Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mô hình truyền thông cộng tác tăng cường trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với đa truy nhập không trực giao (Luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mô hình truyền thông cộng tác tăng cường trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với đa truy nhập không trực giao (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mô hình truyền thông cộng tác tăng cường trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với đa truy nhập không trực giao (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mô hình truyền thông cộng tác tăng cường trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với đa truy nhập không trực giao (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mô hình truyền thông cộng tác tăng cường trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với đa truy nhập không trực giao (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mô hình truyền thông cộng tác tăng cường trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với đa truy nhập không trực giao (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mô hình truyền thông cộng tác tăng cường trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với đa truy nhập không trực giao (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mô hình truyền thông cộng tác tăng cường trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với đa truy nhập không trực giao (Luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mô hình truyền thông cộng tác tăng cường trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với đa truy nhập không trực giao (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN ĐẠI THẮNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG CỘNG TÁC TĂNG CƯỜNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI ĐA

TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

TP.HCM - 2018

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN ĐẠI THẮNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG CỘNG TÁC TĂNG CƯỜNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI ĐA

TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO

Chuyên Ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LỜI CAM ĐOAN

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

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP.HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Đại Thắng

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Phạm

Ngọc Sơn đã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Thầy đã trang bị cho em những kiến thức vô cùng quý báu để em có thể vững tin bước tiếp trên con đường của mình

Cám ơn Thầy TS Trần Trung Duy đã chia sẽ nhiều kiến thức chuyên môn,

cách thức trình bày và những kinh nghiệm thực tiễn

Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông cơ sở tại TP.HCM đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức quan trọng trong suốt thời gian học tập tại Học Viện

Bên cạnh đó em xin cảm ơn các quý anh chị và các bạn khóa cao học

2016-2017 đã động viên, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học

Em xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Đại Thắng

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 truyền thông vô tuyến 3

1.2 Tổng quan về truyền thông cộng tác và truyền thông cộng tác tăng cường 4

1.2.1 Giới thiệu truyền thông cộng tác 4

1.2.2 Truyền thông cộng tác tăng cường 6

1.3 Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức và vô tuyến nhận thức dạng nền 7

1.3.1 Khái niệm chung về vô tuyến nhận thức 7

1.3.2 Các mô hình trong vô tuyến nhận thức 9

1.3.3 Vô tuyến nhận thức dạng nền 11

1.4 Tổng quan về NOMA và SIC 12

1.4.1 Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA 12

1.4.2 Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC (Successive Interference Cancellation) 12

1.5 Lý do chọn đề tài 13

1.6 Các nghiên cứu liên quan 14

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG 15

2.1 Mô hình kênh truyền Fading Rayleigh 15

2.2 Mô hình đề xuất 16

2.2.1 Mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền 16

2.2.2 Mô hình đa truy nhập không trực giao 17

2.2.3 Chọn lựa nút chuyển tiếp 19

2.3 Hiệu năng hệ thống 20

2.3.1 Xác suất dừng (Outage Probability) 20

2.3.2 Thông lượng (Throughput) 24

CHƯƠNG 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG 26

3.1 Xác suất dừng 26

3.2 Thông lượng 37

3.3 Kết quả mô phỏng kiểm chứng 38

3.4 Kỹ thuật NOMA trong mô hình đề xuất so với kỹ thuật trực tiếp tăng mức điều chế .44

CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN 46

4.1 Các kết quả đạt được 46

4.2 Hướng phát triển đề tài 46

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Long Term Evolution Multi-Input Multi-Output Non-Orthogonal Multiple Access

Outage Probability Primary Networks Radio Frequency Successive Interference Cancellation

Cơ chế loại bỏ nhiễu một cách tuần tự

Mạng thứ cấp SNR

UE

UWB

Signal to Noise Ratio User Equiment Ultra-wideband

Tỷ lệ tín hiện trên nhiễu Thiết bị người dung

Di động siêu băng rộng

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sự khác biệt giữa mô hình truyền thông trực tiếp và truyền thông cộng

tác, mở rộng phạm vi truyền của truyền thông hợp tác 6

Hình 1.2: Các khoảng phổ có thể sử dụng được biểu diễn trên miền thời gian và miền tần số 8

Hình 1.3: Những khoảng truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian và miền tần số 9

Hình 1.4: Sử dụng phổ tần của ba mô hình chính trong vô tuyến nhận thức 11

Hình 1.5: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Underlay 11

Hình 1.6: Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC với 3 tín hiệu 12

