Phân tích xác suất dừng và thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với thu thập năng lượng

Phân tích xác suất dừng và thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với thu thập năng lượng Phân tích xác suất dừng và thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với thu thập năng lượng Phân tích xác suất dừng và thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với thu thập năng lượng Phân tích xác suất dừng và thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với thu thập năng lượng Phân tích xác suất dừng và thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với thu thập năng lượng

TỔNG QUAN

Tổng quan chung

Những năm 90 của thế kỷ 20, khái niệm vô tuyến nhận thức bắt đầu được đề cập đến nhưng ít được các nhà khoa học quan tâm Từ khi giới thiệu ý tưởng vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm cho đến năm 1998 trong một cuộc hội thảo tại Viện Công nghệ Hoàng gia ở Stockholm, Joseph Mitola đã đưa khái niệm vô tuyến thông minh và được công bố năm 1999

Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm giúp tăng cường tính linh hoạt của các dịch vụ cá nhân thông qua một “ngôn ngữ đại diện” Đây là ngôn ngữ được biết như là giao thức vô tuyến của thiết bị, phần mềm, sự lan truyền sóng trong môi trường, mạng lưới hạ tầng, nhu cầu người dùng và các thiết lập luận lý về nhu cầu của người sử dụng Điều này thực hiện được thông qua lựa chọn phổ tần số khi đã xét đến sự ảnh hưởng của không gian, thời gian và bối cảnh người dùng Chính khả năng này đã làm thay đổi các “nút chuyển tiếp mù” với giao thức định sẳn thành các nút chuyển tiếp “thông minh” tự động tìm phương thức để cung cấp các dịch vụ mà người dùng mong muốn Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (Software- defined radio) là nền tảng để thực hiện mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio) [1]

Các mạch vô tuyến vừa và nhỏ hoạt động với nguồn pin gặp hạn chế về tuổi thọ, giá thành, bảo trì bảo dưỡng, khả năng mở rộng và độ tin cậy những nhược điểm này được khắc phục khi sử dụng phương pháp thu thập năng lượng không dây Thu thập năng lượng là quá trình thu năng lượng từ môi trường xung quanh cung cấp cho các mạch vô tuyến để kéo dài khả năng hoạt động của hệ thống mà không cần cung cấp thêm nguồn năng lượng trực tiếp, năng lượng tồn tại ở nhiều dạng trong môi trường xung quanh thiết bị như nhiệt độ, ánh sáng, gió, sóng vô tuyến,… có thể sử

Chương 1: Tổng quan do sự tiện lợi từ việc tự cung tự cấp năng lượng cho các thiết bị vô tuyến công suất thấp đã được phát triển mạnh trong thời gian gần đây cả trong công nghiệp lẫn trong nghiên cứu Đây là hướng phát triển cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong tương lai như nút mạng cảm biến không dây [3]

Có hai cấu trúc cơ bản của thiết bị nhận để thu năng lượng từ sóng vô tuyến, thứ nhất là dạng chia công suất (Power Splitting – PS) thứ hai là dạng chuyển mạch theo thời gian (Time Switching – TS) [4]

Trong thiết bị nhận dùng cấu trúc chia công suất (PS) thì một phần nhỏ năng lượng thu thập được dùng thể thu thập năng lượng, phần còn lại dùng để thu thập thông tin

Thiết bị chuyển mạch theo thời gian (TS) thì sử dụng một phần thời gian để thu thập năng lượng từ các bộ phát tín hiệu và phần thời gian còn lại dùng để nhận tín hiệu và truy xuất thông tin [4]

Nền tảng của sự cân bằng năng lượng thu và phát trong mạng không hỗ trợ chuyển tiếp (non-relay) nghiên cứu trong các mô hình [5]

Hệ thống thông tin truyền đồng thời năng lượng và thông tin đến thiết bị thu tạo ra sự thuận tiện cho người sử dụng, tuy nhiên vẫn còn hạn chế lớn trong vấn đề thiết kế thiết bị đầu cuối Hai dạng thiết bị thu thực tế dựa trên chuyển mạch thời gian (TSR) và chia công suất (PSR) được nghiên cứu về khả năng thu thập năng lượng và tốc độ truyền dữ liệu [6]

Lấy ý tưởng từ cấu trúc của thiết bị nhận TS và PS đưa ra hai giao thức chuyển tiếp thu năng lượng đó là giao thức chuyển tiếp TSR và giao thức chuyển tiếp PSR sử dụng nhằm khuếch đại và chuyển tiếp trong mạng dual-hop [7], năng lượng thu được từ tín hiệu RF được sử dụng một phần cung cấp cho mạch hoạt động và phần năng lượng còn lại dùng để chuyển tiếp thông tin từ nút nguồn đến nút đích Sai số thời gian trễ và giới hạn trễ được trình bày trong [7]

