Phân tích mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ

TÓM TẮT LUẬN VĂN Mạng vô tuyến nhận thức Cognitive radio – CR được thiết kế nhằm mục đích tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số, cho phép các CR user có thể hoạt động đồng thời trên cùng một

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN QUỐC THÁI

PHÂN TÍCH MẠNG RELAY GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP NHẬN THỨC NỀN VỚI THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN KHÔNG ĐẦY ĐỦ

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS.Hồ Văn Khương

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH

KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trần Quốc Thái MSHV: 11140059

Ngày, tháng, năm sinh: 13/10/1982 Nơi sinh: Trà Vinh

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số : 60 52 70

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Luận văn phân tích hiệu quả của mạng relay nhận thức nền qua xác suất lỗi bit và xác suất công suất phát của các user vượt quá ngưỡng cho phép Từ kết quả phân tích, đưa ra các khuyến cáo và giải pháp cải thiện

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Hồ Văn Khương

Tp HCM, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắt nhất đến Thầy Hồ Văn Khương, Thầy đã hết lòng tận tình chỉ bảo và dẫn dắt tôi trên con đường nghiên cứu khoa học của mình

Xin cảm ơn Quý Thầy Cô khoa Điện-Điện tử Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức cùng với những kinh nghiệm vô cùng quý báu

Tôi xin cảm ơn các bạn cùng khóa, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi rất nhiều trong việc học tập và nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn cha mẹ và gia đình tôi, những người đã luôn động viên, tận tình chăm sóc và dạy bảo để tôi được như ngày hôm nay!

Trần Quốc Thái

ABSTRACT

Cognitive radio (CR) designed to increase spectrum utilization by allowing the CR users to coexist with the primary users (PU), as long as the interference caused by the SU to each PU is properly regulated Practical operation conditions show that channel state information (CSI) is imperfect, and so the impact of imperfect CSI on the system performance should be considered In this thesis, we will perform analysis and evaluation of underlay cognitive decode and forward (DF) relay networks under imperfect channel information, derive the closed-form bit error rate (BER) expression and interference probability of the PU (Pr) The resulting BER depends on the quality of channel estimators, position and number of relay, path loss exponent, maximum peak interference that PU can tolerate and maximum SU transmit power constraint Moreover, this thesis provides a closed-form BER, Pr and solution to guarantee the PU’s interference probability below an acceptable value via back-off power control mechanism Analytical results are confirmed by comparison with simulated ones

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive radio – CR) được thiết kế nhằm mục đích tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số, cho phép các CR user có thể hoạt động đồng thời trên cùng một băng tần với các user mạng primary (PU) với điều kiện CR user không gây nhiễu cho mỗi PU vượt mức ngưỡng cho phép Các điều kiện thực tế cho thấy thông tin kênh truyền là không đầy đủ và vì vậy, ảnh hưởng của kênh truyền lên chất lượng hệ thống mạng cần phải được xem xét Luận văn này thực hiện phân tích hiệu quả mạng relay giải mã và nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy

đủ, xác định công thức tính tỷ lệ lỗi bit (BER) và xác suất CR user gây nhiễu cho

PU vượt mức ngưỡng cho phép (Pr) Kết quả, tỷ lệ lỗi bit phụ thuộc vào chất lượng ước lượng kênh truyền, số lượng và vị trí relay, hệ số suy hao trong không gian, mức ngưỡng cho phép CR user gây nhiễu cho PU, công suất CR user được phép phát tối đa Ngoài ra, luận văn đã đưa ra được công thức tính BER, Pr và giải pháp giảm xác suất gây nhiễu cho PU thông qua kỹ thuật điều khiển công thức back-off Kết quả phân tích đã được kiểm tra với kết quả mô phỏng theo lý thuyết

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN i

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BẢNG ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 4

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.4 Phương pháp nghiên cứu 4

1.5 Kết quả và đóng góp của luận văn 5

1.6 Bố cục của luận văn 6

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VÀ KỸ THUẬT RELAY 8

2.1 Mạng vô tuyến nhận thức 7

2.1.1 Giới thiệu về mạng vô tuyến nhận thức 7

2.1.2 Kiến trúc hệ thống mạng vô tuyến nhận thức 9

2.1.3 Cấu trúc của mạng vô tuyến nhận thức 11

2.1.4 Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức trong môi trường OSI 12

2.1.5 Nguyên tắc hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức 12

2.1.6 Kỹ thuật truy cập phổ 15

2.2 Kỹ thuật relay 17

2.2.1 Chức năng của relay 17

2.2.2 Mô hình và phân loại relay 17

CHƯƠNG III: LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÔ TUYẾN 20

3.1 Môi trường kênh truyền vô tuyến 20

3.2 Kênh truyền vô tuyến 21

3.2.1 Hiện tượng fading 21

3.2.2 Kênh truyền Rayleigh, kênh truyền Rice và kênh truyền Nakagami-m 24 3.3 Điều chế và giải điều chế tín hiệu số 27

3.3.1 Điều chế tín hiệu số 27

3.3.2 Giải điều chế 34

3.4 Ước lượng kênh truyền 34

3.4.1 Phương pháp ước lượng MMSE 34

3.4.2 Phương pháp ước lượng LMMSE 34

CHƯƠNG IV: PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG MẠNG RELAY GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP NHẬN THỨC NỀN 36

4.1 Mô hình hệ thống mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền 36

4.2 Mô hình kênh truyền mạng CR với thông tin kênh truyền không đầy đủ 38

4.3 Công suất phát của CR user với thông tin kênh truyền không đầy đủ 39

4.4 Phân tích tỷ lệ lỗi bit BER của mạng CR với thông tin kênh truyền không đầy đủ 40

4.5 Phân tích BER của mạng CR với thông tin kênh truyền không đầy đủ và điều kiện công suất phát tối đa của CR user là Pm 44

CHƯƠNG V: XÁC SUẤT MẠNG RELAY VÔ TUYẾN NHẬN THỨC NỀN GÂY NHIỄU VƯỢT NGƯỠNG CHO PHÉP 48

5.1 Phân tích xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu cho PU vượt ngưỡng cho phép trong trường hợp không có điều kiện Pm 48

5.1.1 Xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu cho PU vượt quá ngưỡng cho phép 48

5.1.2 Hệ số điều khiển công suất back-off ρ 53

5.1.3 Phân tích ảnh hưởng của hệ số điều khiển công suất back-off đối với chất lượng mạng 55

5.2 Phân tích xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu đến mạng primary vượt ngưỡng cho phép trong trường hợp có điều kiện Pm 56