Hình 2.1: Mô hình hệ thống 16

Hình 3.1 : Xác suất dừng của x1 và x2 theo Q (dB) với 10.8, x R 0.5, P 0.5, x  y P 0.25 và th 1 39

Hình 3.2 : Xác suất dừng của x1 và x2 theo  với 1 Q 10(dB), M 3, x P 0.5, P 0.25 y  và th 1 40

Hình 3.3 : Tổng xác suất dừng của x1 và x2 theo  với 1 Q 10(dB), M 3, P 0.5, x  y P 0.25 và th 1 41

Hình 3.4 : Xác suất dừng của x1 và x2 theo x với R Q 15(dB), M 4, 10.9 P 0.5, x  y P 0.25 và th 1 42

Hình 3.5 : Thông lượng vẽ theo Q (dB) với 1 0.9, x R 0.5, x P 0.5, y P 0.25 và th 1 43

Hình 3.6 : Thông lượng vẽ theo  với 1 Q 7.5(dB), M 3, x P 0.5, y P 0.25 và th 1   43

Hình 3.7 : Thông lượng vẽ theo xR với Q 5(dB), M 4,10.75,x P 0.5, P 0.25 y  vàth 1 44

MỞ ĐẦU

thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA) là một kỹ thuật mới được đề xuất cho mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) giúp tăng tốc độ truyền tải người dùng cùng một lúc,

mã và tần số, nhưng với các mức năng lượng khác nhau Ý tưỏng của NOMA chính

là việc ghép một cách tuyến tính các dữ liệu lại với nhau rồi gửi đồng thời tín hiệu được ghép này đến nơi nhận Ở nơi nhận, các dữ liệu lần lượt được giải mã theo cơ chế loại bỏ nhiễu một cách tuần tự (Successive Interference Cancellation (SIC)) Do

đó, cùng một lúc nơi nhận có thể nhận được nhiều dữ liệu khác nhau, vì thế sẽ nâng cao tốc độ truyền dữ liệu cho hệ thống

cạn kiệt phổ tần Trong hoàn cảnh đó, vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) đã ra đời nhằm giải quyết vấn đề này Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, người dùng thứ cấp có thể sử dụng phổ tần cùng lúc với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu tạo

ra từ những hoạt động của người dùng thứ cấp đến người dùng sơ cấp phải nhỏ hơn một mức giới hạn cho phép Do công suất phát của những người dùng thứ cấp bị giới hạn nên chất lượng dịch vụ của mạng thứ cấp sẽ bị giảm đi đáng kể Đó là lý do Học viên mong muốn áp dụng kỹ thuật NOMA cho mạng vô tuyến nhận thức dạng nền nhằm nâng cao thông lượng cho các mạng vô tuyến nhận thức

thông cộng tác (Cooperative Communication) có thể được sử dụng hiệu quả nhằm bù đắp sự giới hạn về công suất phát cũng như sự ảnh hưởng yếu tố fading của kênh truyền Tuy nhiên, nhược điểm mô hình truyền thông cộng tác thông thường đó là việc sử dụng 02 khe thời gian cho việc truyền dữ liệu từ nguồn đến đích Điều này có thể làm giảm tốc độ truyền dữ liệu của mạng Đề giải quyết vấn đề này, truyền thông cộng tác tăng cường (incremental cooperative communication) đã được đề xuất Trong truyền thông cộng tác tăng cường, khi liên kết trực tiếp giữa nguồn và đích có

chất lượng tốt, sự chuyển tiếp có thể không cần sử dụng nữa Do đó, truyền thông cộng tác tăng cường vừa có thể đạt được độ lợi phân tập, vừa có thể nâng cao thông lượng (throughput) cho mạng

- Luận văn này tập trung nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập không trực giao Orthogonal Multiple Access (NOMA)) trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (underlay cognitive radio) với truyền thông cộng tác tăng cường (incremental cooperative communication), đưa ra phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp hiệu quả, chứng minh và mô phỏng sự ảnh hưởng của các nút chuyển tiếp đến thông lượng hệ thống

(Non-Luận văn được trình bày theo bốn chương, cụ thể như sau:

Chương 1 – Lý thuyết tổng quan

Chương 2 – Mô hình hệ thống

Chương 3 – Đánh giá hiệu năng hệ thống

Chương 4 – Kết luận

CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về truyền thông vô tuyến

Trong những năm gần đây truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc và được dự đoán sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa Sự ra đời và phát triển các dịch vụ thoại, internet di động, các dịch vụ giá trị gia tăng, truyền dữ liệu băng thông rộng, truyền hình di động… làm cho nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu ngày càng tăng, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin di động Các hệ thống thông tin di động tế bào đã phát triển lên thế hệ thứ 3 (3G) và thế hệ thứ 4 (4G LTE) đã được triển khai tại nhiều nước trên thế giới cũng như tại Việt Nam Ngoài ra việc nghiên cứu phát triển và thử nghiệm triển khai các công nghệ mới không ngừng diễn ra Các thử nghiệm kỹ thuật cho công nghệ di động 5G đã được tiến hành và đạt được những thành tựu lớn Các tập đoàn công nghệ hàng đầu đã trình diễn và thử nghiệm mạng

di động 5G đạt tới tốc độ 7.2 Gbps Dự kiến tới năm 2020 mạng 5G sẽ được triển khai trên thực tế

Cùng với sự phát triển của các kỹ thuật giúp tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu như các kỹ thuật điều chế, mã hóa, các kỹ thuật phân tập, các hệ thống MIMO… thì một trong những thách thức lớn nhất của các nhà nghiên cứu là sự cạn kiệt về tài nguyên tần số Tài nguyên tần số là có hạn và được quy hoạch sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau: thoại, phát thanh, truyền hình, quân sự, thông tin vệ tinh, truyền dữ liệu… Ngoài ra, việc truyền thông trong môi trường không dây phải đối mặt với những hạn chế cơ bản do sự suy yếu tín hiệu gây ra bởi kênh truyền vô tuyến Khi tín hiệu đi từ nguồn đến đích, việc truyền sóng điện từ phải chịu ảnh hưởng của các yếu

tố như phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ Thêm vào đó, truyền đa đường gây nên sự thăng giáng nhanh chóng biên độ, pha, làm trễ và thường dẫn đến hiện tượng Fading Những

sự suy yếu trên có thể bù đắp bằng nhiều cách như tăng công suất phát, mở rộng băng thông hay sử dụng các loại mã hóa sửa sai ECC (Error Control Coding) Tuy nhiên, công suất và băng thông là những tài nguyên vô tuyến có giới hạn và ngày càng trở

nên khan hiếm trong khi việc sử dụng các loại mã hóa sửa sai sẽ làm hạn chế tốc độ truyền dẫn Do vậy việc có được một luồng truyền dữ liệu tốc độ cao và đáng tin cậy qua những kênh truyển vô tuyến nhạy với lỗi là một thách thức lớn đối với việc thiết

kế các hệ thông vô tuyến

Dùng các giải pháp kỹ thuật nhằm đạt được tốc độ truyền cao hơn, độ tin cậy truyền dẫn cao hơn, đó là hai nhu cầu chính trong sự phát triển của truyền thông vô tuyến Để có thể đạt được hai yếu tố trên khi các yếu tố như công suất truyền hay độ rộng băng thông đều bị giới hạn cần phải áp dụng các biện pháp kỹ thuật khác nhau Các kỹ thuật MIMO là một trong những giải pháp giúp đặt được cả độ lợi phân tập (diversity gain) và độ lợi ghép kênh (multiplexing gain) nhằm tăng tốc độ truyền dẫn

và độ tin cậy của kênh truyền

Tuy nhiên đối với các hệ thông truyền thông di động, do hạn chế về kích thước thiết bị, năng lượng tích trữ và khả năng di động, việc triển khai các kỹ thuật MIMO khó có thể đặt được hiệu quả như mong muốn Một trong những giải pháp có tính khả thi khác nhằm giải quyết vấn đề này là triển khai các hệ thống truyền thông cộng tác (Cooperative Communication)

1.2 Tổng quan về truyền thông cộng tác và truyền thông cộng tác tăng cường

1.2.1 Giới thiệu truyền thông cộng tác

Ta biết rằng, mỗi thiết bị di động thường chỉ có một anten và vì thế không thể riêng rẽ tạo thành phân tập không gian Tuy vậy, nếu giả sử một thiết bị di động có thể nhận dữ liệu từ các thiết bị di động khác, và truyền dữ liệu đó cùng với dữ liệu của chính bản thân nó Và bởi kênh truyền fading đối với các thiết bị di động khác nhau là độc lập thống kê với nhau, nên việc đạt được phân tập không gian là hoàn toàn khả thi Việc truyền đi nhiều tín hiệu trên nhiều kênh khác nhau dựa vào các nút trong mạng sẽ tạo nên phân tập, góp phần chống lại ảnh hưởng của fading, nâng cao chất lượng kênh truyền

