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 (tt)

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

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Mã số: 8520208

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HCM – NĂM 2018

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:

TS PHẠM NGỌC SƠN

Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Ngày nay, mạng truyền thông vô tuyến đang phát triển mạnh mẽ, trong đó kỹ 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

Một trong những vấn đề cấp bách được quan tâm nhiều hiện nay đó

là vấn đề 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

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 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 (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), 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

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

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

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

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

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

1.3.2 Các mô hình trong vô tuyến nhận thức

1.3.3 Vô tuyến nhận thức dạng nền

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

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 thấy tín hiệu riêng của

nó UE nằm gần với BS có thể loại bỏ tín hiệu của UE xa

Hình 2.1: Mô hình hệ thống

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 phải nhỏ hơn một ngưỡng Ith được quy định bởi nút PU Thật vậy, công suất phát của nguồn S sẽ là:

S SP

,

th I P



 (2.5)

với R P  | hR P|2 là độ lợi kênh truyền giữa Rm và PU, trong

đó R P

m

h là hệ số kênh truyền

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

Ở khe thời gian thứ nhất, nút nguồn kết hợp 02 dữ liệu x1 và x2

lại và gửi đến nút đích Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền, các nút chuyển tiếp cũng sẽ nhận được dữ liệu này Theo kỹ thuật NOMA, 2 dữ liệu

1

x và x2 sẽ được cộng một cách tuyến tính dưới dạng sau:

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 phân chia công suất phát PS cho các tín hiệu x1 và x2

Ở đây, ta lưu ý rằng  1 2 và  1 2  1,nghĩa là tín hiệu x1 sẽ được phân công với công suất phát lớn hơn

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

ở đây, nD là nhiễu cộng tại đích D, là một biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng N0.

Sử dụng kỹ thuật khử nhiễu tuần tự (SIC), nút nguồn D sẽ giải mã

dữ liệu x1 trước vì x1 được phân bổ công suất cao hơn x2 Sau khi giải mã thành công x1, nút đích sẽ loại bỏ thành phần  P h x ra khỏi tín hiệu

nhận được Rồi thì, tín hiệu còn lại chỉ còn dữ liệu x2 và nhiễu cộng:

'

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

Nếu nút đích D có thể giải mã thành công cả hai dữ liệu x1 và x2, nút D sẽ gửi thông điệp ACK để thông báo với nguồn và các nút chuyển tiếp rằng hai dữ liệu x1 và x2 đã được nhận thành công Trong trường hợp này, các nút chuyển tiếp sẽ không được sử dụng nữa

Trong trường hợp nút đích D không giải mã được x1 và x2 hoặc chỉ giải mã được x1 mà không giải mã được x2 Nút đích D sẽ gửi một thông điệp NACK để yêu 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 nhận được tại nút chuyển tiếp Rm sẽ là:

y  P h x   P h x n (2.9)

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 tiếp giúp đỡ Trong trường hợp này, một trong những nút thuộc tập hợp W1 sẽ được 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 Hiệu năng hệ thống

2.3.1 Xác suất dừng (Outage Probability)

 Trường hợp 1: Nút đích giải mã được x1 nhưng không giải mã được x2

Từ công thức (2.7), tỷ số SNR đạt được tại D theo x1 là:

I Q N

SR 1 SP SR

SR 2 SP

.1

 Trường hợp 2: Nút đích không giải mã được cả x1 và x 2

Tương tự như nguồn đã làm, nút Rb sẽ tổng hợp hai dữ liệu x1 và

2

x lại và gửi đến đích D Dữ liệu tổng hợp sẽ tương tự như dữ liệu của

nguồn, tức là nút Rb sẽ sử dụng cùng hệ số phân chia công suất đến x1 và

R P

R D

R D 2

R P

1

b

b b

b

b

x Q

K K K

Từ (2.20) và (2.26), xác suất dừng tổng cộng của tín hiệu x2 sẽ là:

TH1 TH2

OPx OPx OPx (2.27)

2.3.2 Thông lượng (Throughput)

Thông lượng của mô hình đề xuất được định nghĩa như sau:

K R

Thay các công thức (2.12), (2.14), (2.15) và (2.16) vào trong (3.1),

ta có thể viết lại công thức này dưới dạng sau:

th 1 th

.1

SR 1 0

M K L

M K L v

   trong (3.17), sử dụng (2.19), ta có:

K

K

r r K r

nhiên có phân phối mũ R D

r

r

C r

1 1

1

t v L t v

M L M L

M L M L x

r

C r

với B x   được tính như trong (3.14):

OPx trong (2.26) như sau:

L t v

t v K L t v

M M K L M K L M

r K r

K r

C r

3.3 Kết quả mô phỏng kiểm chứng

Hình 3.1 : Xác suất dừng của x1 và x2theoQ (dB) với 1 0.8,

0.5,

x  x 0.5, y  0.25và  1.

Hình 3.2 : Xác suất dừng của x1 và x2theo 1vớiQ  10(dB),

3,

Trong hình 3.1, xác suất dừng (OP) của các tín hiệu x1 và x2

được vẽ theo giá trị của Q (dB) với 10.8,

  Nhìn vào hình vẽ, ta thấy rằng xác suất dừng giảm khi

Q tăng Hơn nữa, OP của x1 và x2 cũng giảm khi tăng số lượng nút chuyển tiếp M Hình vẽ cũng cho thấy rằng OP của x1 thấp hơn OP của x2 Hơn nữa, các giá trị mô phỏng (MP) và lý thuyết (LT) trùng với nhau, điều này minh chứng các phân tích lý thuyết là chính xác

Hình 3.3 : Tổng xác suất dừng của x1 và x2theo 1vớiQ  10(dB),

3,

M  xP  0.5, yP 0.25và  th 1.