5.2.1 Xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu cho PU vượt quá ngưỡng cho phép trong trường hợp có điều kiện công suất phát tối đa Pm 56 5.2.2 Hệ số điều khiển công suất back-off ρ trong trường hợp có điều kiện Pm58

5.2.3 Phân tích ảnh hưởng của hệ số điều khiển công suất back-off đối với chất

lượng mạng trong trường hợp có Pm 60

CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 62

6.1 Mô hình hệ thống 62

6.2 Mô phỏng và đánh giá sự thay đổi của BER theo các thông số mạng trong trường hợp không có điều kiện công suất phát tối đa Pm 63

6.2.1 Mô phỏng BER theo tỷ số IT/N0 ứng với điều chế 2-QAM và 4-QAM 63

6.2.2 Mô phỏng BER theo IT/N0 ứng với vị trí và số lượng relay khác nhau 65

6.2.3 Mô phỏng BER theo số lượng pilot symbol 67

6.2.4 Mô phỏng BER theo theo hệ số suy hao trong không gian α 67

6.2.5 Mô phỏng BER theo số lượng relay 68

6.2.6 Kết luận 70

6.3 Mô phỏng và đánh giá BER theo các thông số mạng CR trong trường hợp có điều kiện công suất phát tối đa Pm 71

6.3.1 Mô phỏng và đánh giá BER theo tỷ số IT/N0 71

6.3.2 So sánh sự thay đổi BER theo IT/N0 trong trường hợp có và không có điều kiện công suất phát tối đa Pm 73

6.3.3 Mô phỏng BER theo Pm/N0 74

6.3.4 Mô phỏng BER theo số lượng pilot symbol 75

6.3.5 Mô phỏng BER theo hệ số suy hao trong không gian α 77

6.3.6 Kết luận 78

6.4 Mô phỏng xác suất công suất phát của các user mạng CR gây nhiễu cho mạng primary vượt quá ngưỡng cho phép (Pr) 79

6.4.1 Mô phỏng Pr theo IT/N0 trong trường hợp không có điều kiện Pm 79

6.4.2 Mô phỏng Pr theo IT/N0 và hệ số điều khiển công suất back-off ρ 80

6.4.3 Mô phỏng BER theo IT/N0 ứng với trường hợp ρ khác nhau 82

6.4.4 Mô phỏng Pr theo IT/N0 ứng với ρ thay đổi trong trường hợp có điều kiện công suất phát tối đa Pm 83

6.4.5 Mô phỏng Pr theo IN/N0 và Pm/N0 85

6.4.6 Mô phỏng Pr theo Pm/N0 ứng với ρ thay đổi 88

6.4.7 Mô phỏng BER theo IT/N0 ứng với trường hợp ρ khác nhau 90

6.5 Kết luận chung 91

CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 93

7.1 Kết luận 93

7.2 Hướng phát triển của đề tài 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 98

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Phổ tần số được sử dụng và khoảng trắng 1

Hình 1.2: Sơ đồ mạng relay vô tuyến nhận thức 3

Hình 2.1: Các khoảng trống của phổ 7

Hình 2.2: Kiến trúc hạ tầng cơ sở của mạng vô tuyến nhận thức 9

Hình 2.3: Kiến trúc mạng CR trong môi trường OSI 12

Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động của mạng CR 13

Hình 2.5: Các kỹ thuật cảm biến phổ 14

Hình 2.6: Sơ đồ khối của phương pháp tách năng lượng 14

Hình 2.7: Kỹ thuật truy cập phổ underlay 16

Hình 2.8: Kỹ thuật truy cập phổ overlay và underlay 16

Hình 2.9: Mô hình relay trong mạng tế bào 17

Hình 2.10: Mô hình relay đa hop 17

Hình 2.11: Mô hình relay hợp tác 18

Hình 3.1: Hiện tượng doppler 20

Hình 3.2: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Ricean 25

Hình 3.3: Hàm mật đồ phân bố Nakagami-m 26

Hình 3.4: Sơ đồ mạch truyền tín hiệu rời rạc 28

Hình 3.5: Điều chế M-PSK 30

Hình 3.6: Giản đồ sao điều chế M-QAM 32

Hình 3.7: Giản đồ tín hiệu QAM 32

Hình 3.8: Nhận dạng quyết định cứng 33

Hình 4.1: Mô hình hệ thống mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền 36

Hình 4.2: Giản đồ không gian tín hiệu 4x4-QAM hình vuông (m = 4 chẵn) 41

Hình 4.3: Giản đồ không gian tín hiệu 8x4-QAM hình chữ nhật (m = 5 lẻ) 41

Hình 6.1: Mô hình mạng relay vô tuyến nhận thức nền 62

Hình 6.2: BER theo tỷ số IT/N0 [dB] ứng với điều chế 2-QAM và 4-QAM 63

Hình 6.3:Sơ đồ truyền tín hiệu mạng CR với số lượng và vị trí relay khác nhau 65

Hình 6.4: BER theo IT/N0 ứng với sự thay đổi số lượng và vị trí relay 65

Hình 6.5: Khảo sát BER theo số lượng pilot symbols (IT/N0 = 10 dB) 67

Hình 6.6: Khảo sát BER theo hệ số suy hao trong không gian α ( IT/N0 = 10 dB) 68

Hình 6.7: Sơ đồ mạng vô tuyến nhận thức nền với N nút relay 69

Hình 6.8: Khảo sát BER theo số hop N ( IT /N0 = 5 dB) 69

Hình 6.9: Mô phỏng BER theo tỷ số IT/N0 ( Pm/No = 12 dB) 72

Hình 6.10: So sánh BER theo IT/N0 trong trường hợp có và không có điều kiện Pm 73 Hình 6.11: BER theo Pm/N0 ( IT/N0 = 10 dB) 75

