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 tiến sĩ)

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 tiến sĩ)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 tiến sĩ)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 tiến sĩ)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 tiến sĩ)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 tiến sĩ)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 tiến sĩ)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 tiến sĩ)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 tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI 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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG - 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI 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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Mã số: 62.48.01.01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS NGUYỄN LÊ HÙNGPGS TS VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO

ĐÀ NẴNG - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong Luận án là công trình nghiêncứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn Các số liệu, kếtquả trình bày trong Luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bốtrong bất kỳ công trình nào trước đây Các kết quả sử dụng tham khảo đều

đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 9 năm 2017

Tác giả

Nguyễn Hồng Giang

Tác giả xin chân thành cảm ơn khoa Công nghệ Thông tin, trường ĐHĐN đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận án.

ĐHBK-Tác giả cũng xin cảm ơn Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia(NAFOSTED) đã hỗ trợ một phần cho nghiên cứu của Luận án này

Nhân dịp này, tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới trườngĐại học Thông tin Liên lạc, là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho phéptác giả có thể tham gia nghiên cứu trong những năm làm nghiên cứu sinh.Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, các đồngchí, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua các khó khăn

để hoàn thành Luận án này

Đà nẵng, ngày 20 tháng 9 năm 2017

Tác giả

Nguyễn Hồng Giang

-MỤC LỤC

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC BẢNG xii

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC xiii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 14 1.1 Phân loại mạng không dây 15

1.1.1 Mạng cá nhân không dây WPAN 15

1.1.2 Mạng cục bộ không dây WLAN 16

1.1.3 Mạng không dây đô thị WMAN 17

1.1.4 Mạng diện rộng không dây WWAN 18

1.2 Kênh truyền không dây 19

1.2.1 Ảnh hưởng của phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ 20

1.2.2 Suy hao đường truyền 22

1.2.3 Trải trễ (delay spread) 23

1.2.4 Băng thông liên kết 23

1.2.5 Hiệu ứng Doppler 23

1.2.6 Mô hình kênh truyền 24

i

-1.2.7 Thông tin trạng thái kênh truyền 30

1.3 Đánh giá hiệu năng mạng 31

1.3.1 Tỉ số tín hiệu trên tạp âm 33

1.3.2 Tỉ số BER 34

1.3.3 Tỉ số SER 34

1.3.4 Dung lượng lượng kênh 34

1.3.5 Xác suất dừng hệ thống 35

1.4 Các kỹ thuật phân tập và kết hợp tín hiệu 36

1.4.1 Các kỹ thuật phân tập 36

1.4.2 Các kỹ thuật kết hợp tín hiệu tại nút đích 39

1.5 Mạng truyền thông hợp tác 41

1.5.1 Ý tưởng về truyền thông hợp tác 41

1.5.2 Giải pháp đã được đề xuất 44

1.5.3 Mạng chuyển tiếp hợp tác 47

1.6 Kết luận chương 52

Chương 2 HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC MIMO VÀ MẠNG CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC ĐA CHẶNG 54 2.1 Mạng truyền thông hợp tác MIMO 54

2.1.1 Nghiên cứu liên quan 54

2.1.2 Mô hình hệ thống 55

2.1.3 Phân tích hiệu năng hệ thống 59

2.1.4 Kết quả mô phỏng 61

ii

-2.2 Mạng chuyển tiếp hợp tác đa chặng 63

2.2.1 Nghiên cứu liên quan 63

2.2.2 Mô hình hệ thống 64

2.2.3 Xác suất dừng hệ thống 66

2.2.4 Xác suất dừng của hệ thống ở miền SNR cao 68

2.2.5 Tỉ lệ lỗi bit (BER) 69

2.2.6 Kết quả mô phỏng 70

2.3 Kết luận chương 73

Chương 3 SỬ DỤNG KỸ THUẬT KẾT HỢP TÍN HIỆU THU NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 76