Tình hình nghiên cứu đề tài

Vô tuyến nhận thức (Cognitive Relay – CR) là một công nghệ đầy hứa hẹn nhằm đạt được khả năng sử dụng phổ tần tốt hơn Truyền thông tin từ điểm tới điểm trong mạng CR đã được nghiên cứu nhiều trong thời gian trước, những nghiên cứu gần đây về CR chủ yếu tập trung vào việc truyền thông chuyển tiếp hợp tác, trong bài

[8] nghiên cứu hiệu suất được thể hiện thông qua xác suất dừng trong mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức trong đó nút nguồn truyền thông tin đến đích thông qua nhiều nút trung gian

Trong bài báo [9] đánh giá xác suất dừng của mạng chuyển tiếp nhận thức giữa những người dùng thứ cấp dựa trên mô hình tiếp cận dạng nền (underlay approach) nhưng vẫn tuân thủ các ràng buộc với người dùng sơ cấp Đồng thời trong [9] chỉ ra rằng bậc phân tập của sự lựa chọn trong các mạng chuyển tiếp nhận thức giống như trong các mạng chuyển tiếp thông thường Các bài báo nói trên nghiên cứu chủ yếu một nút phát và một nút thu Đối với nhiều nguồn thu phát của các mạng chuyển tiếp nhận thức sử dụng một ăng-ten được đánh giá thông qua xác suất dừng trong nghiên cứu [10]

Gần đây, dựa trên những ưu điểm của hai khái niệm nói trên, việc thu thập năng lượng đã được giới thiệu với các mạng CR Trong [11], nghiên cứu thu thập năng lượng (Energy Harvesting – EH) và truy cập phổ cơ hội (Opportunistic Spectrum Access – OSA), trong đó OSA đề cập đến mô hình người dùng thứ cấp sử dụng phổ tần của người dùng sơ cấp (Primary User – PU) trong khoảng thời gian người dùng sơ cấp không sử dụng để truyền dữ liệu Trong [12], trình bày nghiên cứu thông lượng trong một mạng chuyển tiếp nhận thức dùng phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp (AF) được tối đa hóa theo thời gian truyền và các ràng buộc năng lượng tại mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Networks – CRN)

Trong [13], phân tích xác suất dừng (Outage Probability) cho mạng thứ cấp không hỗ trợ chuyển tiếp (Secondary Network – SN) chia sẻ phổ và thu thập năng

Chương 1: Tổng quan thông tin đến mạng sơ cấp cũng như truyền thông tin của chính nó Trong [14] nghiên cứu mạng vô tuyến không hỗ trợ chuyển tiếp sử dụng mô hình dạng nền (Underlay) của CR, một nút thứ cấp đồng thời truyền thông tin và năng lượng đến nhiều nút nhận

SU bằng cách sử dụng phổ tần được chia sẻ từ người dùng sơ cấp

[15] trình bày tổng quan về mạng thu thập năng lượng không dây, kỹ thuật thu thập năng lượng và chỉ ra nhiều vấn đề quan trọng trong thiết kế mạng single – hop, mạng nhiều ăng-ten, mạng vô tuyến nhận thức

[16] đề xuất giao thức thu thập năng lượng không dây trong mạng chuyển tiếp nhận thức nhiều đầu thu với mô hình dạng nền (Underlay), trong đó nút thứ cấp có thể thu năng lượng từ mạng chính trong khi chia sẻ phổ tần của mạng sơ cấp

“Tối ưu hóa thu thập năng lượng trong mạng nhận thức chuyển mạch hai chiều” trong [17] là bài báo công bố năm 2017 của nhóm tác giả S Singh, S Modem and S Prakriya Bài báo này phân tích hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền hai chiều với thu thập năng lượng theo giao thức chia công suất Trong nghiên cứu gần đây [18] Phân tích hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng, trong nghiên cứu này đã đề xuất mô hình mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng bao gồm mạng sơ cấp và thứ cấp, phân tích và đánh giá hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng thông qua xác suất dừng và sử dụng giao thức phân chia công suất để thu thập năng lượng và truyền thông tin

Từ những nghiên cứu trên luận văn chọn nghiên cứu vấn đề “ Phân tích xác suất dừng và thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với thu thập năng lượng ” Phân tích công suất thu tại mạng thứ cấp trong điều kiện ràng buộc về công suất phát và can nhiễu tại mạng sơ cấp, đánh giá về thông lượng của hệ thống khi nguồn phát thay đổi về khoảng cách và công suất phát đến mạng thứ cấp.

