ĐÁNH GIÁ SỰ TÁC ĐỘNG CỦA PHẦN CỨNG KHÔNG HOÀN HẢO LÊN HIỆU NĂNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hơn nữa, luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp truyền thông hợp tác tăng cường kết hợp với lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất trong mô hình quảng bá đa người dùng thứ cấp.. Hơn nữa ch

-

PHÙNG MẠNH QUỲNH

ĐÁNH GIÁ SỰ TÁC ĐỘNG CỦA PHẦN CỨNG KHÔNG HOÀN HẢO LÊN HIỆU NĂNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông

Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN TRUNG DUY

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2015

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 chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP.HCM, ngày 17 tháng 07 năm 2015

Tác giả luận văn

Phùng Mạnh Quỳnh

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn TS Trần Trung Duy đã tận tình hướng dẫn, 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 có thể vững tin bước tiếp trên con đường của mình

Tiếp theo, em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý Thầy (Cô) giáo Trường Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức quan trọng trong suốt thời gian học tập tại Học Viện Và

em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy giáo PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo và các anh chị trong phòng thí nghiệm thông tin vô tuyến của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông (Wireless Communication Lab, PTIT - TPHCM) đã tạo mọi điều kiện cho em có thể hoàn thành tốt được luận văn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia (Nafosted, 102.01 – 2014.33) đã tài trợ và tạo điều kiện để em có thể hoàn thành tốt luận văn này

Cuối cùng em xin được cảm ơn gia đình, các anh chị đồng nghiệp, các anh chị lớp Cao học Kỹ thuật Viễn thông khóa 2013 đã giúp đỡ cho em hoàn thành tốt khóa học

Học viên thực hiện

Phùng Mạnh Quỳnh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu vô tuyến nhận thức 3

1.1.1 Khái niệm chung về vô tuyến nhận thức 3

1.1.2 Các mô hình trong vô tuyến nhận thức 5

1.1.3 Các kỹ thuật được sử dụng trong vô tuyến nhận thức 6

1.1.3.1 Spectrum sensing 7

1.1.3.2 Spectrum Overlay 12

1.1.3.3 Spectrum Underlay 13

1.2 Giới thiệu về truyền thông hợp tác và phần cứng không hoàn hảo 14

1.2.1 Mô hình truyền thông hợp tác 14

1.2.2 Phương pháp truyền tín hiệu trong truyền thông hợp tác 15

1.2.2.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) 15

1.2.2.2 Giải mã và chuyển tiếp (DF) 16

1.2.3 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp 17

1.2.3.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần (Partial Relay Selection) 17

1.2.3.2 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần (Full Relay

Selection) 17

1.2.4 Khái niệm về phần cứng không hoàn hảo 18

1.3 Các nghiên cứu liên quan 18

1.4 Lý do chọn đề tài 19

CHƯƠNG 2: MÔ TẢ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA SUY HAO PHẦN CỨNG VÀ NGƯỠNG NHIỄU 21

2.1 Giới thiệu các mô hình hệ thống 21

2.1.1 Mô hình truyền dữ liệu thông thường với phần cứng lý tưởng 21

2.1.2 Mô hình truyền dữ liệu trong vô tuyến nhận thức dạng nền với phần cứng lý tưởng 22

2.1.3 Mô hình truyền dữ liệu trong vô tuyến nhận thức dạng nền với suy hao phần cứng 23

2.2 Mô hình hoá kênh truyền 24

2.3 Mô hình đề xuất 24

2.3.1 Nguyên lý hoạt động 24

2.3.2 Xây dựng biểu thức công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) 26

2.4 Đánh giá hiệu năng của các mô hình PP và DT 27

2.4.1 Xác suất dừng 27

2.4.1.1 Giao thức DT 28

2.4.1.2 Giao thức PP 30

2.4.2 Độ lợi phân tập 33

2.4.2.1 Giao thức DT 33

2.4.2.2 Giao thức PP 34

2.4.3 Số khe thời gian được sử dụng 35

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ LÝ THUYẾT 36

3.1 Kết quả mô phỏng 36

3.2 Kết quả lý thuyết 36

3.3 So sánh hiệu năng của các mô hình khảo sát 37

3.3.1 Xác suất dừng và độ lợi phân tập 37

3.3.2 Số khe thời gian được sử dụng trong mô hình PP (T) 41

3.3.3 Số nút đích giải mã thành công trung bình 42

3.3.4 Tốc độ lỗi gói (Packet Error Rate - PER) 44

KẾT LUẬN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp BPSK Binary phase shift keying Khóa dịch pha nhị phân