Đó chính là ý tưởng chính của khái niệm truyền thông cộng tác [1], [2] (Cooperative Communication), tạo nên phân tập không gian bằng một phương thức mới hay còn gọi là hệ thống các anten phân tập không gian “ảo” (hay hệ thống MIMO ảo) Có nghĩa là các thiết bị di động chỉ có một anten, nhưng chúng có thể “chia sẻ” anten của mình với các thiết bị khác để tạo thành hệ thống anten phân tập không gian Khi đó, dữ liệu của mỗi người dùng (user) được truyền không chỉ bởi chính thiết bị của người đó mà còn được truyền bởi những thiết bị di động khác Vì thế đương nhiên

là trên quan điểm thống kê thì việc nhận diện tín hiệu truyền đi ở phía thu sẽ trở nên đáng tin cậy hơn Và quan trọng là nếu so với Multi-Input Multi-Output (MIMO) truyền thông cộng tác không cần phải quan tâm đến vấn đề tích hợp nhiều anten vào các thiết bị di động, vốn là một vấn đề đòi hỏi chi phí, kích thước thiết bị và sự phức tạp về công nghệ và phần cứng Nhờ vậy, các ứng dụng của truyền thông cộng tác vào các mạng vô tuyến như mạng thông tin di động là cực kì hứa hẹn

Trong truyền thông cộng tác vô tuyến, liên quan đến mạng vô tuyến di động hoặc mạng tùy biến không dây, tại đây các nút người dùng có thể nâng cao chất lượng hiệu quả dịch vụ (tỷ lệ lỗi bit, tỷ lệ lỗi khối, xác suất dừng) thông qua hợp tác các phần tử khác trong mạng Có thể dễ dàng nhận ra một người dùng trong mạng vừa là người dùng vừa là nút chuyển tiếp

Hình 1.1: Sự khác biệt giữa mô hình truyền thông trực tiếp và truyền thông cộng tác,

mở rộng phạm vi truyền của truyền thông hợp tác

1.2.2 Truyền thông cộng tác tăng cường

Nhược điểm mô hình truyền thông cộng tác thông thường đó là việc sử dụng

02 khe thời gian cho việc truyền dữ liệu từ nguồn đến đích Điều này có thể làm giảm tốc độ truyền dữ liệu của mạng Đề giải quyết vấn đề này, truyền thông cộng tác tăng cường (incremental cooperative communication) [1], [3] đã được đề xuất Trong trường hợp kênh truyền giữa nguồn và đích không quá xấu, khi đó một tỷ lệ lỗi các gói dữ liệu truyền từ nguồn tới đích qua kênh chuyển tiếp sẽ bị lãng phí Sự chuyển tiếp có thể không cần sử dụng nữa, truyền thông cộng tác tăng cường vừa có thể đạt được độ lợi phân tập, vừa có thể nâng cao thông lượng (throughput) cho mạng

Nếu tỷ lệ tín hiện trên nhiễu (signal-to-noise ratio-SNR) của tín hiệu nhận được tai các nút chuyển tiếp vượt quá một ngưỡng cho trước, các nút chuyển tiếp sẽ thực hiện hoạt động giải mã và chuyển tiếp đối với tín hiệu truyền đi Mặt khác, nếu các kênh giữa nút nguồn và các nút chuyển tiếp chịu ảnh hưởng của fading làm cho tỷ lệ SNR dưới ngưỡng cho trước, nút chuyển tiếp sẽ hoạt động ở trạng thái nghỉ (Idle)

Hơn nữa, nếu nút nguồn biết được nút đích không giải mã một cách chính xác, nó sẽ lặp lại việc truyền thông tin tới nút đích hoặc tới các nút chuyển tiếp để có thể chuyển tiếp thông tin, trường hợp này được gọi là chuyển tiếp tăng cường Trong trường hợp này, cần phải có một kênh thông tin phản hồi từ các nút đích đến các nút nguồn và nút chuyển tiếp

1.3 Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức và vô tuyến nhận thức dạng nền

1.3.1 Khái niệm chung về vô tuyến nhận thức

Những năm đầu thập kỷ 90, nền khoa học thế giới nói chung và ngành viễn thông nói riêng đã có những bước tiến đột phá lớn, khi nhà khoa học Joseph Mitola