Mục tiêu của đề tài

Thu thập năng lượng không dây là một giải pháp hứa hẹn cho các mạng không dây hạn chế về mặt cung cấp năng lượng Nghiên cứu này khảo sát một giao thức thu thập năng lượng không dây dựa trên nền tảng mạng nhận thức chuyển tiếp dạng nền thu phát đa người dùng sơ cấp (PU) Trong giao thức này nút thứ cấp sẽ nhận năng

Chương 1: Tổng quan lượng từ mạng sơ cấp trong khi đang chia sẻ phổ với mạng sơ cấp Để đánh giá được các thông số tác động lên hệ thống mạng được nói trên phải có biểu thức chính xác cho xác suất dừng của các nút mạng thứ cấp có 3 vấn đề cần xem xét

- Chỉ định công suất truyền cực đại tại nguồn thứ cấp (SS) và chuyển tiếp thứ cấp (SR)

- Ảnh hưởng can nhiễu của máy phát sơ cấp đến chuyển tiếp thứ cấp (SR) và đích đến thứ cấp (SD)

- Ảnh hưởng của đa người dùng sơ cấp đến hiệu năng của mạng

Khảo sát tác động của hai dạng truyền delay-sensitive và dạng truyền delay- tolerant trên cùng một đường truyền để có được các thông số khác nhau cho mô hình hệ thống thực tế.

Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về mô hình truyền dữ liệu trong vô tuyến nhận thức dạng nền, tìm hiểu về xác suất dừng

Tìm hiểu mô hình truyền thông đa chặng cộng tác kênh truyền fading Rayleigh

Phân tích và mô phỏng xác suất dừng/thông lượng của mạng thứ cấp theo ngưỡng ràng buộc công suất can nhiễu tại mạng sơ cấp

Phân tích và mô phỏng xác suất dừng/thông lượng của mạng thứ cấp theo công suất phát của mạng sơ cấp

Phân tích và mô phỏng xác suất dừng/thông lượng của mạng thứ cấp theo ngưỡng ràng buộc công suất can nhiễu tại mạng sơ cấp

Phân tích và mô phỏng xác suất dừng/thông lượng của mạng thứ cấp theo công suất phát của mạng sơ cấp.

Đóng góp chính của luận văn

Nhìn chung có nhiều công trình nghiên cứu về mạng vô tuyến chuyển mạch

Chương 1: Tổng quan thông đa chặng hợp tác M nút phát và N nút nhận dưới sự ảnh hưởng của fading Rayleigh và thực hiện mô phỏng để khảo sát và đánh giá hiệu năng cũng như thông lượng của hệ thống Phân tích, làm rõ các công thức toán để mô phỏng đánh giá hiệu năng của hệt thống Bên cạnh đó luận văn cũng đưa ra đánh giá xác suất dừng/thông lượng của mạng thứ cấp theo ngưỡng ràng buộc công suất can nhiễu, công suất phát tại mạng sơ cấp Ngoài ra luận văn phân tích và làm rõ hơn các công thức toán học

Phương pháp nghiên cứu

Phân tích và nghiên cứu bài báo liên quan đến mục tiêu của đề tài

Thực hiện mô phỏng trên Matlab bằng phương pháp Monte Carlo và phân tích đánh giá kết quả thu được.

Bố cục của luận văn

Luận văn gồm có 5 chương;

Nêu tổng quan về đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước, trình bày nội dung sẽ nghiên cứu cũng như đóng góp của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nêu các cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài đang thực hiện, gồm truyền thông hợp tác đa chặng, vô tuyến nhận thức và xác suất dừng

Chương 3: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền

Trình bày mô hình nghiên cứu mạng vô tuyến nhận thức dạng nền, đưa ra các thông số của mô hình sử dụng mô phỏng

Chương 4: Mô phỏng, phân tích và đánh giá

Trình bày kết quả mô phỏng theo xác suất dừng của các hàm công suất ngưỡng ràng buộc tại đầu thu, công suất phát của mạng sơ cấp ảnh hưởng đến mạng thứ cấp, thông lượng của mạng khi công suất phát thay đổi

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Tổng kết các kết quả mô phỏng, đưa ra đánh giá cùng với hướng phát triển tiếp theo của đề tài.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Kênh truyền