CDF Cumulative Density Function Hàm phân phối tích luỹ

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền

DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số

DT Direct transmission Truyền trực tiếp

MRC Maximal Ratio Combining Bộ kết hợp tỉ số tối đa

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

PER Packet Error Rate Tốc độ lỗi gói

PP Proposed Protocol Giao thức đã đề xuất

PT Primary transmitter Máy phát sơ cấp

QoS Quality of Service Hiệu suất chất lƣợng dịch vụ

SC Selection Combining Bộ kết hợp chọn lựa

SDR Software Defined Radio Vô tuyến đƣợc định nghĩa bằng

phần mềm SNR Signal-to-noise ratio Công suất tín hiệu trên nhiễu

ST Secondary transmitter Bộ phát thứ cấp

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các khoảng phổ có thể sử dụng được biểu diễn trên miền thời gian và

miền tần số 4

Hình 1.2: Những khoảng truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian và miền tần số 5

Hình 1.3: Sử dụng phổ tần của ba mô hình chính trong Vô tuyến nhận thức 6

Hình 1.4: Chu kỳ cảm biến Tp và ảnh hưởng đến người dùng sơ cấp 7

Hình 1.5: Khoảng cách cho phép để người dùng thứ cấp có thể cùng phát trên một phổ tần với người dùng sơ cấp 8

Hình 1.6: Sự kết hợp giữa các người dùng thứ cấp với nhau 10

Hình 1.7: Phương pháp chia sẻ phổ tần 11

Hình 1.8: Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập 11

Hình 1.9: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Overlay 12

Hình 1.10: Chia sẻ phổ tần theo phương pháp Spectrum Underlay 13

Hình 1.11: Mô hình truyền thông hợp tác 14

Hình 1.12: Trong truyền thông cộng tác mỗi di động vừa là người dùng vừa là nút chuyển tiếp 15

Hình 1.13: Phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp 16

Hình 1.14: Phương pháp giải mã và chuyển tiếp 16

Hình 2.1: Mô hình truyền dữ liệu trực tiếp giữa nút phát Tx và nút nhận Rx 21

Hình 2.2: Mô hình truyền dữ liệu trong vô tuyến nhận thức dạng nền 22

Hình 2 3: Mô hình đề xuất 25

Hình 3.1: Xác suất dừng (OP) đƣợc vẽ theo  (dB) khi M 3, N 2, 0.2,

x  và  0.05 37 Hình 3.2: Xác suất dừng (OP) đƣợc vẽ theo  (dB) khi th 1, N 2, 0.2,

x  và  0.05 38 Hình 3.3: Xác suất dừng (OP) đƣợc vẽ theo N khi th 1,  5 dB, 0.25,

x  và  0.1 39 Hình 3.4: Xác suất dừng (OP) đƣợc vẽ theo khi M N 2,  2.5 dB,

0.5

 vàxR 0.7 39 Hình 3.5: Xác suất dừng (OP) đƣợc vẽ theox khi R M 2,  0 dB,  1 và

0.05

  40 Hình 3.6: Số khe thời gian sử dụng vẽ theo  (dB) khi th 1, 0.5,

x  và  0.01 41 Hình 3.7: Số khe thời gian sử dụng vẽ theo  (dB) khi0.5, xR 0.5 và

4

N  41 Hình 3.8: Số nút đích thành công trung bình vẽ theo  (dB) khi 0.2,

x  , th 1,  0.1 và N 7 43 Hình 3.9: Số nút đích thành công trung bình vẽ N khi 0.3, xR 0.4, th 1

và 0 dB 43 Hình 3.10: Tốc độ lỗi gói vẽ theo  (dB) khi M 1, N 2, 0.1 và

x  44

về phân bổ phổ tần số một cách hiệu quả đã và đang trở thành một vấn đề thiết yếu

Để giải quyết vấn đề cạn kiệt nguồn tài nguyên, khái niệm vô tuyến nhận thức ra đời

Trong vô tuyến nhận thức, có hai loại người dùng được phân cấp là người dùng sơ cấp và người dùng thứ cấp Gần đây, người ta đề nghị mô hình Underlay để giải quyết vấn đề sử dụng phổ liên tục cho người dùng thứ cấp Trong mô hình Underlay hay còn gọi là mô hình dạng nền, người dùng thứ cấp có thể sử dụng tần

số 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 Để tăng cường hoạt động của mô hình này, người ta sử dụng giao thức truyền thông hợp tác để chống lại vấn đề giới hạn công suất truyền, cũng như vấn đề fading của kênh truyền