Trong hình 3.2, xác suất dừng (OP) của các tín hiệu x1 và x2

được vẽ theo giá trị của 1 với Q10 dB, M  3,xP 0.5, yP 0.25và

  Ta cần chú ý rằng, khi th  1, tổng hợp các điều kiện trong (3.4)

và (3.7), giá trị của 1 phải thoả mãn

1

21

3  Đó là lý do ta chọn khoảng

giá trị của 1 như trong hình vẽ Nhìn vào hình vẽ, ta thấy vị trí của nút chuyển tiếp ảnh hưởng lớn đến giá trị OP của x1 và x2 Ví dụ, khi tăng giá trị của 1, tức phần công suất sử dụng cho tín hiệu 2 giảm và do đó, giá trị OP của x2 tăng khi 1 tăng Ta cũng thấy trong hình vẽ, vị trí của nút chuyển tiếp R cũng ảnh hưởng lớn đến giá trị OP của cả x1 và x2 Trong Hình 3.3, ta miêu tả sự tác động của 1 lên tổng xác suất dừng của x1 và

2

x Theo hình vẽ, ta thấy khi xR 0.35,sẽ tồn tại giá trị của 1 để tổng xác suất là thấp nhất Hơn nữa, khi x  0.65, thì tổng xác suất luôn tăng

khi 1 tăng Cuối cùng, nhìn vào các hình vẽ 3.2 và 3.3, các giá trị mô phỏng (MP) và lý thuyết (LT) trùng với nhau, điều này minh chứng các phân tích lý thuyết là chính xác

Hình 3.4 : Xác suất dừng của x1 ,x1 và x2theo xR vớiQ15(dB),

4,

M 10.9 xP  0.5, yP0.25và th 1

Hình 3.4 miêu tả sự ảnh hưởng của vị trí nút chuyển tiếp R lên giá trị OP của x1 và x2, và tổng xác suất dừng của x1 và x x2 1 x2 Nhìn Hình vẽ, ta thấy rằng xác suất dừng của x2 có ảnh hưởng lớn lên tổng xác suất của cả hai tín hiệu Cụ thể, hình dạng của xác suất dừng tổng khá giống dạng của xác suất dừng của x2 Hơn nữa, xác suất dừng của x1 tăng khi các nút chuyển tiếp di chuyển về phía đích

Hình 3.5 vẽ thông lượng của hệ thống theo giá trị của Q khi

1 0.9

R 0.5,

x  xP  0.5, yP0.25vàth  1. Nhìn vào hình vẽ ta thấy giá trị thông lượng tăng khi giá trị của Q tăng Cũng vậy, thông lượng mạng cũng tăng khi số lượng nút chuyển tiếp tăng Tuy nhiên, khi Q đủ lớn thì thông lượng hội tụ về cùng giá trị, bởi vì ở các giá trị Q đủ lớn thì sự truyền dữ liệu hầu như thành công ở ngay khe thời gian thứ nhất (sự truyền

trực tiếp giữa S và D), và do đó thông lượng sẽ hội tụ về cùng giá trị và sẽ không phụ thuộc vào số lượng nút chuyển tiếp Hình vẽ cũng cho thấy rằng các giá trị mô phỏng (MP) và lý thuyết (LT) trùng với nhau, điều này minh chứng các phân tích lý thuyết là chính xác

Hình 3.5: Thông lượng vẽtheoQ (dB) với1  0.9, xR0.5,xP0.5,

kỹ thuật NOMA theo mô hình đề xuất tốc độ gấp 2 lần so với kỹ thuật OMA

Kỹ thuật NOMA sử dụng BPSK sẽ có cùng tốc độ truyền như kỹ thuật truyền trực giao OMA sử dụng QPSK Tuy nhiên, nếu NOMA sử dụng kỹ thuật điều chế QPSK như OMA thì NOMA vẫn đạt tốc độ gấp đôi khi so sánh với OMA

Việc so sánh hiệu năng giữa NOMA và các kỹ thuật khác sẽ được nghiên cứu kỹ hơn trong tương lai để khảo sát rõ hơn sự phức tạp và những

ưu điểm của NOMA

CHƯƠNG 4 - KẾT LUẬN 4.1 Các kết quả đạt được

Trong luận văn này đã hoàn thành các mục tiêu đề ra, cụ thể:

- Nghiên cứu hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền dưới

sự ảnh hưởng của giao thoa định mức và fading kênh truyền

- Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA) để nâng cao thông lượng cho mạng khảo sát

- Sử dụng truyền thông cộng tác tăng cường nhằm nâng cao độ lợi phân tập và chất lượng dịch vụ cho mạng vô tuyến nhận thức

- Đưa ra phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp hiệu quả Chứng minh sự ảnh hưởng của các nút chuyển tiếp đến thông lượng hệ thống

- Đưa ra các biểu thức toán học đánh giá các thông số hiệu năng của mạng như xác suất dừng và thông lượng mạng

- Tiến hành các mô phỏng để kiểm chứng tính chính xác của các

biểu thức toán học

- Mô hình mạng nút chuyển tiếp sử dụng NOMA đề xuất giúp tăng dung lượng trung bình của hệ thống mạng Các biểu thức tính toán dung lượng được được đánh giá bằng các công cụ toán học và được mô phỏng bằng công cụ Monte Carlo

4.2 Hướng phát triển đề tài

Đề tài luận văn có thể được phát triển các hướng sau:

- Mô hình đề xuất có thể được phát triển trên các mô hình kênh truyền tổng quát hơn như kênh Nakagami – m

- Mô hình đề xuất có thể được phát triển trên các mô hình có nhiều người dùng sơ cấp

- Mô hình đề xuất có thể được phát triển trên các mô hình mà các nút được trang bị với nhiều ănten