Kênh truyền là môi trường truyền thông tin giữa đầu phát và đầu thu, có hai dạng kênh truyền:

- Kênh truyền hữu tuyến sử dụng các loại dây dẫn như: dây cáp, cáp đồng trục, cáp quang, ưu điểm của loại kênh truyền này là tín hiệu ổn định ít bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh, nhược điểm là phải kéo dây từ nơi phát đến nơi nhận khó khăn về đường truyền và chi phí cao

- Kênh truyền vô tuyến sử dụng sóng điện từ để truyền thông tin o Ưu điểm: Không cần đi dây từ điểm phát đến điểm thu, linh hoạt trong đường truyền tín hiệu ở những nơi có địa hình phức tạp o Nhược điểm: kênh truyền vô tuyến có thể biến đổi từ đơn giản đến phức tạp, kênh truyền có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả trong truyền tín hiệu do ảnh hưởng nhiễu từ môi trường xung quanh lớn

Thiết bị thu Nguồn Fading

Hình 2 1: Kênh truyền vô tuyến

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Công suất của tín hiệu suy giảm theo phần LOS (Line Of Sight) và theo khoảng cách truyền dựa trên phương trình Friis [19]

Gr và Gt độ lợi của antenna thu và phát λ: bước sóng của sóng truyền d: khoảng cách từ đầu phát đến đầu thu

L: hệ số suy giảm của hệ thống

Hệ số suy giảm khi truyền (PL: Path Loss) khi d >> λ:

Trong truyền thông, công suất thường được biểu diện ở dạng dB hoặc dBm do sự suy giảm thường theo hàm mũ Phương trình trên có thể được diễn tả lại như sau:

Trong đó Pr(d0) được đo bằng Watt d0 là khoảng cách qui chiếu được chọn tùy môi trường (1m với môi trường trong nhà,

100m hoặc 1km với môi trường ngoài trời)

Trong thực tế, sự suy giảm năng lượng theo khoảng cách thường theo hàm mũ bậc β [19]:

Hệ số β được thống kê như sau:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Bảng 2 1: Hệ số suy giảm trong các môi trường

Môi trường Hệ số suy giảm, β

Free – space 2 Đô thị 2.7  3.5 Đô thị với nhiều nhà cao tầng 3  5

Trong nhà có vật cản 4  6

2.1.2 Các mô hình kênh truyền cơ bản

2.1.2.1 Kênh truyền theo phân bố Rayleigh

Khi môi trường có nhiều thành phần tán xạ chúng ta có thể dùng mô hình kênh Rayleigh với hai biến Gauss ngẫu nhiên có trung bình bằng không và variance là σ 2 thì Z  X 2 Y 2 có phân bố Rayleigh, đồng thời Z 2 có phân bố hàm mũ Nếu rI và rQ đều là biến ngẫu nhiên Gauss và có trung bình bằng không, variance là σ 2 , trong [20] ta có

Có phân bố Rayleigh như sau:

Với  2 là công suất trung bình theo thời gian;

Z 2 có phân bố hàm mũ:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Giá trị median thường được sử dụng trong thực tế vì dữ liệu Rayleigh fading thường được đo trong những môi trường mà nó không tuân theo một phân bố đặc biệt nào Bằng cách sử dụng giá trị median thay vì giá trị trung bình, chúng ta dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau (có giá trị trung bình khác nhau) Hình 2.2 minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh

2.1.2.2 Kênh truyền theo phân bố Ricean

Ricean fading là kết quả của sự kết hợp hiện tượng truyền đa đường và đường truyền trực tiếp LOS, trong đó tín hiệu truyền thẳng là thành phần biết trước trong tổng hợp các tín hiệu nhận được

Theo [20] cho hàm phân bố xác suất Ricean như sau:

 2 là công suất trung bình của thành phần không chứa LOS theo thời gian, s 2 là công suất của thành phần đường trực tiếp, I0 là hàm Bessel bậc không ;

Công suất trung bình nhận được trong kênh truyền Ricean fading là :

Hình 2 2: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Thay vào chúng ta được

Viết lại hàm phân bố Ricean theo K và Pr như sau:

Khi K = 0, không có đường tín hiệu nhận trực tiếp khi đó phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh

Khi K   thì phân bố Ricean trở thành phân bố Gauss

Thành phần LOS của phân bố Ricean là thành phần tín hiệu tĩnh giúp giảm hiệu ứng fading