Hình 6.12: Mô phỏng BER theo Lp ( IT/N0 = 10 dB; Pm/N0 = 12 dB) 76

Hình 6.13: BER theo Lp ( IT/N0 = 10 dB;Pm/N0 = 12 dB;N = 3) 79

Hình 6.14: So sánh BER theo α trong trường hợp có và không có Pm 77

Hình 6.15: Pr theo IT/N0 ứng với số hop mạng (N = 2 và N = 3) 79

Hình 6.16: Pr theo IT/N0 và hệ số điều khiển công suất back-off ρ (N = 2) 80

Hình 6.17: Pr theo IT/N0 và hệ số điều khiển công suất back-off ρ (N = 3) 81

Hình 6.18: Pr theo IT/N0 [dB] ứng với hệ số ρ, N khác nhau 81

Hình 6.19: BER theo IT/N0 ứng với hệ số ρ, N thay đổi 82

Hình 6.20: BER theo IT/N0 ứng với hệ số ρ và điều chế khác nhau (N = 3) 83

Hình 6.21: Pr theo IT/N0 và ρ (N = 2; Pm/N0 = 12 dB) 84

Hình 6.22: Pr theo IT/N0 và ρ (N = 3; Pm/N0 = 12 dB) 84

Hình 6.23: Pr theo IT/N0 và ρ ( Pm/N0 = 12 dB) 85

Hình 6.24: Pr theo IT/N0 và Pm/N0 (N = 2) 86

Hình 6.25: Pr theo IT/N0 và Pm/N0 (N = 3) 86

Hình 6.26: Pr theo IT/N0 ứng với trường hợp Pm/N0 và N khác nhau 87

Hình 6.27: Pr theo Pm/N0 ứng với trường hợp IT/N0 và N khác nhau 87

Hình 6.28: Mô phỏng Pr theo Pm/N0 và ρ (N = 2; IT/N0 = 12 dB) 88

Hình 6.29: Mô phỏng Pr theo Pm/N0 và ρ ( N = 3; IT/N0 = 12 dB) 89

Hình 6.30: Pr theo Pm/N0 và ρ ( IT/N0 = 12 dB) 89

Hình 6.31: Mô phỏng BER theo IT/N0 ứng với hệ số ρ, N thay đổi 90

Hình 6.32: BER theo IT/N0 ứng với hệ số ρ và điều chế khác nhau (N = 3) 90

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Hiệu suất sử dụng băng tần 7

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AWGN Additive White Gaussian Noise

BPSK Binary Phase Shift Keying

CDF Cumulative Distribution Function

CSI Channel State Information

FCC Fedeal Communications Commission

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

OSI Open Systems Interconnection

PAM Pulse Amplitude Modulation

PDF Probability Density Function

QAM Quadrature Amplitute Modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

WRAN Wireless regional area network

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU

1.1 Lý do chọn đề tài

Tần số vô tuyến là nguồn tài nguyên hữu hạn do đó mỗi tổ chức muốn sử dụng tài nguyên vô tuyến nhằm mục đích gì đều phải được cấp phép của quốc gia đó Ngày nay, với việc phát triển bùng nổ về khoa học kỹ thuật nói chung và lĩnh vực thông tin vô tuyến nói riêng, nhu cầu tài nguyên tần số vô tuyến ngày càng gia tăng Tuy nhiên, do hầu hết băng tần đã được đăng ký sử dụng cho licensed user hay primary user, đòi hỏi các nhà khai thác dịch vụ phải cạnh tranh rất quyết liệt để có được giấy phép sử dụng băng tần mới Mặt khác, hiệu suất sử dụng và khai thác băng tần được cấp phép cho các nhà cung cấp dịch vụ (FM, AM, TV, Viba, Wimax) không cao Theo thống kê của tổ chức Federal Communications Commission (FCC) thì hiện nay trên thế giới hiệu quả sử dụng tần số trong khoảng 15 - 85% [9] Vì vậy, mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) đã được nghiên cứu và phát tiển nhằm tận dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tần số vô tuyến

Hình 1.1: Phổ tần số được sử dụng và khoảng trắng

Định nghĩa của FCC về mạng vô tuyến nhận thức: CR là mạng thông tin vô tuyến,

nó có khả năng thay đổi các thông số dựa trên sự tương tác với môi trường mà nó đang hoạt động

Khái niệm vô tuyến nhận thức lần đầu tiên được đưa ra bởi Joseph Mitola III tại hội nghị KTH (the Royal Institute of Technology in Stockholm) năm 1998 và bài báo được công bố vào năm 1999 Ý tưởng về mạng vô tuyến nhận thức như sau: ban đầu chỉ có một mạng chính (Primary networks) được cấp phép sử dụng trên một dãy băng tần nhưng không phải lúc nào băng tần đó cũng được sử dụng Như vậy, tại thời điểm khoảng băng tần này trống thì nó cho phép user thứ hai (CR user) của mạng CR sử dụng Đây là một kỹ thuật mới nhằm nâng cao hiệu quả việc sử dụng băng tần

Đặc tính quan trọng của mạng CR là khả năng phát hiện khoảng băng tần đang được

sử dụng [11] Đây chính là vấn đề quan trọng không chỉ ngăn chặn sự ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống hiện hữu mà còn có khả năng tìm băng tần trống để sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến trong thông tin liên lạc

Mạng vô tuyến nhận thức có ba kỹ thuật truy cập phổ: underlay, overlay và interweave Trong thuật truy cập phổ underlay, các CR user sẽ sử dụng đồng thời cùng băng tần với primary user (PU) Tuy nhiên, kỹ thuật truy cập phổ underlay bắt buộc công suất phát của các user mạng CR phải thấp nhằm không gây nhiễu cho PU vượt quá mức ngưỡng cho phép [6]

Như vậy: ưu điểm nổi bật của mạng vô tuyến nhận thức nền (underlay) chính là khả năng sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tần số vô tuyến Tuy nhiên, hạn chế của mạng vô tuyến nhận thức nền chính là sự giới hạn công suất phát của các user, do

đó vùng phủ sóng của mạng CR sẽ bị hạn chế Để khắc phục vấn đề này, ta sẽ kết hợp kỹ thuật relay vào mạng vô tuyến nhận thức

Relay có chức năng giải mã và chuyển tiếp (hoặc khuếch đại và chuyển tiếp) thông tin nhận được Ngoài ra, relay còn có chức năng xử lý tín hiệu thu được trước khi chuyển tín hiệu đến đích

Mô hình relay có 2 loại: đa hop (multihop) và hợp tác (cooperative) Phương pháp

xử lý tín hiệu tại relay gồm có hai phương pháp: mã hóa và chuyển tiếp (DF) và khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

Hình 1.2: Sơ đồ mạng relay vô tuyến nhận thức

Từ những ưu điểm và khuyết điểm của mạng vô tuyến nhận thức nền và kỹ thuật relay, ta có thể ứng dụng kỹ thuật relay vào mạng CR trên nhằm cải thiện vùng phủ sóng, nâng cao chất lượng tín hiệu, đồng thời giảm bớt sự ảnh hưởng của mạng vô tuyến nhận thức nền đến PU

Các nghiên cứu gần đây đã đưa ra các kỹ thuật và phương pháp phát hiện phổ tần trống của mạng vô tuyến nhận thức [8], [12] Phân tích mô hình, phương pháp chọn lựa relay và ảnh hưởng của relay đến chất lượng mạng thông tin vô tuyến đã được trình bày trong [2], [15], [24], [28] Tài liệu [1], [4] đã trình bày phương pháp ước lượng kênh truyền ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mạng Ngoài ra, trong [3] tác giả đã phân tích hiệu quả của mạng vô tuyến nhận thức với thông tin kênh truyền đầy đủ Trong [6],[13] tác giả đã phân tích xác suất mất mát, dung lượng và