đã phát biểu những ý tưởng đầu tiên của mình về vô tuyến và được định nghĩa bằng phần mềm (Software Defined Radio - SDR) Sau đó thì vô tuyến này bao gồm một tần số vô tuyến (Radio Frequency - RF) và một tunner được điều khiển bởi phần mềm Các tín hiệu băng gốc được đưa vào một bộ chuyển đổi tương tự - số, tại đó được lượng tử hóa, sau đó được giải điều chế trong một thiết bị có thể tự cấu hình như FPGA, bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor - DSP), hoặc máy tính cá nhân (PC) Với khả năng cấu hình của sơ đồ điều chế nên nó đúng với tên gọi vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm Vào năm 1998 trong một kỳ hội thảo tại KTH (Royal Institute of Technology - Stockholm), những ý tưởng về vô tuyến nhận thức (CR) đã được manh nha Và sau đó được công bố trong một bài viết của J Mitola và Gerald Q Maguire, Jr vào năm 1999 Lúc đó là một phương pháp mới trong truyền thông vô tuyến, và được J Mitola định nghĩa như sau:

Vô tuyến nhận thức là một bước tiến của SDR, nó có thể thiết lập các thông

số như băng tần, giao diện, giao thức vô tuyến, trong môi trường biến đổi theo không gian và thời gian, nhằm tối ưu việc sử dụng phổ vô tuyến

Kế đến, viện các kỹ sư điện, điện tử Hoa Kỳ (IEEE) đã định nghĩa vô tuyến nhận thức 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

Đây là một công nghệ rất tiềm năng trong chính sách quy hoạch tần số tĩnh hiện nay, công nghệ giúp tận dụng các tần số nhàn rỗi không được sử dụng đến bởi người dùng sơ cấp, tăng cao hiệu suất sử dụng phổ tần của mạng vô tuyến Qua các định nghĩa cốt lõi trên ta có thể tóm tắt lại:

Vô tuyến nhận thức là một hệ thống có khả năng thay đổi các thông số truyền, dựa vào thực tế và tương tác môi trường xung quanh

Về bản chất các CR là các SDR với trí tuệ nhân tạo, có khả năng cảm nhận và phản ứng với môi trường Từ đó cấp phát tài nguyên vô tuyến và các dịch vụ không dây phù hợp với nhu cầu sử dụng Công nghệ mới này dựa trên một nền tảng thông minh giúp cho việc cấp phát phổ tối ưu hơn, làm tăng thêm đáng kể lượng phổ hiện

có của các nhà cung cấp dịch vụ, vận hành mạng

Hình 1.2: Các khoảng phổ có thể sử dụng được biểu diễn trên miền thời gian

và miền tần số

Vô tuyến nhận thức được nghiên cứu để cho phép một đầu cuối vô tuyến có thể cảm nhận và sử dụng bất kỳ phổ tần số vô tuyến nào có trong thời điểm hiện tại, nhảy vào sử dụng vùng phổ rỗi và thoát ra ngay khi vùng phổ này cần sử dụng

Hình 1.3: Những khoảng truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian

và miền tần số

1.3.2 Các mô hình trong vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức là công nghệ cho phép tận dụng các khoảng tần số nhàn rỗi tạo ra do chính sách quy hoạch tần số tĩnh Hiện nay, công nghệ vô tuyến nhận thức đang thu hút mạnh mẽ sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học khắp nơi trên thế giới Các nút mạng sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức có khả năng hoạt động song song với mạng sơ cấp (Primary Networks) (là mạng có bản quyền sử dụng tần số) với điều kiện ràng buộc là hoạt động truyền phát dữ liệu của mạng thứ cấp (Secondary Networks) không gây can nhiễu cho mạng sơ cấp

Hiện nay có ba phương pháp chính để thiết kế mạng vô tuyến nhận thức đó là: Interweave, Overlay và Underlay

- Mô hình xen kẽ (Interweave): người ta sử dụng thứ cấp thăm dò sự hiện diện của người dùng sơ cấp để sử dụng những tần số trống một cách hiệu quả và không can nhiễu tới người dùng sơ cấp