2.1.2.3 Kênh truyền theo phân bố Nakagami

Trong một số trường hợp kênh truyền Nakagami bao gồm cả hai dạng kênh truyền trên lúc đó là kênh truyền Nakagami trở thành Nakagami-m

Theo [20] biểu diễn hàm mật độ đường bao kênh truyền Nakagami-m

Hình 2 3: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean: k = dB (Rayleigh) và k = 6 dB Với k >>1, giá trị trung bình của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gauss

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Khi m = 0.5 thì phân bố Nakagami có dạng một nửa phân bố Gauss; Khi m = 1 thì phân bố Nakagami trở thành phân bố Rayleigh;

Khi m > 1 thì phân bố Nakagami trở thành phân bố Ricean;

 thì phân bố trên sắp sỉ là phân bố Ricean fading với tham số K Khi m  thì không có fading

Hàm phân bố công suất cho kênh Nakagami fading như sau:

Kênh truyền thông thường

Hình 2 4: Mô hình truyền dữ liệu thông thường

Xét quá trình sự truyền dữ liệu giữa một nút phát T và một nút nhận R Bằng cách sử dụng mô hình suy hao đơn giản, chúng ta có thể mô hình hóa tín hiệu nhận được tại nút R như sau [21] max ,

Trong công thức (2.14), P max là công suất truyền tối đa của nút phát T, x là dữ liệu mà nút phát T muốn truyền đến nút nhận R, h T,R là hệ số kênh truyền giữa nút phát T và nút nhận R, nR là nhiễu cộng tại bộ thu

Từ (2.14), tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu nhận được tại nút nhận R có thể được đưa ra như sau:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết với N 0 là phương sai của n R (giả sử rằng phương sai của nhiễu cộng tại tất cả các máy thu đều bằng N 0 ), h T R , là kênh Rayleigh fading h T R , 2 sẽ có phân bố mũ Hàm phân phối và hàm mật độ xác suất của h T R , 2 được cho trong công thức (2.16)

  , d T R , là khoảng cách giữa T và R , và β là hệ số suy hao kênh truyền có giá trị từ 2 đến 6.

Vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức là mô hình mới của truyền thông không dây để tăng cường việc sử dụng nguồn tài nguyên phổ tần ngày càng hạn chế Nó được định nghĩa như là một đài phát cơ hội sử dụng cơ sở hạ tầng hiện tại của của mạng vô tuyến trong khoản thời gian mà người dùng chính không sử dụng [1] Về cơ bản, người dùng thứ cấp phải nhận thức đúng các điều kiện về phổ tần để tăng hiệu quả trong việc sử dụng phổ tần, mạng vô tuyến nhận thức tìm cách truyền tín hiệu của người dùng thứ cấp kết hợp với tín hiệu của người dùng sơ cấp trên cùng một phổ tần bằng các mô hình dạng nền (underlay), dạng chồng (overlay), dạng xen kẻ (interweave) mà không làm ảnh hưởng đến người dùng chính

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) Trong đó thì dạng 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 tín hiệu 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

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trong một bài viết của J Mitola và Gerald Q Maguire, Jr vào năm 1999, J Mitola định nghĩa vô tuyến nhận thức 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

Mạng sơ cấp Mạng thứ cấp

Hình 2 5: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức

2.3.2 Mô hình kênh truyền trong vô tuyến nhận thức

Hình 2 6: Mô hình truyền dữ liệu trong vô tuyến nhận thức dạng nền

Trong vô tuyến nhận thức dạng nền, công suất truyền của nút phát T bị giới hạn bởi công thức sau: max max 2 max 2 min , min 1,

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trong công thức trên, với Imax là mức can nhiễu lớn nhất được quy định bởi nút PR, hT,PR là kênh truyền Rayleigh fading giữa nút phát T của mạng thứ cấp và nút

PR của mạng sơ cấp và μ = Imax / Pmax Thay (2.18) vào (2.15) chúng ta đạt được biểu thức của tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền như sau: max 2

2.3.2.1 Mô hình vô tuyến nhận thức dạng xen kẻ (Interweave)

Mô hình này cho phép người dùng thứ cấp chỉ được phép sử dụng phổ tần khi người dùng sơ cấp không sử dụng, mạng thứ cấp khai thác các phổ trống của người dùng chính Khó khăn trong mô hình này là phải tìm ra các phổ trống và càng khó khăn hơn nếu người dùng sơ cấp tăng cường sử dụng phổ tần, do đó yêu cầu các thiết bị ở người dùng thứ cấp phải linh hoạt hơn Nếu tín hiệu truyền của người dùng thứ cấp gia tăng thời gian thì phải tìm thêm nhiều khoảng phổ trống, điều này gây giảm hiệu suất của người dùng thứ cấp ở mô hình dạng xen kẻ