Trong truyền thông hợp tác, một số nút chuyển tiếp nằm giữa nút nguồn và nút đích giúp nút nguồn chuyển tiếp dữ liệu đến nút đích Việc truyền dữ liệu từ nút nguồn đến nút đích trong hệ thống truyền thông hợp tác diễn ra trong hai khe thời gian trực giao

Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu liên quan đến truyền thông vô tuyến đều giả sử rằng phần cứng của các thiết bị là hoàn hảo Nhưng trong thực tế thì phần cứng của các thiết bị là không hoàn hảo bởi sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q và

sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại Sự không hoàn hảo này sẽ gây ra can nhiễu đến các tín hiệu phát và tín hiệu thu, và vì thế sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của các hệ thống vô tuyến

Trong luận văn này, sẽ nghiên cứu vấn đề sử dụng truyền thông hợp tác trong vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay) dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Hơn nữa, luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp truyền thông hợp tác tăng cường kết hợp với lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất trong mô hình quảng bá đa người dùng thứ cấp

Cấu trúc của luận văn được trình bày trong ba chương cụ thể như sau:

Chương 1: Lý thuyết tổng quan Nội dung chương này tìm hiểu về vô tuyến

nhận thức, truyền thông hợp tác và các nghiên cứu liên quan, từ đó đưa ra các lý do chọn đề tài Hơn nữa chương này trình bày các kỹ thuật được sử dụng trong vô tuyến nhận thức, các phương pháp truyền tín hiệu và các phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp trong truyền thông hợp tác

Chương 2: Mô tả và đánh giá hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức dạng

nền dưới tác động của suy hao phần cứng và ngưỡng nhiễu Nội dung của chương này đề xuất các “mô hình truyền dữ liệu trong vô tuyến nhận thức dạng nền với phần cứng lý tưởng và với suy hao phần cứng” Thông qua mô hình, tìm biểu thức toán học của xác suất dừng, độ lợi phân tập, số khe thời gian sử dụng, số nút đích giải mã thành công và so sánh với mô hình truyền trực tiếp (DT)

Chương 3: Kết quả mô phỏng và lý thuyết Trong chương này sử dụng

phương pháp mô phỏng Monte Carlo để kiểm tra và đánh giá hoạt động của các mô hình truyền dữ liệu trong vô tuyến nhận thức dạng nền dưới tác động của suy hao phần cứng, đồng thời để kiểm chứng các biểu thức được đưa ra

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu vô tuyến nhận thức

1.1.1 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) [1] 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, nâng 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 với 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 tần tối ưu hơn, làm tăng thêm đáng kể lượng phổ hiện có của các nhà cung cấp dịch vụ, vận hành mạng

Hình 1.1: 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 kì 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 1.2: Những khoảng truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian và miền

tần số

1.1.2 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 [2], overlay [3] và underlay [4] 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 1.3: Sử dụng phổ tần của ba mô hình chính trong Vô tuyến nhận thức

1.1.3 Các kỹ thuật được sử dụng trong vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức ra đời giúp cho việc quản lý phổ tần tối ưu hơn, giải quyết được những hạn chế trong phương pháp quản lý trước đó Công nghệ truy nhập phổ tần động giúp vô tuyến nhận thức hoạt động trên phổ tần có sẵn tốt nhất

Vô tuyến nhận thức có các tính năng quan trọng sau đây:

 Điều khiển công suất: được sử dụng cho cả truy cập phổ cơ hội và chia sẻ phổ trong hệ thống CR, để tìm các mức sụt SNR, hỗ trợ cho việc sắp đặt kênh cũng như hạn chế công suất nhiễu nhằm bảo vệ cho người dùng sơ cấp

 Spectrum Sensing (SS): phát hiện các phần phổ sẵn có (chưa được sử dụng)

và chia sẻ nó mà không làm ảnh hưởng đến những người sử dụng khác, đây

là một yêu cầu quan trọng của mạng CR để cảm nhận được vùng phổ trống Tìm kiếm những người dùng sơ cấp là phương pháp hiệu quả nhất để tìm ra vùng phổ trống

 Wideband Spectrum Sensing (WSS): về cơ bản là giống với SS trên một vùng phổ rộng, điển hình như một vùng phổ hàng trăm MHz hoặc vài GHz Hiện tại thì công nghệ truy cập phổ tần động không hỗ trợ tỷ lệ lấy mẫu

cao, hiệu quả, WSS yêu cầu một công nghệ mang tính cách mạng hơn, ví dụ như: Compressive Sensing và sub-Nyquist sampling