- Mô hình chia sẻ tần số (Overlay): nút phát thứ cấp đóng vai trò như những

bộ chuyển tiếp tín hiệu sơ cấp cho những nút sơ cấp Nhờ sự cộng tác này, hiệu năng của mạng sơ cấp tăng lên, trong khi đó những nút phát thứ cấp tìm thấy những cơ hội để truyền những tín hiệu của chúng đến những bộ thu thứ cấp mong muốn

- Mô hình dạng nền (Underlay): trong mô hình này thì người sử dụng thứ cấp

có thể sử dụng chung tần số với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu của người dùng thứ cấp tới người dùng sơ cấp ở mức giới hạn cho phép Để làm được điều này thì công suất phát của người dùng thứ cấp bị hạn chế, đồng thời hiệu năng của mạng thứ cấp cũng giảm theo

Trong ba phương pháp này thì phương pháp Underlay nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học nghiên cứu gần đây khi mà ưu điểm của nó là cho phép các mạng sơ cấp và mạng thứ cấp có thể tiến hành song song hai hoạt động truyền và phát

Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là để đảm bảo điều kiện can nhiễu nhận được tại phía máy thu sơ cấp, công suất phát của các máy phát thứ cấp phải được điều chỉnh phụ thuộc vào độ lợi kênh truyền can nhiễu và kết quả là vùng phủ sóng của mạng thứ cấp bị giới hạn

Hình 1.4: Sử dụng phổ tần của ba mô hình chính trong vô tuyến nhận thức

1.3.3 Vô tuyến nhận thức dạng nền

Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, các nút phát thứ cấp phải điều chỉnh công suất phát sao cho thoả mãn mức giao thoa định mức tối đa được quy định bởi mạng sơ cấp (xem hình 1.5)

Hình 1.5: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Underlay

Người sử dụng mạng vô tuyến nhận thức sẽ sử dụng các công nghệ trải phổ như: CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) hoặc UWB (siêu di động băng rộng)

để chia sẻ băng tần với người sử dụng được cấp phép Việc sử dụng các công nghệ

trải phổ sẽ giúp cho người sử dụng vô tuyến nhận thức có thể dùng tràn lên băng tần của người sử dụng được cấp phép bất kể người sử dụng được cấp phép có sử dụng phổ tần đó hay không Một vấn đề đặt ra trong phương pháp này là người sử dụng vô tuyến nhận thức phải kiểm soát được công suất phát của mình để tránh gây nhiễu lên người sử dụng được cấp phép Công nghệ chia sẻ phổ tần chìm thường được áp dụng đối với các mạng tổ ong

1.4 Tổng quan về NOMA và SIC

1.4.1 Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA

Đa truy nhập phi trực giao (NOMA) là một công nghệ cho phép cần thiết cho các mạng không dây 5G để đáp ứng nhu cầu không đồng nhất về độ trễ thấp, độ tin cậy cao, kết nối lớn, và thông lượng cao NOMA là một kỹ thuật mới cho phép các thiết bị gửi cùng một lúc các dữ liệu khác nhau đến cùng một người dùng hoặc các người dùng khác nhau Ý tưởng của NOMA chính là việc ghép một cách tuyến tính các dữ liệu lại với nhau rồi gửi đồng thời tín hiệu được ghép này đến nơi nhận Ở nơi nhận, các dữ liệu lần lượt được giải mã theo cơ chế loại bỏ nhiễu một cách tuần tự (Successive Interference Cancellation - SIC) Do đó, cùng một lúc nơi nhận có thể nhận được nhiều dữ liệu khác nhau, vì thế sẽ nâng cao tốc độ truyền dữ liệu cho hệ thống Các nghiên cứu gần đây chứng minh rằng NOMA có tiềm năng được áp dụng trong các tình huống khác nhau 5G, bao gồm thông tin liên lạc và Internet of Things Do hiệu quả quang phổ vượt trội, NOMA cũng đã được đưa vào 3GPP LTE Advanced gần đây, dưới cái tên "Multi-User Chồng truyền" Vấn đề đặc biệt này sẽ cung cấp một diễn đàn cho các nghiên cứu mới nhất và đổi mới trong công nghệ NOMA cũng như các ứng dụng của họ, và sẽ thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và thực hành trong các thiết kế của 5G

1.4.2 Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC (Successive Interference Cancellation)

Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC [13], [15] được sử dụng trong NOMA để giải mã tín hiệu của từng UE Trong NOMA, công suất lớn được

phân bổ cho UE nằm xa BS nhất và công suất nhỏ dành cho UE gần BS nhất Trong mạng, tất cả các UE đều nhận được cùng một tín hiệu mang thông tin cho tất cả người dùng Mỗi UE sẽ giải mã tín hiệu mạnh nhất trước, và sau đó trừ đi tín hiệu giải mã từ tín hiệu nhận được SIC sẽ nhận và lặp lại phép trừ cho đến khi nó tìm

