Embed Size (px)
Citation preview
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
NGUYỄN HỒNG GIANG
NGHIÊN CỨU MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC
DI ĐỘNG BĂNG RỘNG VỚI ĐIỀU KIỆN THÔNG TIN
TRẠNG THÁI KÊNH TRUYỀN KHÔNG HOÀN HẢO
Chuyên ngành : Khoa học máy tính
Mã số : 62.48.01.01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng, Năm 2018
Công trình được hoàn thành tại:
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN LÊ HÙNG
PGS.TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO
Phản biện 1. PGS. TS. NGUYỄN TUẤN ĐỨC
Phản biện 2: PGS. TS. HOÀNG MẠNH THẮNG
Phản biện 3: PGS. TS. NGUYỄN VĂN CƯỜNG
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Đà Nẵng họp tại:
Đại học Đà Nẵng
Vào hồi 14 giờ 00 ngày 4 tháng 11 năm 2017
* Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng
1
MỞ ĐẦU
1. Bối cảnh nghiên cứu
Ngày nay, công nghệ truyền thông không dây đã trở thành một phần
thiết yếu của cuộc sống hàng ngày ở hầu hết các quốc gia trên thế giới.
Các hệ thống truyền thông không dây phát triển rất nhanh nhằm đáp ứng
những yêu cầu, đòi hỏi ngày càng cao và khắt khe hơn của người dụng
như: sử dụng hiệu quả năng lượng và phổ tần; mở rộng phạm vi vùng
phủ; gia tăng tốc độ truyền dẫn; cải thiện phẩm chất tín hiệu; nâng cao
độ tin cậy và vững chắc các đường liên kết; giảm chi phí giá thành trong
thiết kế và triển khai mạng.
Tuy nhiên, tài nguyên phổ tần số vô tuyến ngày càng trở lên khan
hiếm và đã được phân bổ, cấp phép cho các dịch vụ khác nhau, việc chia
sẻ các dải phổ này là không được phép [1]1. Vô tuyến nhận thức
(Cognitive radio) cần sử dụng một chính sách phổ cởi mở hơn [5, 6].
Mạng vô tuyến nhận thức cho phép một người dùng không được cấp
phép sử dụng tần số, người dùng thứ cấp Secondary User (SU) có thể
truy nhập một hố phổ trống của một người dùng có phép sử dụng tần số,
người dùng sơ cấp Primary User (PU). Nhờ vào đó, hiệu suất sử dụng
phổ có thể được cải thiện đáng kể trong khi giảm được khoảng phổ
trắng [3-13].
Mặt khác, chất lượng của các hệ thống truyền thông không dây lại
phụ thuộc bởi môi trường kênh truyền. Trong đó, hiện tượng pha-đinh,
đặc biệt là hiện tượng pha-đinh đa đường gây ảnh hưởng nghiêm trọng
đến chất lượng hệ thống. Để khắc phục những vấn đề này, kỹ thuật phân
tập không gian truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input
Multiple-Output) đã được chứng minh là giải pháp mạnh mẽ, đầy tiềm
năng [12], [ 21-28]. Với ưu điểm đó, MIMO được chọn lựa làm nền
1 Số trích dẫn tài liệu tham khảo là số thứ tự trong Mục Tài liệu tham khảo của luận án.
2
tảng cho nhiều chuẩn vô tuyến như Wireless Local Area Network
(WLAN) IEEE 802.11, WiMAX IEEE 802.16, các chuẩn thông tin di
động 3G, 4G như 3GPP LTE (Long Term Evolution)/LTE Advanced,
3GPP2 UMB (Ultra Mobile Broadband). Chuẩn WLAN 802.11n đã
được phê chuẩn và thương mại hóa [30].