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Người dùng sơ cấp Người dùng thứ cấp

Hình 2 7: Mô hình các dạng vô tuyến nhận thức 1

2.3.2.2 Mô hình dạng nền (Underlay)

Mô hình dạng nền người dùng thứ cấp phát đi công suất thấp hơn công suất của người dùng chính trong cùng một thời điểm và trên cùng tần số nhưng phải đảm bảo can nhiễu không vượt quá ngưỡng quy định ảnh hưởng đến người dùng chính Do đó yêu cầu ở thiết bị thứ cấp phải khác so với mô hình interweave, bộ thu phát ở người dùng thứ cấp phải hoạt động với ngưỡng SNR rất thấp dẫn đến công suất phát của mô hình này thấp

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.3.2.3 Mô hình dạng chồng (Overlay)

Người dùng thứ cấp sử dụng một phần công suất truyền tải để tăng cường tín hiệu cho người dùng sơ cấp tạo điều kiện để phân biệt tín hiệu của người dùng sơ cấp ở máy thu chính Do đó trong mô hình này có tỉ SNR cao hơn mô hình underlay Nhược điểm của mô hình này là độ phức tạp của bộ thu và phải xác định được công suất phát cho tín hiệu sơ cấp và thứ cấp

2.3.3 Truyền thông vô tuyến nhận thức hợp tác mô hình Interweave

Trong truyền thông nhận thức hợp tác mô hình Interweave sẽ cho phép người dùng thứ cấp theo dõi hoạt động phổ của người dùng sơ cấp nhằm thích ứng với nó Trong trường hợp không hợp tác thì người dùng thứ cấp phải sử dụng các thuật toán phức tạp để theo dõi phổ tần của người dùng sơ cấp khi mà phổ tần suất sử dụng liên tục thay đổi

Khi hợp tác giúp cho người dùng thứ cấp và người dùng sơ cấp trao đổi thông tin về cảm nhận phổ, giúp người dùng thứ cấp dễ dàng hơn trong việc tìm ra các lỗ phổ Ở mô hình này người dùng thứ cấp đóng vai trò thụ động, phát hiện lỗ phổ và truyền đi tín hiệu của mình

2.3.4 Truyền thông vô tuyến nhận thức hợp tác mô hình Overlay

Trong mô hình chia sẻ tần số Overlay người dùng sơ cấp chia sẻ tần số với người dùng thứ cấp, nút phát thứ cấp đóng vai trò như những bộ chuyển tiếp tín hiệu sơ cấp cho những nút sơ cấp Nhờ sự cộng tác này nên hiệu năng của mạng sơ cấp tăng lên, trong khi đó những nút phát thứ cấp tìm thấy những cơ hội để truyền những tín hiệu của chúng đến những bộ thu thứ cấp mong muốn Để thực hiện điều này, bộ phát thứ cấp kết hợp tuyến tính tín hiệu của chúng với tín hiệu sơ cấp nhận được từ bộ phát sơ cấp [22] Tuy nhiên, hiệu năng của mạng thứ cấp trong các phương pháp này thấp bởi vì can nhiễu từ bộ phát sơ cấp lên bộ nhận thứ cấp và sự chia sẻ công suất phát thứ cấp cho tín hiệu sơ cấp tại máy phát thứ cấp

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.3.5 Truyền thông vô tuyến nhận thức hợp tác mô hình Underlay Đây là mô hình truyền thông vô tuyến khá phổ biến hiện nay, người dùng thứ cấp có thể cùng sử dụng băng tần với người dùng sơ cấp, tuy nhiên mô hình này hạn chế về công suất phát nên hiệu suất của mạng không cao Mô hình truyền thông cộng tác được sử dụng để giúp cải thiện vấn đề về công suất phát.