 Quản lý phổ: lựa chọn phổ có sẵn tốt nhất

 Linh động phổ: CR sử dụng công nghệ truy cập phổ tần động, điều đó có nghĩa là CR phải hoạt động trên băng tần tốt nhất, để tìm được các khoảng phổ trống tốt nhất, CR cần phải thu thập các khoảng phổ trống lại

 Chia sẻ phổ: khi CR hoạt động trong môi trường có nhiều CR khác thì yêu cầu nó phải chia sẻ các cùng phổ trống với những người dùng khác Có 5 bước để thực hiện chia sẻ phổ là: spectrum sensing, phân bố phổ tần số, truy

cập phổ, kết nối thu phát và sự linh động phổ

1.1.3.1 Spectrum sensing

Được hiểu đơn giản là một thuật toán tính toán lượng phổ, nhiễu trong một dải phổ Các thông số trong thuật toán đó gồm thời gian, không gian, tần số, mã hóa Nó còn có thể xác định được các loại tín hiệu chiếm giữ phổ, điều chế, dạng sóng, băng thông …

Theo đó các người dùng không được cấp phép phải cảm biến phổ tần định

kỳ Ví dụ là sau mỗi khoảng thời gian Tp Nếu như khoảng phổ đó được xác định là

đang rỗi thì người dùng này sẽ được cấp phép truy cập và sử dụng khoảng phổ [2]

Hình 1.4: Chu kỳ cảm biến Tp và ảnh hưởng đến người dùng sơ cấp

Tuy nhiên, trong suốt thời gian sử dụng, người sử dụng thứ cấp này không được thông báo về việc truy cập sử dụng lại khoảng phổ của người dùng sơ cấp, do

đó nếu như người dùng sơ cấp truy cập vào khoảng cách giữa 2 Tp thì sẽ có tranh

chấp xảy ra, và hiển nhiên người sử dụng sơ cấp sẽ bị nhiễu Vậy nên hiệu suất chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) của cả người dùng sơ cấp và thứ cấp sẽ

được dựa trên chu kỳ cảm biến Tp này, nếu khoảng Tp này lớn thì thời gian có thể

xảy ra nhiễu cho người dùng sơ cấp cũng tỉ lệ thuận

Ví dụ trên hình cho ta thấy, khoảng Tp là 10 ms, đây cũng là khoảng thời

gian mà người dùng sơ cấp bị người dùng thứ cấp chiếm giữ phổ dài nhất Để đảm

bảo sự cân bằng, khoảng Tp càng thấp thì khoảng thời gian bị nhiễu càng thấp, và đương nhiên khoảng Tp này sẽ được giảm ở phía người dùng thứ cấp Tùy thuộc

vào độ can nhiễu giới hạn ở máy thu của người dùng sơ cấp, mà cả người dùng thứ cấp và sơ cấp có thể truyền dữ liệu của họ cùng một lúc Phạm vi can nhiễu được định nghĩa là khoảng cách nhỏ nhất mà máy phát của người dùng thứ cấp phải cách

xa để nó không gây nhiễu (ở mức có thể chấp nhận được) đến nguồn thu của người dùng thứ cấp

Hình 1.5: Khoảng cách cho phép để người dùng thứ cấp có thể cùng phát trên một

phổ tần với người dùng sơ cấp

Khoảng cách đó dựa vào các tiêu chí sau:

- Kênh không chắc chắn: kênh không chắc chắn phát sinh do biến động trong kênh fading và shadowing có điều kiện Tín hiệu năng lượng nhận được từ một máy phát sơ cấp có thể thấp hơn so với độ nhạy cảm biến, tùy vào

"deep fade" khi mà máy thu thứ cấp ở trong phạm vi can nhiễu của một người dùng thứ cấp

- Nhiễu không chắc chắn: để tính toán độ nhạy cảm biến của một người dùng thứ cấp, thì công suất nhiễu là cần thiết, tuy thông thường không được tính đến Sự không chắc chắn trong công suất nhiễu này sẽ ảnh hưởng đến việc ước lượng độ nhạy cảm biến, đặc biệt là trong trường hợp cảm biến phổ thông qua một máy dò tìm năng lượng, vì phương pháp này không thể phân biệt được giữa tín hiệu từ một người dùng sơ cấp và các tín hiệu nhiễu, nên ngoài phương pháp này còn có phương pháp cảm biến phổ dựa theo đặc điểm tính năng, phương pháp này không ảnh hưởng nghiêm trọng bởi nhiễu không chắc chắn này