Bên cạnh đó, phương thức truyền dẫn truyền thông hợp tác 2 [18,
32- 38], đang là giải pháp khả thi cho các bài toán mở rộng vùng phủ,
nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cũng như tính bền vững của hệ
thống. Gần đây, sự kết hợp giữa kỹ thuật chuyển tiếp hợp tác và vô
tuyến nhận thức cho phép tạo nên các hệ thống truyền thông hợp tác
khác nhau và đây cũng đang là một xu thế nghiên cứu của các nhà khoa
học nhằm phát huy các lợi thế vốn có của các kỹ thuật này [9], [12],
[51-54]. Với những đặc tính ưu việt đã nêu, các hệ thống truyền thông
hợp tác đang là một trong những chủ đề "nóng", thu hút được sự quan
tâm của cộng đồng nghiên cứu trong và ngoài nước từ nhiều khía cạnh
khác nhau nhằm cải tiến cho hệ thống truyền thông hợp tác, chẳng hạn
như: kết hợp với mã không gian thời gian [55-58]; kết hợp với mã hóa
[59- 61]; lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất [9, 20, 62, 63]; mở rộng cho
nhiều nút dạng lặp lại, đa chặng [38, 64-66]; mở rộng cho kiểu điều chế
vi sai [27, 54]; đơn giản hóa phần cứng bằng cách sử dụng các bộ kết
hợp có độ phức tạp thấp [18, 19]; phân tích chất lượng hệ thống trong
các kênh truyền khác như Rice, Nakagami-m [17, 26, 67].
Qua việc khảo cứu ở trên, Nghiên cứu sinh nhận thấy: các nhóm
nghiên cứu về truyền thông hợp tác trong nước và thế giới đại đa số đều
giả định rằng thông tin trạng thái kênh truyền Channel State Information
(CSI) là hoàn hảo ở phía máy thu (máy đích) với mục đích dễ dàng cho
việc nghiên cứu và phân tích. Tuy nhiên trong thực tế, thông tin kênh
truyền mà máy đích có được (qua quá trình huấn luyện) thường có một
2 Trong luận án này, hệ thống truyền thông hợp tác là hệ thống có đường liên kết trực tiếp nguồn-đích.
3
độ trễ và độ sai khác nhất định với thông tin kênh truyền thực tế. Độ trễ
và độ sai khác này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hệ thống, hay nói
cụ thể hơn, ảnh hưởng đến kỹ thuật chuyển tiếp, kỹ thuật lựa chọn nút
chuyển tiếp và kỹ thuật kết hợp tại nút đích.
Do mô hình toán phức tạp, nên cho đến nay chỉ có một số rất ít
nghiên cứu tập trung nghiên cứu về hướng này, ví dụ như: [10, 73-77].
Tuy nhiên, đặc điểm chung của các nghiên cứu chỉ ra ở trên là chỉ giới
hạn ở mô hình kênh đơn giản và chưa đi sâu và chỉ khảo sát đơn lẽ ảnh
hưởng của độ trễ hoặc của độ sai lệch của thông tin kênh truyền và chưa
cung cấp một nhìn tổng quan cũng như phương pháp phân tích tổng quát
cho vấn đề này. Bên cạnh đó, chất lượng hệ thống và các thông số quyết
định chất lượng mạng vẫn là một câu hỏi chưa có câu trả lời. Xuất phát
từ tính chất thời sự và khả năng ứng dụng rộng rãi mạng truyền thông
hợp tác cùng với các vấn đề nghiên cứu mở đã chỉ ra ở trên, nghiên cứu
sinh quyết định lựa chọn và thực hiện đề tài "Nghiên cứu mạng truyền
thông hợp tác di động băng rộng với điều kiện thông tin trạng thái
kênh truyền không hoàn hảo".
Luận án định hướng giải quyết bài toán truyền thông hợp tác trong
môi trường vô tuyến nhận thức với điều kiện kênh truyền đường can
nhiễu không hoàn hảo nhằm nâng cao hiệu năng của mạng thứ cấp trong
khi vẫn đảm bảo mức can nhiễu cho mạng sơ cấp bằng cách sử dụng các
kỹ thuật tiên tiến ở lớp vật lý, cũng như đề xuất các phương pháp tối ưu
hệ thống.
2. Đóng góp của luận án
Một số đóng góp chính của luận án có thể được tóm tắt như sau.
1. Đề xuất mô hình và phân tích chất lượng hệ thống hợp tác MIMO
trong môi trường vô tuyến nhận thức. Mô hình gồm một máy thu
sơ cấp PU-Rx đơn ăng-ten. Mạng thứ cấp gồm một nút Nguồn,
một nút Chuyển tiếp, và một nút Đích. Tất cả máy thu và máy
4
phát mạng thứ cấp đều đa ăng-ten, với mô hình kênh truyền
Rayleigh, CSI của đường can nhiễu không lý tưởng.
2. Đề xuất mô hình và phân tích chất lượng hệ thống truyền thông
chuyển tiếp đa chặng với sự hiện diện nhiều máy thu sơ cấp đơn
ăng-ten thu.