3.1 So sánh kỹ thuật kết hợp tín hiệu thu MRC và SC 76

3.1.1 Giới thiệu 76

3.1.2 Mô hình hệ thống 77

3.1.3 Xác suất dừng hệ thống 78

3.1.4 Kết quả mô phỏng 85

3.2 Hiệu năng mạng truyền thông hợp tác với mô hình kênh pha-đinh Nakagami-m 88

3.2.1 Giới thiệu 88

3.2.2 Mô hình hệ thống 88

3.2.3 Khảo sát hiệu năng hệ thống 90

3.2.4 Kết quả mô phỏng 100

iii

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

nhận thức có ràng buộc can nhiễu 103

3.3.1 Các nghiên cứu liên quan 103

3.3.2 Mô hình 104

3.3.3 Xác suất đứt chặng của mạng thứ cấp 106

3.3.4 Kết quả mô phỏng 112

3.4 Kết luận chương 115

Chương 4 LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 117

4.1 Lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng truyền thông hợp tác với mô hình kênh Rayleigh 117

4.1.1 Giới thiệu 117

4.1.2 Mô hình hệ thống 118

4.1.3 Xác suất bị can nhiễu của máy thu sơ cấp gây ra bởi máy phát trong mạng thứ cấp 120

4.1.4 Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp 123

4.1.5 Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp ở miền SNR cao 126

4.1.6 Tỷ lệ lỗi symbol (Symbol Error Rate - SER) 127

4.1.7 Dung lượng Shannon 129

4.1.8 Mô phỏng và đánh giá kết quả 131

4.2 Hiệu năng hệ thống truyền thông hợp tác trong môi trường pha-đinh không đồng nhất 139

4.2.1 Giới thiệu 139

4.2.2 Mô hình hệ thống 140

iv

-4.2.3 Xác suất dừng hệ thống 143

4.2.4 Kết quả mô phỏng 146

4.3 Kết luận chương 149

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI 150

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 153

TÀI LIỆU THAM KHẢO 155

PHỤ LỤC 174

.1 Chứng minh công thức tính ζ 174

.2 Chứng minh công thức (4.26) 175

.3 Chương trình Matlab cho PDF của phân bố Rayleigh 177

.4 Chương trình Matlab cho CDF của phân bố Rayleigh 177

.5 Chương trình Matlab cho PDF của phân bố Rician 177

.6 Chương trình Matlab cho CDF của phân bố Rician 178

.7 Chương trình Matlab cho PDF của phân bố Nakagami 179

.8 Chương trình Matlab cho CDF của phân bố Nakagami 180

v

-DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

function

Hàm phân phối tích lũy

func-tion

Hàm mật độ xác suất

identi-cally distributed

Độc lập và phân bố đồngnhất

nhỏ nhất

vi

Multiple-Output

Đa đầu vào đa đầu ra

Error

Sai số bình phương trungbình cực tiểu

Modulation

Điều chế biên độ cầuphương

Keying

Khóa dịch pha cầu phương

Destination Optimization

Lựa chọn nút chuyển tiếpvới tối ưu các nút chuyểntiếp và đích

vii

gian-thời gian

dây

Interoperabil-ity via Microwave Access

Tương thích toàn cầu quatruy nhập vi ba

viii

-DANH MỤC HÌNH VẼ

1 Mẫu sử dụng phổ tần ở Mỹ 2

1.1 Mô hình một kênh truyền vô tuyến đa đường 20

1.2 Hàm PDF và CDF của phân bố Rayleigh 26

1.3 Hàm PDF và CDF của phân bố Rician 27

1.4 Hàm PDF và CDF của phân bố Nakagami-m 29

1.5 Mô hình kênh truyền 30

1.6 Mô hình hệ thống MIMO 37

1.7 So sánh độ lợi phân tập của các phương pháp kết hợp 40

1.8 Tổng quan về mạng truyền thông không dây 41

1.9 Giao tiếp của các thiết bị di động 42

1.10 Đo số các thiết bị lân cận trong vùng 43

1.11 Các thực thể có sẵn trên một thiết bị không dây 44

1.12 Cách xử lý trang web 46

1.13 Mô hình cơ bản của hệ thống truyền thông hợp tác 47

1.14 Xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp 49

1.15 Mô hình lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng truyền thông hợp tác.52 2.1 Mô hình một hệ thống 55