đề xuất các giải pháp cải thiện dung lượng của mạng relay vô tuyến nhận thức nền với thông tin kênh truyền đầy đủ Trong [6],[7] tác giả phân tích xác suất CR user gây nhiễu cho PU vượt quá ngưỡng cho phép của mạng relay vô tuyến nhận thức Tuy nhiên trong thực tế, thông tin kênh truyền cần phải được ước lượng và hầu hết các giải thuật ước lượng kênh truyền đều tạo ra sai số, dẫn đến thông tin kênh

truyền không đầy đủ ở phía thu Do đó, việc đánh giá hiệu quả mạng relay giải mã

và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ rất cần thiết

1.2 Mục đích nghiên cứu

Luận văn này sẽ phân tích hiệu quả mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ, nhằm làm rõ ưu điểm và khuyết điểm của sự kết hợp kỹ thuật relay và mạng vô tuyến nhận thức nền Phân tích ảnh hưởng của các thông số mạng đối với chất lượng mạng và xác suất CR user gây nhiễu cho PU vượt quá mức ngưỡng cho phép Đưa ra các khuyến cáo về giới hạn chất lượng của mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền Từ kết quả phân tích, đề xuất các giải pháp lựa chọn các thông số hệ thống cho phù hợp nhằm cải thiện chất lượng mạng và giảm xác suất CR user gây nhiễu cho PU vượt quá mức ngưỡng cho phép

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu chính là mạng vô tuyến nhận thức nền kết hợp với kỹ thuật relay

- Kỹ thuật truy cập phổ: underlay

- Phương pháp xử lý tín hiệu tại relay: giải mã và chuyển tiếp (DF)

- Mô hình kênh truyền dùng để đánh giá: kênh truyền Rayleigh với thông tin kênh truyền không đầy đủ

- Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thông số mạng đối với chất lượng mạng và xác suất các user mạng CR gây nhiễu cho PU vượt ngưỡng cho phép Đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện chất lượng lượng và giảm xuất suất CR user gây nhiễu vượt quá mức ngưỡng cho phép

- Kỹ thuật Relay: giải mã và chuyển tiếp (DF) với mô hình multihop

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu, bài báo kỹ thuật liên quan đến mạng vô tuyến nhận thức, kỹ thuật relay, kênh truyền vô tuyến, các thước đo đánh giá hiệu quả hệ thống

- Nghiên cứu các mô hình thông tin kênh truyền không đầy đủ và phương pháp ước lượng kênh truyền

- Phân tích và mô phỏng mạng relay nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ để đánh giá chất lượng mạng theo nhiều thông số khác nhau

- Nhận xét các kết quả nhằm đưa ra các khuyến nghị và giải pháp cải thiện chất lượng hệ thống mạng

- Kết quả phân tích sẽ được kiểm chứng với kết quả mô phỏng lý thuyết

1.5 Kết quả và đóng góp của luận văn

 Kết quả luận văn:

- Luận văn đã phân tích và đánh giá mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ Đưa ra được biểu thức tính

tỷ lệ lỗi bit (BER) của mạng CR và xác suất CR user gây nhiễu cho PU vượt quá ngưỡng cho phép

- Dựa vào kết quả phân tích, luận văn đã đưa ra được kết quả mô phỏng, phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng mạng Kết quả, tỷ

lệ lỗi bit BER phụ thuộc rất lớn vào các thông số của mạng như: mức ngưỡng

CR user được phép gây nhiễu cho PU, công suất CR user được phép phát tối

đa, mô hình và phương pháp ước lượng kênh truyền, vị trí và số lượng relay,

số lượng pilot symbol, hệ số suy hao trong không gian Từ kết quả phân tích, luận văn đã đưa ra các khuyến nghị và giải pháp cải thiện chất lượng hệ thống mạng

- Ngoài ra, luận văn cũng phân tích xác suất gây nhiễu vượt quá ngưỡng cho phép Xác suất CR user gây nhiễu cho PU vượt quá ngưỡng cho phép là rất lớn nên cần có giải pháp để giảm xác suất gây nhiễu vượt quá ngưỡng Luận văn đề xuất giải pháp giảm xác suất gây nhiễu vượt mức ngưỡng cho phép thông qua hệ số điều khiển công suất back-off

 Kết quả đóng góp: Tác giả đã phân tích và xác định biểu thức tính xác suất

các CR user gây nhiễu cho PU vượt mức ngưỡng cho phép Qua kết quả phân

tích tác giả đề xuất giải pháp giảm công suất phát của CR user nhằm giảm xác suất gây nhiễu vượt ngưỡng cho phép thông qua hệ số điều khiển công suất back-off ρ và phân tích ảnh hưởng của ρ đối với chất lượng mạng

1.6 Bố cục của luận văn

Bố cục luận văn gồm có bảy chương:

 Chương 1: Giới thiệu

 Chương 2: Tổng quan mạng vô tuyến nhận thức và kỹ thuật relay Chương này giới thiệu về mạng vô tuyến nhận thức và kỹ thuật relay

 Chương 3: Lý thuyết thông tin vô tuyến Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về thông tin vô tuyến như: kênh truyền vô tuyến, phương pháp ước lượng kênh truyền, lý thuyết điều chế và giải điều chế số

 Chương 4: Phân tích chất lượng mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền Chương này phân tích và xây dựng biểu thức tính tỷ lệ lỗi bit BER của mạng CR

 Chương 5: Xác suất mạng relay vô tuyến nhận thức nền gây nhiễu vượt ngưỡng cho phép Chương này phân tích và xây dựng biểu thức tính xác suất các CR user gây nhiễu cho PU vượt quá ngưỡng cho phép Từ kết quả phân tích, chương này trình bày giải pháp nhằm giảm xác suất gây nhiễu vượt quá mức ngưỡng cho phép

 Chương 6: Kết quả mô phỏng Chương này trình bày các kết quả mô phỏng

và đánh giá hiệu quả của mạng relay vô tuyến nhận thức nền Đưa ra các khuyến nghị và giải pháp nhằm cải thiện chất lượng mạng và giảm xác suất gây nhiễu vượt quá ngưỡng cho phép