Truyền thông cộng tác

Chuyển tiếp là một lớp mạng nhận thông tin từ nguồn phát và phát lại thông tin đến điểm tiếp theo, chuyển tiếp được xem làm một kỹ thuật nâng cao độ tin cậy của nguồn tin từ điểm đầu đến điểm cuối không chỉ đơn thuần tiếp nhận và truyền dẫn thông tin

Chuyển tiếp phân ra làm hai loại chuyển tiếp tái tạo và chuyển tiếp không tái tạo Đối với kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo tín hiệu thu được ở nút chuyển tiếp sẽ được giải mã và tái xử lý để tăng hiệu quả của việc chuyển tiếp Chuyển tiếp không tái tạo thì tại nút chuyển tiếp tín hiệu không được xử lý nên khi tín hiệu chuyển tiếp đi có thể mang theo cả tín hiệu nhiễu Mặc dù chuyển tiếp không tái tạo kém hiệu quả hơn các kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo tuy nhiên nó cho phép nhiều người tham gia trong truyền dẫn hợp tác do người nhận chuyển tiếp không phải giải mã tín hiệu nguồn Chuyển tiếp song công có thể vừa nhận tín hiệu nguồn vừa thực hiện chuyển tiếp trên cùng một dãy tần số, chuyển tiếp bán song công thì thời gian đầu nhận tín hiệu từ nguồn phát sau đó mới thức hiện chuyển tiếp đến đích

Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward – DF)

Kỹ thuật chuyển tiếp này là kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo, thực hiện chuyển tiếp bằng những phương thức xử lý số tín hiệu Mô hình này, nút chuyển tiếp hoạt động như là một trạm lặp (repeater) thông minh và giải mã/giải điều chế tín hiệu nhận được từ nút nguồn ở khe thời gian truyền thứ nhất hay ở pha truyền thứ nhất Quá trình này sẽ loại bỏ sự hiện diện của nhiễu [23]

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Hình 2 8: Kỹ thuật chuyển tiếp DF

Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward – AF)

Mô hình này nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại những gì nhận được từ nút nguồn Quá trình khuếch đại cũng chính là quá trình biến đổi tuyến tính tại nút chuyển tiếp AF còn được gọi là mô hình chuyển tiếp không tái tạo và thực hiện những phương thức xử lý tương tự cho tín hiệu [24]

Hình 2 9: Kỹ thuật chuyển tiếp AF

2.4.2 Ưu, nhược điểm của truyền thông cộng tác

Truyền thông công tác khai thác phân tập không gian và thời gian trong mạng vô tuyến để nâng cao hiệu suất của hệ thống, lợi ích của phân tập kết hợp như sau:

- Giảm công suất một trạm phải truyền nhưng vẫn đạt hiệu quả vùng phủ sóng mong muốn

- Phối hợp với nhiều trạm phát làm dung lượng kênh Shanon được nâng cao

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Độ tin cậy của truyền dẫn được nâng cao hơn và vùng phủ sóng của mạng rộng hơn

Cân bằng chất lượng dịch vụ QoS: đối với những hệ thống truyền thống, người dùng tại rìa vùng phủ sóng của mạng hoặc những người dùng thuộc vùng chịu ảnh hưởng của hiện tượng shadowing sẽ phải chịu giới hạn dung lượng Tuy nhiên, truyền thông cộng tác có thể khắc phục được sự khác biệt về QoS và cung cấp QoS đồng đều cho nhiều người dùng

Giảm chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng xây dựng mạng: truyền thông cộng tác sử dụng tối đa nguồn tài nguyên của nhà mạng để nâng cao chất lượng dịch vụ khi không có đủ cơ sở hạ tầng cần thiết

Truyền thông cộng tác có thể là giải pháp giảm thiểu chi phí xây dựng, cung cấp các dịch vụ mạng trong nhiều trường hợp

Bên cạnh các ưu điểm thì truyền thông cộng tác sẽ tiêu tốn nhiều tài nguyên vô tuyến hơn so với truyền trực tiếp Tài nguyên vô tuyến trong trường hợp này là khe thời gian, băng tần, mã trải hay mã không gian thời gian Các tài nguyên này cần được chỉ định cho các lưu lượng chuyển tiếp Nếu không có sơ đồ phân bố năng lượng hợp lý thì đường truyền chuyển tiếp cộng tác sẽ gây ra nhiễu, làm giảm hiệu suất của hệ thống

Hệ thống truyền thông cộng tác đòi hỏi các yêu cầu cao hơn về điều khiển truy nhập, đồng bộ, lập lịch, cùng với các biện pháp bảo mật so với các hệ thống truyền thông truyền thống Ngoài ra phải xét đến những vấn đề truyền thông cộng tác có thể gây xuyên nhiễu đến đường truyền trực tiếp do tín hiệu cùng được sử dụng trên cùng băng tần

Truyền thông cộng tác thường bao gồm bước tiếp nhận và xử lý gói tin tại nút chuyển tiếp trước khi nó được truyền đi tiếp Khi xét tới những dịch vụ cần đáp ứng thời gian thực như truyền hình hội nghị, video, những dịch vụ truyền thông đa phương

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Việc lập lịch phức tạp: trong hệ thống truyền thông cộng tác, không chỉ có lưu lượng từ nút nguồn mà cả lưu lượng từ nút chuyển tiếp cũng cần phải được lập lịch

Vì thế, việc lập lịch sẽ trở nên phức tạp hơn và sẽ càng phức tạp hơn nếu như có nhiều người dùng và nhiều nút chuyển tiếp tham gia trong mạng.