Hình 1.6: Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC với 3 tín hiệu

Để hiểu rõ hơn về SIC, ta xem xét hình 1.6, minh họa nguồn phát 3 tín hiệu cho 3 UE cùng lúc có cùng tần số và băng thông, tại mỗi UE tín hiệu nhận được gồm

cả 3 tín hiệu trên, UE sẽ giải mã tín hiệu mạnh nhất trước và xem 2 tín hiệu kia là nhiễu Khi tín hiệu đầu được giải mã thành công, nó sẽ bị loại trừ ra, lúc này ta còn 2 tín hiệu 2 và 3, quá trình SIC sẽ lặp lại cho đến khi ta giải mã được tín hiệu mong muốn

1.5 Lý do chọn đề tài

Trong đề tài này, Học viên mong muốn nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA)) trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (underlay cognitive radio) với truyền thông cộng tác tăng cường (incremental cooperative communication)

Như đã đề cập ở trên, đa truy nhập không trực giao (NOMA) là một kỹ thuật mới được sử dụng để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu cho hệ thống Đây cũng là hướng nghiên cứu “nóng” trong thời gian gần đây

Tiếp theo, một trong những vấn đề cấp bách được quan tâm nhiều hiện nay đó

là vấn đề cạn kiệt phổ tần, và vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) đã ra đời nhằm giải quyết vấn đề này Trong các phương pháp chia sẻ phổ tần, mô hình Underlay cho phép người dùng thứ cấp có thể sử dụng phổ tần cùng lúc với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu tạo ra từ những hoạt động của người dùng thứ cấp đến người dùng

sơ cấp phải nhỏ hơn một mức giới hạn cho phép Đó là lý do luận án sẽ nghiên cứu

áp dụng kỹ thuật NOMA cho mạng vô tuyến nhận thức dạng nền nhằm nâng cao thông lượng cho các mạng vô tuyến nhận thức

Cuối cùng, để nâng cao hiệu năng cho mạng vô tuyến nhận thức, các giao thức truyền thông cộng tác (Cooperative Communication) có thể được sử dụng hiệu quả nhằm bù đắp sự giới hạn về công suất phát cũng như sự ảnh hưởng yếu tố fading của kênh truyền Như đã trình bày ở trên, luận án đề xuất sử dụng kỹ thuật truyền thông cộng tác tăng cường nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ cho hệ thống

1.6 Các nghiên cứu liên quan

Theo sự hiểu biết tốt nhất của Học viên, chỉ có một số các nghiên cứu liên quan đến đa truy cập không trực giao trong mạng vô tuyến nhận thức Trong tài liệu tham khảo [11], [12], các tác giả nghiên cứu phương pháp phân bổ công suất cho mạng vô tuyến nhận thức Trong mô hình này, cả hai nhóm người dùng sơ cấp và thứ cấp cùng nhận dữ liệu từ một trạm gốc (Base Station) chung, sử dụng kỹ thuật đa truy cập không trực giao Trong luận văn này, mạng chuyển tiếp tăng cường trong vô tuyến nhận thức dạng nền sử dụng đa truy cập không trực giao sẽ được nghiên cứu Hơn nữa, Học viên cũng đề xuất phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp để nâng cao hiệu quả truyền dữ liệu cho mô hình đề xuất

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 Mô hình kênh truyền Fading Rayleigh

Đáp ứng của kênh truyền là một quá trình phụ thuộc vào cả thời gian và biên

độ Biên độ của hàm truyền tại một tần số nhất định tuân theo phân bố Rayleigh, nếu kênh truyền không tồn tại LOS (Line of Sight), người ta đã chứng minh được đường bao của tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyền được gọi là kênh truyền Fading Rayleigh Khi đó tín hiệu nhận được ở máy thu là tổng hợp của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ

Nói cách khác, Fading Rayleigh là mô hình hợp lý cho việc truyền tín hiệu cả hai tầng đối lưu và điện ly cũng như cho sự ảnh hưởng của môi trường đô thị đến tín hiệu vô tuyến Nó không bao gồm thành phần truyền thẳng LOS