- Tổng hợp của can nhiễu không chắc chắn: khi có nhiều người sử dụng thứ cấp trong cùng một mạng vô tuyến nhận thức, họ có thể gây nhiễu cho chính họ Vì số lượng người dùng thứ cấp và các thông số truyền của họ không được biết, nên sự ước tính của độ can nhiễu do các người dùng thứ cấp gây nên trở thành một thách thức Đặc biệt, một người dùng thứ cấp có thể không cảm biến được sự truyền từ một người dùng sơ cấp gần đó do sự can nhiễu gây ra bởi người dùng thứ cấp khác Mô hình can nhiễu tổng hợp này sẽ hữu ích để diễn tả các ảnh hưởng của các thông số mạng (số lượng,

vị trí, công suất phát, chi tiết và quảng bá của người sử dụng) trên hiệu suất của mạng vô tuyến nhận thức

Trong hệ thống vô tuyến nhận thức có 2 loại cảm biến phổ tần là:

- Cảm biến sự chiếm giữ phổ: phát hiện ra những vùng phổ bị chiếm giữ từ

đó xác định được những dải phổ trống hoặc đang được sử dụng Bộ phát hiện dựa vào năng lượng là một điển hình cho phương pháp này, do bản thân CR không có nhiều thông tin về tín hiệu sơ cấp nên việc sử dụng phương pháp này rất hiệu quả, tuy nhiên trong điều kiện SNR thấp thì phương pháp này bộc lộ yếu điểm, xác suất phát hiện vùng trống thấp Do

đó ta còn gọi loại này là cảm biến phổ dựa theo năng lượng

- Cảm biến các đặc trưng: phân biệt được dải phổ đang được sử dụng bởi người dùng sơ cấp, hay là một người dùng thứ cấp khác Điển hình cho phương pháp này là bộ cảm biến dựa vào các đặc điểm hiệu quả trong điều kiện SNR thấp, xác suất phát hiện khoảng trống cao

Để giảm thiểu những tác động gây ra của những vấn đề không chắc chắn trong cảm biến phổ tần của mạng vô tuyến nhận thức, thì có thể sử dụng sự kết hợp trong cảm biến phổ tần Cảm biến phổ tần kết hợp cho ra nhiều lợi ích, giúp cải thiện khả năng cảm biến của người dùng thứ cấp Trong trường hợp này, nhiều người sử dụng thứ cấp hợp tác cảm biến phổ tần nhắm tới và chia sẻ các kết quả, phổ cảm biến được với nhau Một ưu điểm lớn của cảm biến phổ kết hợp được thể

hiện ở hình 1.6 dưới đây Trong hình, người dùng thứ cấp U1 có thể không cảm biến được sự truyền từ người dùng sơ cấp L1 do kênh truyền fading Nếu U1 bắt đầu truyền, ít sẽ can nhiễu với sự tiếp nhận dữ liệu tại nút L2 được cấp phép Tuy nhiên nếu người dùng thứ cấp U2 cảm biến được và báo cáo sự hiện diện của người dùng sơ cấp L1 tới bộ phận điều khiển, U2 có thể thông báo cho bộ phận điều khiển, thì nó sẽ trì hoãn các sự truyền dẫn để tránh làm nhiễu đến nút L2 thứ cấp

Hình 1.6: Sự kết hợp giữa các người dùng thứ cấp với nhau

Khi hoạt động trong một hệ thống vô tuyến nhận thức thì các người dùng thứ cấp cần phải chia sẻ phổ tần mở Có nhiều tiêu chí để phân loại các công nghệ chia

sẻ phổ: dựa theo kiến trúc, phương pháp cấp phát phổ tần, hay công nghệ truy nhập phổ tần

Hình 1.7: Phương pháp chia sẻ phổ tần

Trong phạm vi của đề tài, lựa chọn nút chuyển tiếp trong vô tuyến nhận thức trên nền đa người dùng, ta sẽ tập trung vào phương pháp chia sẻ tần số theo phương pháp truy nhập phổ tần Theo công nghệ truy nhập chia sẻ phổ tần có thể chia thành công nghệ spectrum overlay và spectrum underlay

Hình 1.8: Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập

Hình 1.9: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Overlay

Như được mô tả trong hình 1.9, những bộ phát thứ cấp (Secondary Transmitter - ST) sẵn sàng giúp đỡ máy phát sơ cấp (Primary Transmitter - PT) bằng cách chuyển tiếp dữ liệu của PT đến máy thu sơ cấp (Primary Receiver - PR) Với phương pháp này, hiệu năng của mạng sơ cấp sẽ được nâng cao nhờ vào độ lợi phân tập đạt được Hơn thế nữa, các máy phát STnn1, 2, ,N sẽ có cơ hội sử dụng băng thông và truyền dữ liệu của nó đến máy thu sơ cấp (Secondary Receiver