 Chương 7: Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VÀ KỸ THUẬT RELAY

2.1 Mạng vô tuyến nhận thức

2.1.1 Giới thiệu về mạng vô tuyến nhận thức

Nguồn tài nguyên tần số vô tuyến là hữu hạn nên việc sử dụng hiệu quả băng

tần là một yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến Hầu

hết các ứng dụng không dây sử dụng tần số đều được cấp phép bởi tổ chức có thẩm

quyền của quốc gia đó Với yêu cầu ngày càng cao về thông tin liên lạc bằng vô

tuyến thì sẽ không đủ băng tần trống để cấp phép Các nghiên cứu, khảo sát đã chỉ

ra rằng đa số phổ tần được cấp phép trước đó hầu như không được sử dụng thường

xuyên và hiệu quả

Theo bảng 2.1 hiệu suất sử dụng dãy băng tần cao nhất là dãy băng tần [0÷1] GHz đạt khoảng 54.4% Khoảng tần số không được sử dụng được gọi là khoảng trắng (white space hay spectrum hole)

Mạng CR là một hệ thống liên lạc không dây thông minh, quan tâm đến môi trường xung quanh, nghiên cứu môi trường và thích nghi với những trạng thái trong môi trường đó để có những thay đổi một cách thống kê đối với tín hiệu kích thích RF (radio frequency) đến bằng việc tạo ra những thay đổi tương ứng đối với các phương pháp vận hành một cách chắc chắn trong thời gian thực Hai mục tiêu đầu tiên là: cung cấp những hệ thống liên lạc tin cậy bất cứ lúc nào cần thiết và sử dụng phổ vô tuyến hiệu quả Các user của mạng CR được xem như là những vị khách viếng thăm băng tần đã được cấp giấy phép Điều này cần các nhà quản lý phổ hiệu quả đối với kênh truyền rỗi đang bị chiếm giữ mà không gây can nhiễu với các user của mạng chính (primary) và trả lại kênh truyền này khi hoạt động của PU được tìm thấy Để thực hiện công việc này tuỳ thuộc vào khả năng nhận thức môi trường xung quanh của chúng

Đặc tính quan trọng của CR là khả năng phát hiện khoảng băng tần đang được sử dụng [11] Đây chính là vấn đề quan trọng không chỉ ngăn chặn sự ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống hiện hữu mà còn có khả năng tìm băng tần trống để sử dụng hiệu quả tần số vô tuyến trong thông tin liên lạc Nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng việc cùng hợp tác giữa các user cảm nhận phổ sẽ tăng xác suất tách phổ qua việc trao đổi tổng hợp thông tin về việc tách sự có mặt hay vắng mặt phổ tần số mong muốn [12]

FCC đã đưa ra chuẩn IEEE 802.22 dành cho mạng WRAN (Wireless regional area network) sử dụng khoảng trắng trong khoảng băng tần truyền hình Việc phát triển tiêu chuẩn IEEE 802.22 được thực thi bởi kỹ thuật CR để cho phép chia sẻ phổ tần

số

IEEE 802.22 là tiêu chuẩn được thiết kế để tổ chức, quản lý trong băng tần quảng bá truyền hình, không tạo ra can nhiễu xung quanh các hệ thống truyền hình như

truyền hình số, truyền hình quảng bá tương tự và thiết bị dùng công suất thấp như máy thu âm không dây

IEEE 802.22.1 là một tiêu chuẩn đang được phát triển để nâng cao bảo vệ can nhiễu cho các thiết bị hoạt động có hợp pháp nhưng có công suất thấp được tổ chức trong băng tần quảng bá truyền hình cáp

IEEE 802.22.2 đang được xem xét thực tế để cho phép thiết lập và thực thi hệ thống chuẩn IEEE 802.22 IEEE 802.22 WG là một nhóm nhỏ của chuẩn IEEE 802.22 LAN/MAN, đây tiêu chuẩn chính của tiêu chuẩn 802.22

2.1.2 Kiến trúc hệ thống mạng vô tuyến nhận thức

Hình 2.2: Kiến trúc hạ tầng cơ sở của mạng vô tuyến nhận thức

Các thành phần kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức được trình bày như hình 2.2 Như vậy trong cùng một dãy băng tần sẽ có hai mạng vô tuyến hoạt động đồng thời: mạng vô tuyến thứ 1 gọi là mạng chính (primary) và mạng thứ 2 gọi là mạng vô tuyến nhận thức (CR), hoạt động của mạng CR dựa trên điều kiện cho phép của mạng primary

 Mạng primary: mạng đã tồn tại sẵn và đã được quyền truy cập và sử dụng dãy băng tần riêng Các thành phần cơ bản của mạng primary bao gồm:

- Primary user (PU): có quyền truy cập và hoạt động trên dãy băng tần được cấp phép, PU được điều khiển bởi trạm gốc và không bị tác động bởi các nhà khai thác mạng khác khi hoạt động trên băng tần đó

- Trạm gốc primary (primary base station): là một thành phần cơ bản của mạng primary, có quyền truy cập và hoạt động trên dãy băng tần đã được cấp phép Trong mạng tế bào thì trạm gốc primary chính là BTS, nó có chức năng quản lý và thiết lập kết nối với PU

 Mạng vô tuyến nhận thức (CR - Cognitive Radio Network): không được cấp giấy phép truy cập và hoạt động trong dãy tần mong muốn Do đó, việc truy cập trong dãy tần số chỉ được thực hiện một cách tìm kiếm cơ hội và phải được sự cho phép của mạng primay (đã được cấp phép hoạt động trên dãy tần đó), đồng thời khi hoạt động mạng CR đảm bảo không gây nhiễu cho các user của mạng primary Thành phần của mạng vô tuyến nhận thức bao gồm các thành phần chính sau:

- CR User (SU- cognitive radio user): Các CR user hoạt động phải tuân theo các điều kiện của mạng primary Do đó việc truy cập phổ tần và hoạt động chỉ được phép khi có cơ hội Chức năng của CR user bao gồm cảm biến phổ (spectrum sensing), quyết định phổ tần (spectrum decision), bàn giao phổ (spectrum handoff)

và các giao thức MAC/ định tuyến / vận chuyển của mạng vô tuyến nhận thức CR user được giả định có khả năng kết nối với không chỉ trạm cơ sở mà cả các user khác Như hình 2.2 các CR user có thể giao kết nối với nhau và kết nối với các trạm gốc Như vậy, trong kiến trúc mạng CR có 3 loại truy cập khác nhau của các

CR user

 Truy cập mạng vô tuyến nhận thức: CR user có thể truy cập vào các trạm CR gốc trong cả miền phổ tần đã đăng ký hoặc chưa đăng ký Vì tất cả những tương tác xảy ra bên trong mạng CR nên những truy cập trung gian trong hệ thống của độc lập với mạng chính