Trong những kênh truyền vô tuyến, phân bố Rayleigh thường được dùng để

mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được

của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh Khi môi trường có nhiều thành phần tán xạ ta có thể dùng mô hình Rayleigh với 2 biến Gauss

( công suất thành phần đường bao tín hiệu) ta có:

Function) được xác định bởi:

2

2 2

Rb

D PU

Hình 2.1: Mô hình hệ thống

Hình 2.1 mô tả mô hình hệ thống được nghiên cứu trong luận văn Trong mô hình này, hai mạng sơ cấp (primary network) và thứ cấp (secondary network) hoạt động trên cùng một dải tần, trong đó các thiết bị phát thứ cấp truy cập phổ tần theo phương thức underlay [9], [16], [17] Mạng sơ cấp có một người dùng sơ cấp PU đang hoạt động Trong khi đó, mạng thứ cấp có 01 nút nguồn thứ cấp S, một nút đích thứ cấp D và M nút chuyển tiếp thứ cấp, ký hiệu là R , R , , R 1 2 M Nút nguồn S muốn gửi dữ liệu đến đích D Nếu sự truyền dữ liệu giữa S và D không thành công, một trong những nút chuyển tiếp sẽ được sử dụng để gửi lại dữ liệu đến D Đây là kỹ

thuật truyền thông cộng tác tăng cường (Incremental cooperative communication) [18], [19]

Trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền, các nút phát thứ cấp như nguồn S

và các nút chuyển tiếp phải hiệu chỉnh công suất để mà giao thoa gây ra tại nút PU

của nguồn S sẽ là:

S SP

,

th I P

th I P

2.2.2 Mô hình đa truy nhập không trực giao

Tất cả các nút đều được giả sử chỉ có 01 ănten và hoạt động ở chế độ bán song công (half-duplex) Do đó, sự truyền dữ liệu giữa nguồn và đích (hoặc thông qua nút chuyển tiếp được chọn) có thể được thực hiện trong 01 khe thời gian hoặc 02 khe thời gian

nút đích Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền, các nút chuyển tiếp cũng sẽ nhận

tuyến tính dưới dạng sau:

1 S 1 2 S 2,

x   P x   P x (2.6)

Trong công thức (2.6), x là dữ liệu tổng hợp sẽ được gửi đi, 1 và 2 là các hệ số

1 2 1,

Do đó, tín hiệu nhận được tại đích D sẽ được đưa ra như sau:

S D 1 S SD 1 2 S SD 2 D,

y   P h x   P h x n (2.7)

'

S D 2 S SD 2 D

y   P h x n (2.8) Rồi thì, nút đích D sẽ sử dụng tín hiệu yS D' để giải mã tín hiệu x2

được sử dụng nữa

cầu sự trợ giúp từ các nút chuyển tiếp Trong trường hợp này, một nút chuyển tiếp sẽ được chọn để trợ giúp đích D

Ta trở lại với khe thời gian thứ nhất, tương tự như công thức (2.7), tín hiệu

Ở đây, SR

m

m

cũng là một biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và

1

Sau khi kết thúc khe thời gian thứ nhất, ta có thể chia các nút chuyển tiếp thành

nút còn lại (những nút không giải mã được dữ liệu nào)

Không mất tính tổng quát, ta có thể giả sử các nút thuộc nhóm 1 là

Ta tiếp tục ký hiệu V1 và V2 là hai tập con của W2, trong đó V1 là tập các nút

2.2.3 Chọn lựa nút chuyển tiếp

Ta xét trường hợp nút đích D gửi thông điệp NACK để yêu cầu các nút chuyển

chọn để gửi lại những dữ liệu đến đích D Thật vậy, sau khi nhận được thông điệp

NACK từ nút đích, một trong những nút chuyển tiếp thành công sẽ được chọn theo phương pháp như sau:

2.3.1 Xác suất dừng (Outage Probability)

Đầu tiên, ta định nghĩa xác suất dừng là xác suất mà một thiết bị thu không thể giải mã thành công dữ liệu nhận được do tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời (SNR) nhỏ

công

Ta lưu ý, xác suất dừng mà luận văn sẽ đánh giá chính là xác suất dừng tại nút

xác suất dừng cho x1 và x2

Bây giờ, ta sẽ xét hai trường hợp như sau:

1 1 S SD SD

phép và công suất của nhiễu cộng, và xác định như sau:

th 0

I Q N

SR 2 SP

.1

R D R R D 2 D

đưa ra như sau:

N