- SR) SRn [3], [5] - [9]

Ưu điểm của phương pháp overlay là khả năng nâng cao hiệu năng của cả hai mạng sơ cấp và thứ cấp Tuy nhiên, tương tự như kỹ thuật Spectrum Sensing, kỹ thuật này có nhược điểm là không đảm bảo tính liên tục trong quá trình truyền dữ

liệu của mạng thứ cấp Ví dụ trong trường hợp mạng sơ cấp đã thoả mãn chất lượng dịch vụ, mạng này sẽ không cần sự giúp đỡ từ mạng thứ cấp nữa

1.1.3.3 Spectrum Underlay

Công nghệ Spectrum Underlay là một nguyên tắc quản lý tần số, mà các tín hiệu với phổ công suất rất thấp có thể cùng tồn tại Người dùng sơ cấp triển khai hệ thống với mức mật độ năng lượng cao hơn nhiều, mô hình Underlay dẫn đến một sự hạn chế nhiễu tầng cho những người dùng sơ cấp

Hình 1.10: Chia sẻ phổ tần theo phương pháp Spectrum 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

1.2 Giới thiệu về truyền thông hợp tác và phần cứng không hoàn hảo

1.2.1 Mô hình truyền thông hợp tác

Những lợi thế của hệ thống MIMO đã được thừa nhận rộng rãi, đến mức mà các phương pháp phân tập đã được đưa vào các tiêu chuẩn của vô tuyến [10] Mặc

dù phân tập phát có được các ưu điểm lớn trên một trạm di động, nó vẫn không đáp ứng được một số trường hợp, bởi vì các lý do như: kích cỡ, giá thành hoặc hạn chế phần cứng, một đối tượng vô tuyến có thể không có khả năng hỗ trợ đa anten truyền dẫn Với lý do đó, kỹ thuật truyền thông hợp tác ra đời (Cooperative Communication) [11] cho phép điện thoại di động đơn anten có thể lợi dụng các ưu điểm của hệ thống MIMO Ý tưởng cơ bản là anten đơn của điện thoại di động trong một điều kiện đa người dùng có thể chia sẻ anten của mình với mục đích tạo

ra một hệ thống MIMO ảo

Hình 1.11: Mô hình truyền thông hợp tác

Hình 1.11 cho thấy hai đối tượng di động giao tiếp với cùng một đích Mỗi một nút có một anten và không thể tự mình tạo ra phân tập không gian Tuy nhiên, khi cả hai hợp tác với nhau, trong trường hợp này một nút có thể chuyển tiếp phiên bản mà nó nhận được từ nút còn lại đến đích cùng với dữ liệu của nó Mô hình như

ở trên được là một mô hình cơ bản của truyền thông hợp tác [11]

Thách thức đặt ra trong quá trình phát triển của truyền thông hợp tác là một

số vấn đề phức tạp như: sự suy hao tốc độ ở các di động tham gia hợp tác, can nhiễu tổng thể trong mạng, sự phân công trong hợp tác, đảm bảo công bằng cho các phần

tử có trong mạng, yêu cầu về truyền và nhận của các máy di động

Trong truyền thông hợp 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 với 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 1.12: Trong truyền thông cộng tác mỗi di động vừa là người dùng vừa là nút

chuyển tiếp

1.2.2 Phương pháp truyền tín hiệu trong truyền thông hợp tác

1.2.2.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

Trong trường hợp mà nút trung gian bị hạn chế về năng lượng và không có khả năng giải mã thông điệp, nhưng lại có thể khuếch đại tín hiệu nhận được và gửi

nó đến đích [12], [13] Trong giao thức này, nút chuyển tiếp nhận tín hiệu từ nguồn trong khe thời gian đầu tiên Trong khe thời gian kế tiếp, nút chuyển tiếp chỉ đơn giản khuếch đại tín hiệu nhận được trong nửa khe thời gian đầu Như vậy, đích nhận được hai phiên bản của mỗi một ký tự: từ tín hiệu truyền trực tiếp từ nguồn phát và

tín hiệu từ nút chuyển tiếp Vào cuối chu kì phát, đích sẽ kết hợp lại các bản sao của tín hiệu nhận được thông qua các bộ kết hợp như: bộ kết hợp chọn lựa (Selection Combining - SC) hay bộ kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining - MRC) [14]

Hình 1.13: Phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp

1.2.2.2 Giải mã và chuyển tiếp (DF)

Phương pháp này được sử dụng trong việc truyền tín hiệu số, khi nút được chọn có khả năng giải mã tín hiệu vừa được nhận được Sau đó, nút chuyển tiếp mã hóa lại và truyền dữ liệu đó đến đích [11], [15], [16] So với kỹ thuật AF, kỹ thuật