 Truy cấp nhận thức Ad_Hoc (Cognitive Radio Ad_Hoc Access): CR user có thể liên lạc với các CR user khác thông qua kết nối ad_hoc trong cả miền phổ tần đã đăng ký và chưa đăng ký sử dụng Ngoài ra các CR user cũng có thể sử dụng các kỹ thuật truy cập của riêng nó

 Truy cập mạng chính (Primary Network Access): Các CR user có thể truy cập vào trạm gốc của mạng primary thông qua băng tần đã đăng ký nếu được mạng primary cho phép Không giống như các dạng truy cập khác, các user CR phải hỗ trợ một kỹ thuật truy cập không gian của mạng chính Hơn nữa, trạm gốc của mạng primary cũng phải được hỗ trợ các tính năng của mạng CR

- Trạm gốc mạng CR (Cognitive Radio Base Station): là một thành phần cơ sở hạ tầng cố định với khả năng nhận thức vô tuyến Trạm gốc mạng CR hỗ trợ kết nối single hop mà thông qua kết nối này, một user mạng CR có thể truy cập đến các CR user khác mà không cần giấy phép truy cập phổ

2.1.3 Cấu trúc của mạng vô tuyến nhận thức

 Cơ sở dữ liệu (database): chứa các thông tin, chính sách điều hành quản lý, cảm biến dữ liệu và những thông số về môi trường quanh nó

 Cảm biến ảo (visual sensor): Chịu trách nhiệm giám sát môi trường hoạt động của ứng dụng và đồng thời lắng nghe thông tin từ các môi trường kế thông qua các láng giềng của nó

 Cảm biến RF (RF sensor): đây là thành phần có khả năng dò tìm trong môi trường cao tần, chúng ta phải thực hiện chức năng này bằng việc kết hợp cả phần cứng và phần mềm

 Cơ cấu nhận thức (cognitive engine): chịu trách nhiệm quản lý và giám sát các thành phần cơ sở dữ liệu, cảm biến ảo, cảm biến RF và sau đó tiến hành thực thi các yêu cầu

 Giao diện đồ họa người dùng (graphic user interface): cho phép tương tác thân thiện đến thiết bị cảm biến, bao gồm quyền ưu tiên cho các ứng dụng khác nhau

 Bộ điều khiển lớp chéo (cross layer controller): chọn lọc, tự cấu hình và tối ưu hóa các giao thức mạng khác nhau trên lớp vật lý theo các quyết định của các thiết

bị cảm biến, quyền ưu tiên của người dùng, các ứng dụng, và môi trường mạng

2.1.4 Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức trong môi trường OSI

Hình 2.3: Kiến trúc mạng CR trong môi trường OSI

Kiến trúc mạng CR tập trung chủ yếu vào 2 lớp đầu (lớp vật lý và liên kết dữ liệu) Các lớp cao hơn hoạt động tương tự theo các giao thức chuẩn của mô hình OSI

 Lớp vật lý: có chức năng cảm biến phổ, ước lượng kênh truyền, truyền dữ liệu

 Lớp liên kết dữ liệu: có chức năng quản lý nhóm, quản lý liên kết và điều khiển truy cập môi trường

2.1.5 Nguyên tắc hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức

 Phân tích môi trường vô tuyến: là cảm nhận phổ để tách băng tần không sử dụng phổ trống, tách tín hiệu truyền của PU được phép và dự báo mức độ nhiễu Những hệ thống liên lạc hiện nay là bộ phát nằm tại trung tâm Tín hiệu bởi bộ phát

ở công suất vừa đủ vì thế chúng phải ở mức trên nền nhiễu ở khoảng cách đặc biệt

từ bộ phát Tuy nhiên, điều này không đảm bảo chống lại nhiễu tại bộ thu, nơi quyết định tín hiệu nhận thành công hay không Vì vậy, việc xác định mức nhiễu cho phép

để đưa ra công suất của tín hiệu được phát đảm bảo liên lạc giữa bộ phát và bộ thu

Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động của mạng CR

 Nhận dạng kênh: nhận dạng kênh bao gồm dự đoán thông tin trạng thái kênh và xác định dung lượng kênh Nhiệm vụ này rất cần thiết để đưa ra băng tần không sử dụng có khả năng tốt nhất bảo đảm yêu cầu chất lượng (QoS) của mạng CR Phân tích yêu cầu này của phổ cùng với việc quyết định băng tần nào tốt nhất truyền tín hiệu Phân tích phổ bao gồm việc dự đoán các thông số kênh thay đổi giống như nhiễu, suy hao, tỷ lệ lỗi bit và dung lượng kênh Tất cả những thông số này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu được từ các CR user Sau khi ước lượng tín hiệu thu, mạng vô tuyến nhận thức sẽ đưa ra quyết định băng tần này có trống hay không Trong khi việc cảm nhận phổ nằm ở chức năng lớp vật lý, phân tích và quyết định phổ là các chức năng của những lớp cao hơn (link-layer)

 Quản lý phổ động và điều khiển công suất: Sau khi CR quyết định băng tần được dùng cho việc truyền, nó sẽ quyết định cách và khi nào gởi tín hiệu trên băng

đó Một vài CR user có thể quyết định truyền trên cùng băng tần và vì vậy cần kiến trúc quản lý phổ Một vài kiến trúc chia sẻ phổ như CSMA/CA, CDMA, TDMA và kiến trúc chia sẻ phổ tập trung có thể được sử dụng để điều khiển cách thức mà phổ được truy cập bởi những CR user Hơn nữa, mạng vô tuyến nhận thức cũng cần phải xác định mức giới hạn công suất phát đặt trên hệ thống giống như mức nhiễu cho phép Điều khiển công suất và quản lý phổ động lựa chọn những mức công suất truyền và tần số trống cho việc truyền dựa trên những kết quả phân tích hiện trường

vô tuyến và nhận dạng kênh Hai nhiệm vụ đầu nằm ở bộ thu trong khi nhiệm vụ thứ ba nằm ở bộ phát Các bộ này quan hệ hồi tiếp qua lại với nhau, cảm nhận phổ

là chức năng quan trọng và nền tảng của mạng vô tuyến nhận thức Ngoài ra, CR dễ

bị ảnh hưởng do bản chất không ổn định theo thời gian của môi trường hoạt động

 Các giải thuật tìm phổ trống gồm có: Tách sóng phát, tách sóng hợp tác, tách sóng dựa trên can nhiễu