2.2 Xác suất dừng của mạng thứ cấp với giới hạn công suất can nhiễu cho phép Q và số lượng ăng-ten khác nhau, η = 0.75, ρ = 0.95 61

ix

-2.3 Sự đánh đổi giữa xác suất dừng của mạng thứ cấp và xác suất

bị can nhiễu tai mạng sơ cấp khi Q=5 dB và ρ = 0.65 622.4 Mô hình một hệ thống chuyển tiếp đa chặng trong môi trường

vô tuyến nhận thức 652.5 Xác suất dừng của hệ thống theo Q 712.6 Xác xuất dừng hệ thống thay đổi theo số lượng máy thu sơ cấp 722.7 Ảnh hưởng của số chặng K tới xác suất dừng của hệ thống 732.8 BER của hệ thống sơ cấp 74

3.1 Mô hình một hệ thống 773.2 Xác suất dừng hệ thống thứ cấp với những giá trị khác nhau

của Q, N, L và M = 3, P = 5 dB 853.3 Xác suất dừng hệ thống thứ cấp với những giá trị khác nhau

của Q, M và N = L = 4, P = 5 dB, η = 0.9 863.4 Xác suất dừng hệ thống thứ cấp theo Q, η với N = L = 4,

M = 3 873.5 Mô hình hệ thống 893.6 Xác suất máy thu sơ cấp bị can nhiễu bởi máy phát thứ cấp 1003.7 Xác suất dừng hệ thống thứ cấp với các giá trị khác nhau của

Q, m1 = m2 = 1, γth = 8 and η = 0.95 1013.8 Dung lượng Ergodic mạng thứ cấp, γth = 3 and η = 0.85 1023.9 Tỉ lệ lỗi symbol mạng thứ cấp với η = 0.75, m1 = 2, m2 = 1,

m3 = 2, m4 = 1, Ω1 = 2, Ω2 = 1, Ω3 = 1, và Ω4 = 1 1033.10 Mô hình hệ thống 104

x

-3.11 Xác suất đứt chặng của mạng thứ cấp với các giá trị Q và η

khác nhau 113

3.12 Xác suất dừng của mạng thứ cấp với P và L khác nhau 113

3.13 Xác suất dừng của mạng thứ cấp theo PI, N và L 114

3.14 Xác suất dừng hệ thống theo M, N và L 115

4.1 Mô hình hệ thống lựa chọn nút chuyển tiếp 118

4.2 Xác suất dừng của mạng thứ cấp với giới hạn công suất can nhiễu cho phépQ và số lương nút Chuyển tiếp, số lượng anten tại nút Đích khác nhau 132

4.3 SER của mạng thứ cấp với sự thay đổi của số nút Chuyển tiếp N, số anten của nút Đích M và η = 0.95 133

4.4 Dung lượng Shannon của mạng thứ cấp với các giá trị Q, N, M, η khác nhau 134

4.5 Xác suất can nhiễu tới máy thu sơ cấp IP với N = 6 và Q = 5 dB.135 4.6 Sự đánh đổi giữa xác suất dừng của mạng thứ cấp và xác suất bị can nhiễu tai mạng sơ cấp khi Q=10 dB và ρ = 0.7 136

4.7 Sự đánh đổi giữa xác suất dừng của mạng thứ cấp với xác suất bị can nhiễu của mạng sơ cấp theo ρ, N và M khác nhau khi Q=12 dB 137

4.8 Sự đánh đổi giữa xác suất dừng của mạng thứ cấp với xác suất bị can nhiễu của mạng sơ cấp theo ρ 137

4.9 Sự đánh đổi giữa xác suất dừng của mạng thứ cấp với xác suất bị can nhiễu của mạng sơ cấp theo Q 138

4.10 Mô hình một hệ thống 140

Luận án đủ ở file: Luận án full