DF phức tạp hơn bởi sự yêu cầu giải mã và mã hoá lại tại các nút chuyển tiếp Tuy nhiên, sau mỗi lần giải mã, nhiễu tại nút chuyển tiếp trong kỹ thuật DF sẽ được loại

bỏ, trong khi đó quá trình chuyển tiếp của kỹ thuật AF, nhiễu từ nguồn sẽ được khuếch đại trước khi truyền đến đích

Hình 1.14: Phương pháp giải mã và chuyển tiếp

1.2.3 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp

1.2.3.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần (Partial Relay

Selection)

Các nút chuyển tiếp được lựa chọn dựa trên trạng thái thông tin kênh truyền (Channel State Information - CSI) đơn phần tức thời của kênh giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp [17] hoặc kênh giữa nút chuyển tiếp và nút đích [18] Bởi vì các CSI này có thể dễ dàng đạt được thông qua các tín hiệu điều khiển mạng như các gói: Hello, RTS và CTS [19], vì vậy việc thực thi phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần trong thực tế có tính khả thi cao

Ưu điểm: nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, tối đa độ lợi phân tập không

gian, quá trình chọn nút sẽ đơn giản hơn do chỉ yêu cầu thông tin trạng thái kênh truyền từ một phía

Nhược điểm: do không cần đến thông tin kênh truyền còn lại, nên có khả

năng bỏ qua nút chuyển tiếp có độ lợi cao hơn

1.2.3.2 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần (Full Relay

Selection)

Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần dựa vào thông tin toàn phần của các liên kết chuyển tiếp: nút chuyển tiếp được lựa chọn dựa vào công suất tín hiệu trên nhiễu trên cả hai chặng từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp (S  R) và từ nút chuyển tiếp đến nút đích (R  D) [20] - [22] Trong phương pháp này, nút chuyển tiếp có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu từ đầu cuối đến đầu cuối lớn nhất (S  R  D) sẽ được chọn để chuyển tiếp dữ liệu

Ưu điểm: đạt được hiệu quả phân tập không gian cũng như hiệu quả sử dụng

phổ

Nhược điểm: tốn thêm thời gian để xác định nút chuyển tiếp tốt nhất và việc

thực thi phương pháp này trong thực tế phức tạp hơn phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp đơn phần

1.2.4 Khái niệm về phần cứng không hoàn hảo

Hầu hết các nghiên cứu liên quan đến truyền thông vô tuyến đều giả sử rằng phần cứng của các thiết bị là hoàn hảo Nhưng trong thực tế thì phần cứng của các thiết bị là không hoàn hảo bởi sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q và sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại Sự không hoàn hảo này sẽ gây ra can nhiễu đến các tín hiệu phát và tín hiệu thu, và vì thế sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống vô tuyến

1.3 Các nghiên cứu liên quan

Cho đến nay, chỉ có một vài công bố nghiên cứu về sự tác động của phần cứng không hoàn hảo lên hiệu năng của mạng truyền thông vô tuyến Các tác giả trong [23-24] nghiên cứu sự tác động này lên chất lượng dịch vụ (QoS) của các hệ thống vô tuyến khác nhau Trong [25] và [26], các tác giả định lượng sự ảnh hưởng của phần cứng không hoàn hảo lên hiệu năng của những mạng lưới chuyển tiếp hai chặng sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp (amplify-and-forward) và giải mã chuyển tiếp (decode-and-forward) Trong [26], các tác giả đã biểu diễn xác suất dừng của hệ thống bằng những biểu thức dạng tường minh Cũng trong bài báo này, những nguyên tắc thiết kế cũng đã được đề xuất, nhằm mục đích tối ưu hệ thống dưới sự tác động của suy hao phần cứng Tuy nhiên, các tác giả trong [25]-[26] chỉ xem xét những mô hình mà trong đó chỉ có một nút chuyển tiếp làm nhiệm vụ chuyển tiếp những tín hiệu của nguồn đến đích mong muốn Để tăng cường hơn nữa hiệu năng của mạng chuyển tiếp, những mô hình nhiều nút chuyển tiếp kết hợp với các phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp tốt nhất có thể được sử dụng Trong [27], các tác giả đề xuất hai phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp để nâng cao hiệu năng mạng dưới sự tác động đồng thời của suy hao phần cứng, giao thoa đồng kênh và fading kênh truyền Tuy nhiên, các tác giả trong [23-27] chỉ xem xét những mô hình