- y(n): là tín hiệu nhận được của CR user

- w(n): là nhiễu Gaussian (AWGN) và có phương sai là σw2

- H0: mô tả trường hợp phổ trống, khi đó PU không sử dụng phổ

- H1: mô tả trường hợp phổ không trống, khi đó PU sử dụng phổ

Hình 2.6: Sơ đồ khối của phương pháp tách năng lượng

Năng lượng ngõ ra Y được biểu diễn như sau:

2

( [ ])

N n

Y sẽ được so sánh với giá trị ngưỡng λ và đưa ra quyết định tối ưu dựa trên tỷ số

likelihood Xác suất tách đúng P d và xác suất tách sai P f sẽ được xác định dựa trên các kết quả nhận thức sự hiện diện của PU của CR user [12]

1 0

( | )( | ))

f d

2 w

2

N a

2 2 2 w

x x

N b

2.1.6.1 Kỹ thuật truy cập phổ nền underlay

Trong kỹ thuật truy cập undelay, SU cùng truy cập đồng thời trên băng tần với

PU nhằm khai thác và sử dụng hiệu quả băng tần đó Tuy nhiên các SU phải phát công suất dưới một mức ngưỡng nhằm không gây nhiễu cho các PU vượt quá mức ngưỡng cho phép Luận văn này sẽ thực hiện đánh giá chất lượng của mạng vô

tuyến nhận thức dựa trên kỹ thuật truy cập phổ underlay Hình 2.7 mô tả mức ngƣỡng gây nhiễu cho phép của CR user

Hình 2.7: Kỹ thuật truy cập phổ underlay 2.1.6.2 Kỹ thuật truy cập phổ interweave

Trong kỹ thuật này thì các SU truy cập trên băng tần một cách cơ hội Các SU chỉ đƣợc phép truy cập phổ khi phổ đó không đƣợc các PU sử dụng, các SU không đƣợc phép gây nhiễu cho PU mạng primary

2.1.6.3 Kỹ thuật truy cập phổ overlay

Kỹ thuật truy cập phổ overlay thì các PU và CR user hoạt động đồng thời trên cùng băng tần Tuy nhiên, CR user chỉ sử dụng phổ trống một cách cơ hội, nếu các user mạng primary sử dụng phổ băng tần thì CR user bắt buộc phải điều khiển công suất phát xuống để không gây nhiễu cho PU vƣợt quá mức ngƣỡng cho phép

Hình 2.8: Kỹ thuật truy cập phổ overlay và underlay

2.2 Kỹ thuật relay

2.2.1 Chức năng của relay

Relay có chức năng giải mã và chuyển tiếp (hoặc khuếch đại và chuyển tiếp) thông tin nhận được từ phía phát Ngoài ra, relay còn có chức năng xử lý tín hiệu thu được trước khi chuyển đến đích Như vậy, khi sử dụng kỹ thuật relay vào trong mạng vô tuyến sẽ cải thiện được vùng phủ sóng của mạng, cải thiện chất lượng của tín hiệu, có thể tăng tốc độ truyền tín hiệu

Hình 2.9: Mô hình relay trong mạng tế bào 2.2.2 Mô hình và phân loại relay

Mô hình kỹ thuật relay thường có 2 loại: mô hình đa hop (multihop) và mô hình hợp tác (cooperative)

Hình 2.10: Mô hình relay đa hop

 Relay giải mã và chuyển tiếp (DF): đầu tiên relay sẽ giải mã tín hiệu nhận và sau đó mã hóa tín hiệu trước khi truyền đi

Relay có thể hoạt động ở chế độ half-duplex (relay không truyền và nhận đồng thời trong cùng một băng tần) hoặc trong chế độ full-duplex (relay truyền và nhận đồng thời trong cùng một băng tần) Kỹ thuật này yêu cầu một không gian tách biệt giữa tín hiệu truyền và nhận từ các anten nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu giữa tín hiệu anten truyền và tín hiệu anten nhận được Trong những năm gần đây, kỹ thuật relay

đã được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực thông tin vô tuyến nhằm nâng cao vùng phủ sóng, cải thiện dung lượng và chất lượng mạng

Như đã phân tích, ưu điểm nổi bật của mạng vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật truy cập phổ underlay chính là khả năng sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tần số

vô tuyến Tuy nhiên, hạn chế của mạng CR sử dụng kỹ thuật underlay chính là sự giới hạn công suất nên vùng phủ sóng sẽ bị hạn chế, tín hiệu không thể truyền đi xa

Để khắc phục vấn đề này, ta có thể kết hợp kỹ thuật relay vào mạng vô tuyến nhận thức nhằm cải thiện chất lƣợng mạng

CHƯƠNG III: LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÔ TUYẾN

3.1 Môi trường kênh truyền vô tuyến

Trong môi trường truyền sóng di động, tín hiệu bị tác động bởi các hiện tượng khác nhau Bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, tần số và không gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng đến hoạt động hệ thống Để hạn chế ảnh hưởng của kênh truyền và thiết kế hệ thống với các thông số tối ưu, ta phải hiểu được các đặc tính của kênh truyền vô tuyến và mô hình hóa kênh truyền hợp lý

 Hiện tượng đa đường: là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, khúc xạ của sóng điện

từ khi gặp phải các vật cản trên đường truyền Năng lượng tín hiệu sẽ bị phân tán theo nhiều hướng Do đó tín hiệu đến máy thu là tập hợp của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau, suy hao khác nhau với biên độ và pha khác nhau Sự xếp chồng các tín hiệu này ở máy thu tạo ra một tín hiệu phức tạp với biên độ và pha thay đổi rất nhiều so với tín hiệu ban đầu

 Hiện tượng doppler: gây ra do sự thay đổi vị trí tương đối của các vật thể trên

đường truyền, làm cho đặc tính của kênh truyền thay đổi theo thời gian Hiện tượng này tác động lên tín hiệu trên những phạm vi nhỏ, trong khoảng thời gian ngắn Do

đó đây còn được gọi là fading phạm vi nhỏ hoặc fading nhanh

Hình 3.1: Hiện tượng doppler

 Hiện tượng che khuất: xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che

khuất bởi các vật thể với mật độ dày và các vật thể này có kích thước lớn so với

bước sóng Khác với hiện tượng Doppler, hiện tượng che khuất tác động lên tín hiệu trên phạm vi lớn, trong khoảng thời gian dài nên còn được gọi fading phạm vi lớn hoặc fading chậm

 Hiện tượng suy hao đường truyền: hiện tượng này giống như suy hao đường

truyền trong không gian tự do Tuy nhiên, trong môi trường truyền sóng di động thường không tồn tại đường truyền thẳng (LOS), do đó công suất tín hiệu sẽ bị suy hao nhiều hơn so với trong không gian tự do Công suất tại phía thu trong không gian tự do là :

d L





trong đó: Pt: là công suất phía phát (W), Pr(d) là công suất thu được

Gt: là độ lợi anten phát và Gr là độ lợi anten thu

d: là khoảng cách truyền (m)