MÔ HÌNH MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN

Mô hình hệ thống

Hình 3.1 trình bày mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức dạng nền, trong mạng này tín hiệu từ SS truyền đến đích thứ cấp là SD thông qua nút chuyển tiếp SR và sử dụng phổ tần số người dùng sơ cấp (PU) Mạng sơ cấp bao gồm N nút phát sơ cấp (PUtx) và M nút nhận sơ cấp (PUrx) Giả sử là tất cả các điểm phát (PU) sơ cấp đều tập trung gần một điểm trung tâm, tất cả các điểm nhận sơ cấp (PU) đều nằm gần một điểm trung tâm [25] và không có mối liên hệ trực tiếp giữa SS và SD do fading nặng, giao tiếp giữa SS và SD chỉ có thể thực hiện được thông qua nút chuyển tiếp SR [7]

Cả SS và SR chỉ sử dụng năng lượng thu được từ tín hiệu RF của các máy phát PU

Xét một hệ thống truyền thông có khả năng tích trữ và sạc lại năng lượng tại

SS và SR Tất cả năng lượng thu thập được trong khe thời gian thu thập năng lượng được sử dụng để truyền thông tin [7] Bộ lưu trữ sạc lại được có thể là một tụ siêu tụ hoặc pin dạng sạc nhanh / hiệu quả cao để hỗ trợ chuyển đổi giữa năng lượng thu thập và năng lượng để truyền thông tin Lưu ý rằng SN chia sẻ phổ với PN trong một mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, có nghĩa là người dùng thứ cấp có thể thực hiện truyền đồng thời miễn là sự can thiệp tại PU không vượt quá mức ngưỡng đỉnh được biểu diễn bằng PI Giả sử rằng năng lượng cần thiết để nhận / xử lý thông tin là không đáng kể so với năng lượng cần thiết để truyền thông tin [6]

Chương 3: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền

Hình 3 1: Mô hình thu thập năng lượng của hệ thống vô tuyến nhận thức dạng nền

Xét trường hợp giới hạn can nhiễu mà can nhiễu phần lớn ở SR và SD do bộ phát PU gây ra [10] Tất cả các kênh có hệ số suy hao kênh truyền là không đổi cho mỗi khối truyền dẫn nhưng thay đổi độc lập giữa các khối khác nhau

Trong hình 3.1 biểu thị hệ số fading từ SS và SR đến PUrx thứ i bằng g1,i và g2,i với i = 1; 2; … M Hệ số số fading từ SS tới SR và từ SR tới SD bởi h1 và h2 Hệ số số fading từ PUtx đến SS, SR, và SD, được thể hiện là f1,j, f2,j, và f3,j trong đó j = 1; 2; ; …, N Khoảng cách giữa PUtx đến SS, SR và SD là d1,j, d2,j, và d3;j Khoảng cách giữa SS và SR đến PUrx thứ i được biểu diễn bằng d4,i và d5,i tương tự khoảng cách giữa SS đến SR và SR đến SD được biểu thị tương ứng là d6 và d7 Độ lợi kênh giữa các đường truyền h 1 2 , h 2 2 , g 1,i 2 , g 2,i 2 , f 1, j 2 , f 2, j 2 , f 3, j 2 các thông số được biểu thị ngắn gọn như sau    1 , 2 , 1, i , 2, i , v 1, j , v 2, j trong đó  1  d 6  m với m là path-loss Giả sử độ lợi kênh truyền giữa nguồn phát PU đến SS và từ SR đến SD là đồng nhất.v 1, j v v 1 , 2, j v v 2 , 3, j v 3 với j = 1, 2, …, M Tương tự liên kết từ SS đến bên nhận PU cũng được giả sử như trên có độ lợi kênh đồng nhất  1, i   1 , 2, i  2 với i = 1, 2, N

Trong hình 3.2, năng lượng thu thập từ tín hiệu RF tại SS và SR trong khoảng thời gian αT đầu mỗi khe thời gian truyền dữ liệu thu thập năng lượng (EH-IT), trong

Chương 3: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền đó T là thời gian của một khe thời gian EH-IT với 0 < α