chuyển tiếp trong mạng vô tuyến thông thường Gần đây, truyền thông hợp tác trong vô tuyến nhận thức được sử dụng rộng rãi nhằm nâng cao hiệu năng của mạng thứ cấp [28]-[30] Đây là một chủ đề mới, thu hút nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Trong tham khảo [31], hiệu năng của mạng thứ cấp trong vô tuyến nhận thức dạng nền dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo đã được khảo sát Tuy nhiên, các tác giả trong [31] chỉ xét mô hình với một nút chuyển tiếp và công suất truyền của máy phát thứ cấp chỉ bị giới hạn bởi mức giao thoa tối đa Cũng vậy, các tác giả trong [32] cũng đề xuất phương pháp giải mã chuyển tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với một nút chuyển tiếp Hơn thế nữa, trong mô hình đề xuất, các tác giả đã giả sử rằng liên kết giữa nguồn và đích tồn tại

1.4 Lý do chọn đề tài

Trong truyền thông vô tuyến (Wireless Communication), không gian tự do được sử dụng làm môi trường truyền dẫn, và thông tin được truyền đi từ máy phát đến máy thu bằng sóng điện từ Truyền thông vô tuyến với những tính năng linh hoạt và di động, giúp cho các kỹ thuật này nhận được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu Trong vài thập kỷ gần đây, tốc độ phát triển của truyền thông vô tuyến đã tăng trưởng nhanh chóng Ngày nay, truyền thông vô tuyến có thể phục vụ

số lượng lớn các thiết bị thông minh Hơn thế nữa, ngay cả các điện thoại thông minh có thể tiêu thụ băng thông nhiều hơn các thiết bị điện thoại truyền thống Cho nên, cùng với sự phát triển ngày càng nhanh của công nghệ, bài toán về phân bổ phổ tần số một cách hiệu quả đã và đang trở thành một vấn đề thiết yếu Bởi vì băng tần là tài nguyên có giới hạn, vì vậy đòi hỏi những giải pháp hiệu quả để tái thiết sử dụng lại phổ tần hoặc chia sẻ băng tần giữa các mạng vô tuyến Để giải quyết vấn

đề cạn kiệt nguồn tài nguyên, khái niệm vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) ra đời Đây là lý do đầu tiên, học viên chọn hướng nghiên cứu là vô tuyến nhận thức

Trong ba mô hình cơ bản của vô tuyến nhận thức: mô hình xen kẽ (Interweave), mô hình chia sẻ tần số (Overlay) và mô hình dạng nền (Underlay) Trong mô hình Interweave có nhược điểm là hoạt động của mạng thứ cấp còn phụ

thuộc vào mạng sơ cấp, do đó chất lượng dịch vụ của mạng thứ cấp không được đảm bảo Trong mạng Overlay, do mạng sơ cấp và mạng thứ cấp hoạt động trên cùng một băng tần nên nhược điểm của hệ thống này là máy thu sơ cấp phải được trang bị các kỹ thuật loại trừ can nhiễu từ các máy phát thứ cấp rất phức tạp Trong mạng Underlay thì mạng sơ cấp và mạng thứ cấp cũng hoạt động trên cùng băng tần, tuy nhiên công suất phát của máy phát thứ cấp bị giới hạn để không gây can nhiễu cho máy thu sơ cấp Với ưu điểm là không đòi hỏi kỹ thuật loại trừ can nhiễu phức tạp tại máy thu sơ cấp, mạng Underlay đang được các nhà nghiên cứu quan tâm nhiều hơn Đây là lý do thứ hai học viên chọn mạng Underlay trong mô hình vô tuyến nhận thức

Và lý do cuối cùng, hầu hết các nghiên cứu liên quan đến truyền thông vô

tuyến đều giả sử rằng phần cứng của các thiết bị là hoàn hảo Tuy nhiên trong thực

tế, phần cứng của các thiết bị là không hoàn hảo bởi sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q và sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại Sự không hoàn hảo này sẽ gây ra can nhiễu đến các tín hiệu phát và tín hiệu thu, và vì thế sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của các hệ thống vô tuyến Do đó, chúng ta cần đưa sự suy hao phần cứng vào trong việc đánh giá hiệu năng của các mô hình này

Kết luận: luận văn này sẽ nghiên cứu vấn đề sử dụng truyền thông hợp tác

trong vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay) dưới sự tác động của phần cứng không hoàn hảo Hơn thế nữa, luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp truyền thông hợp tác tăng cường (Incremental Cooperation [11]) kết hợp với lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất trong mô hình quảng bá đa người dùng thứ cấp (Multicast Networks [33] - [35])