hợp tác trong môi trường vô

tuyến nhận thức có ràng buộc can nhiễu

3.3.1 Các nghiên cứu liên quan

M M

N Y

N j

N k m k G

i

j N

M M

L Y

L j

L k m k G

i

j L

3.3.4 Kết quả mô phỏng

chất lượng của hệ thống thông qua

các tham số xác suất dừng OP

3.4 Tóm tắt

CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG

TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 4.1 Lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng truyền thông hợp tác

với mô hình kênh Rayleigh

k

N k N

k

(4.27)

4.1.6 Tỷ lệ lỗi symbol (Symbol Error Rate - SER)

k k

k M

1 1

2

0

2

ln1

M

N

k M

k

k

N C

k M

N M

k

(4.46)

4.1.8 Mô phỏng và đánh giá kết quả

Hình 4.2 đến Hình 4.5 đã chỉ ra xác suất đứt chặng OP, tỷ lệ lỗi symbol,

dung lượng Shannon theo theo Q và Xác suất can nhiễu tới máy thu sơ

cấp IP theo Kết quả mô phỏng đã kiểm chứng được công thức toán học đã được xây dựng ở phần phân thích hệ thống

4.2 Hiệu năng hệ thống truyền thông hợp tác trong môi trường

pha-đinh không đồng nhất

4.2.1 Giới thiệu

4.2.2 Mô hình hệ thống

Mô hình như Hình 4.10,

đường can nhiễu từ nút Nguồn và

nút Chuyển tiếp tới máy thu sơ cấp

PU-Rx có mô hình kênh Rayleigh

Kênh Rician cho đường truyền

giữa các nút trong mạng thứ cấp

4.2.3 Xác suất dừng hệ thống

OP 1 1 F 1 F , (4.53) trong đó,

1

2 1 0

Kết quả mô phỏng, công thức tính

OP ở (4.53) đã được kiểm chứng,

các tham số hệ thống ảnh hưởng tới

chất lượng mạng (OP) được chỉ ra

trong các Hình 4.11, 4.12, 4.13

4.3 Tóm tắt

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN

Luận án này đã nghiên cứu chi tiết về các hệ thống truyền thông hợp tác di động băng rộng với điều kiện thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo Luận án có ý nghĩa khoa học cao vì đã đề xuất thành công phương pháp tính toán chất lượng hệ thống truyền thông hợp tác trong môi trường vô tuyến nhận thức cho các mô hình phức tạp như: hợp tác MIMO, đa chặng; hệ thống sử dụng kỹ thuật kết hợp tín hiệu ở nút đích với nhiều ăng-ten thu; hệ thống truyền thông hợp tác sử dụng

kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp với các mô hình pha-đinh khác nhau Kết quả tính toán lý thuyết đưa ra các công thức toán học để đánh giá chất lượng hệ thống hoàn toàn trùng khớp với kết quả mô phỏng, cho phép khảo sát hệ thống mà không cần tốn thời gian mô phỏng

A Một số kết quả đạt được của luận án

1 Luận án đã đề xuất mô hình hệ thống truyền thông hợp tác trong môi trường vô tuyến nhận thức với điều kiện thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) không hoàn hảo Tác giả đã thành lập được biểu thức toán học dạng đơn giản để tính xác suất bị can nhiễu, xác suất dừng hệ thống, tỉ lệ lỗi symbol trung bình - SER, các kết quả phân tích được kiểm chứng bằng cách mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab Các kết quả mô phỏng phù hợp với các kết quả phân tích, tính toán

2 Luận án đã đề xuất sử dụng kỹ thuật điều khiển công suất phát và phân tập thu ở mạng thứ cấp nhằm giảm can nhiễu cho máy thu sơ cấp và nâng cao hiệu suất mạng thứ cấp Điều đó đã được đưa ra trong các kết quả phân tích thông qua các tham số Hệ thống sử dụng kỹ thuật đa ăng-ten phát và đa ăng-ten thu, hệ thống chuyển tiếp đa chặng cũng đã được khảo sát trong luận án

3 Luận án đã phân tích các hệ thống truyền thông hợp tác trên các phân bố pha-đinh khác nhau như Rayleigh, Nakagami-m, Rice

4 Mở rộng theo hướng đa anten như trong mô hình hệ thống MIMO

để cải thiện thêm nữa chất lượng hệ thống thứ cấp

5 Hệ thống có thể mở rộng theo mô hình đa chặng để mở rộng phạm

vi phủ sóng của hệ thống

B Hướng phát triển của luận án

Một số hướng cần tiếp tục được đề xuất và nghiên cứu trong tương lai, chẳng hạn:

1 Khảo sát hệ thống với giao thức khuếch đại chuyển tiếp (AF)

2 Mở rộng khảo sát với điều kiện CSI của tất cả các đường truyền không hoàn hảo thay vì mới nghiên cứu ảnh hưởng CSI không hoàn hảo ở đường can nhiễu

3 Đề xuất sử dụng các kỹ thuật mã mạng vào cải thiện hiệu suất của mạng

4 Nghiên cứu tối ưu năng lượng cho nút chuyển tiếp