L: là hệ số suy hao (L ≥1)

𝝀: là khoảng cách bước sóng (m)

3.2 Kênh truyền vô tuyến

Trong thông tin vô tuyến, kênh truyền vô tuyến là một yếu tố luôn được xét đến Bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian của kênh truyền gây

ra những ảnh hưởng to lớn đến hoạt động của hệ thống Để hạn chế ảnh hưởng kênh truyền và thiết kế thành công hệ thống thông tin với các thông số tối ưu, ta phải nắm bắt được các đặc tính của kênh truyền vô tuyến cũng như mô hình hoá kênh truyền hợp lý Chúng ta sẽ cần có cái nhìn tổng quan về đặc tính kênh truyền đồng thời phân loại kênh truyền vô tuyến theo đặc tính của chúng Người ta xem xét các ảnh hưởng lên tín hiệu dựa trên mô hình fading diện rộng (large scale fading) và mô hình fading diện hẹp (small scale fading)

3.2.1 Hiện tượng fading

Do bị tác động bởi các vật thể trên đường truyền, tín hiệu trong môi trường di động vừa bị suy hao vừa bị tán xạ năng lượng theo nhiều hướng Hiện tượng này gọi là hiện tượng fading Có hai loại fading: fading phạm vi lớn và fading phạm vi nhỏ

 Fading phạm vi lớn: là hiện tượng công suất của tín hiệu bị suy giảm khi di

chuyển trên một phạm vi lớn (gấp 10 – 30 lần bước sóng) Nguyên nhân là do những ảnh hưởng của địa hình, những vật cản trên đường truyền sóng (đồi núi, nhà cửa…) Cường độ tín hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian quanh giá trị trung bình Fading phạm vi lớn làm cho tín hiệu thay đổi với tốc độ chậm nên còn

gọi là hiện tượng fading chậm

 Fading phạm vi nhỏ: gây ra những biến đổi biên độ và pha của tín hiệu khi có

sự thay đổi vị trí tương đối trong phạm vi nhỏ (nửa bước sóng) giữa máy phát và máy thu Sự thay đổi của môi trường truyền sóng là nguyên nhân gây ra hiện tượng fading phạm vi nhỏ, và sự thay đổi này diễn ra liên tục trong những khoảng thời gian ngắn nên còn gọi là fading nhanh Trong trường hợp này, cường độ tín hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố Rayleigh (khi không có đường truyền thẳng giữa máy phát và máy thu) hoặc phân bố Rician (khi có đường truyền LOS giữa máy phát và máy thu) Khi máy di động di chuyển trên một phạm vi lớn (hoặc trong khoảng thời gian dài) thì tín hiệu sẽ bị tác động đồng thời bởi cả hai loại fading phạm vi lớn và

fading phạm vi nhỏ

3.2.1.1 Fading phẳng

Phổ tín hiệu có băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp kênh truyền và chu kỳ symbol lớn hơn trải trễ của kênh truyền Các đặc tính của phổ tín hiệu truyền đi được bảo toàn, mọi thành phần tần số khi truyền qua kênh sẽ chịu sự suy giảm và dịch tần gần như nhau nhưng cường độ tín hiệu thu lại thay đổi theo thời gian do ảnh hưởng hiện tượng đa đường Theo thời gian, tín hiệu thay đổi nhưng phổ tín hiệu không đổi Kênh truyền fading phẳng được xem như kênh truyền thay đổi biên

độ và còn được gọi là kênh truyền băng hẹp

vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó Kênh truyền chọn lọc tần số còn gọi là kênh truyền rộng

3.2.1.3 Kênh truyền fading biến đổi nhanh

Đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi nhanh hơn chu kỳ symbol phát (thời gian kết hợp nhỏ hơn chu kỳ symbol), điều này gây ra sự phân tán tần số do hiện tượng doppler và méo tín hiệu Fading nhanh thường có tác động xấu đến các tham

số tín hiệu, rõ nhất là dạng sóng tín hiệu, nó gây méo phổ, pha…và ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống Trong thực tế fading nhanh chỉ xảy ra với đường truyền tốc độ dữ liệu thấp

3.2.1.4 Kênh truyền fading biến đổi chậm

Sự thay đổi đáp ứng của kênh truyền chậm hơn tốc độ của tín hiệu trên dải nền phát Khi đó kênh truyền được xem là tĩnh, trải Doppler của kênh truyền nhỏ hơn băng thông tín hiệu Các biến động trong kênh xảy ra trong thời gian dài Nguyên nhân có thể từ các chướng ngại vật lớn, các hiện tượng thời tiết xấu… kết quả là công suất thu trung bình có thể giảm đáng kể (có thể mất tín hiệu)

3.2.2 Kênh truyền Rayleigh, kênh truyền Ricean và kênh truyền Nakagami-m

Đáp ứng kênh truyền là một quá trình phụ thuộc vào cả thời gian và biên độ Tuỳ theo địa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hay không tồn tại suy hao đường truyền LOS (Line Of Sight) Biên độ của hàm truyền tại một tần số nhất định tuân theo phân bố Rayleigh và phân bố Ricean Nếu kênh truyền không tồn tại LOS, 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 Nếu kênh truyền tồn tại LOS thì đây chính là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần không phải truyền thẳng LOS không đóng vai trò quan trọng, không ảnh hưởng quá xấu đến tín hiệu thu Khi này đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Ricean hoặc Nakagami-m nên kênh truyền được gọi là kênh truyền fading Ricean hoặc Nakagami-m

 Phân bố Rayleigh: Trong kênh truyền vô tuyến, phân bố Rayleigh thường được

sử dụng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường tín hiệu fading phẳng thu được hoặc đường bao của một thành phân đa đường riêng lẻ Đường bao của 2 tín hiệu nhiễu Gaussain trực giao tuân theo phân bố Rayleigh với mật độ xác suất

0

2 2

2exp1)()()(

 Phân bố Ricean: Trong trường hợp phân bố Ricean, các thành phần đa đường

ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau sẽ chồng lấn lên tín hiệu LOS

Điều này có ảnh hưởng tại ngõ ra của bộ tách sóng đường bao như là cộng thêm thành phần DC vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Ảnh hưởng của tín hiệu LOS đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (công suất yếu hơn LOS) sẽ là phân

)0,0(2

exp)

(

2 0 2

2

2

r

r A

A I A r r

r p

2 2

2

A

2 2

Thông số k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Hình 3.2: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Ricean