3. Nghiên cứu, so sánh hiệu quả sử dụng kỹ thuật kết hợp tín hiệu
thu MRC và SC cho mô hình chuyển tiếp hợp tác trong môi
trường vô tuyến nhận thức với mô hình kênh truyền Rayleigh.
4. Đề xuất phân tích chất lượng mô hình hệ thống gồm một máy thu
sơ cấp PU-Rx đơn ăng-ten. Trong khi đó, mạng thứ cấp gồm nút
Nguồn, nút Chuyển tiếp, và nút Đích. Tất cả máy phát thứ cấp
đều đơn ăng-ten phát và đa ăng-ten thu, các máy thu thứ cấp sử
dụng kỹ thuật kết hợp tỉ số cực đại, sử dụng mô hình kênh truyền
pha-đinh Nakagami-m với điều kiện CSI của đường can nhiễu
không hoàn hảo.
5. Đề xuất phân tích mô hình truyền thông hợp tác trong môi trường
vô tuyến nhận thức có ràng buộc can nhiễu. Mạng sơ cấp gồm
máy phát sơ cấp PU-Tx có một ăng-ten phát và máy thu sơ cấp
PU-Rx nhiều ăngten thu. Trong mạng thứ cấp gồm một nút
Nguồn, nút một nút Chuyển tiếp và một nút Đích; các máy phát
của mạng thứ cấp có một ăng-ten trong khi đó máy thu thứ cấp
gồm nhiều ăng-ten và sử dụng kỹ thuật MRC.
6. Đề xuất phân tích mô hình lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng
truyền thông hợp tác với kênh truyền có phân bố pha-đinh
Rayleigh. Trong mô hình đề xuất, mạng sơ cấp có sự hiện diện
của một máy thu sơ cấp PU-Rx đơn ăng ten; mạng thứ cấp gồm
một nút Nguồn, N nút Chuyển tiếp đơn ăng-ten và một nút Đích
đa ăng-ten.
7. Đề xuất khảo sát phân tích chất lượng hệ thống truyền thông hợp
tác trong môi trường pha-đinh không đồng nhất. Trong mô hình
5
đề xuất, mạng sơ cấp có sự hiện diện của một máy thu sơ cấp
PU-Rx đơn ăng-ten; mạng thứ cấp gồm một nút Nguồn, N nút
Chuyển tiếp đơn ăng-ten
3. Bố cục luận án
Luận án gồm 150 trang, ngoài các phần: Mở đầu; Kết luận và
hướng phát triển; Danh mục công trình công bố; Tài liệu tham khảo và
Phụ lục, luận án chia thành 4 chương như trình bày tiếp theo.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC
1.1. Phân loại mạng không dây
1.2. Kênh truyền không dây
1.3. Đánh giá hiệu năng mạng
1.4. Các kỹ thuật phân tập và kết hợp tín hiệu
1.5. Mạng truyền thông hợp tác
1.6. Tóm tắt
CHƯƠNG 2: HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC
MIMO VÀ MẠNG CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC ĐA CHẶNG
2.1. Mạng truyền thông hợp tác MIMO
2.1.1. Nghiên cứu liên quan
Mô hình hệ thống
Mô hình đề xuất như Hình 2.1,
s r d, ,N N N là số ăng-ten của
nút Nguồn, nút Chuyển tiếp và
nút Đích tương ứng.
1 r s( )N NH , d2 r( )N NH ,
sp rp,f f là độ lợi kênh truyền.
6
2.1.2. Phân tích hiệu năng hệ thống
2.1.3.1. Xác suất bị can nhiễu của máy thu sơ cấp IP
2
2 2
1 11
2 2 ( 1) 4IP (2.12)
trong đó, là hệ số điều chỉnh công suất phát (back-off), là hệ
số tương quan giữa kênh ước lượng với kênh thực tế, phản ảnh mức độ
hoàn hảo của CSI, giá trị của nằm trong khoảng 0,1 .
2.1.3.2. Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp
Xác suất dừng (OP) là một thông số quan trọng để đánh giá chất
lượng hệ thống. Nó cho ta biết chất lượng của hệ thống mà không cần
biết hệ thống sử dụng kiểu điều chế nào. Chỉ cần so sánh SNR của hệ
thống ( 2e e ) với một giá trị ngưỡng ( th ) xác định sao cho 2 the e
thì xác suất tín hiệu được giải điều chế đúng là gần 100%.
2 1 2 1 2OP ( ) ( ) ( ) ( ) ( ),
e eF F F F F (2.14)
với
s
1
1r
1
sth
0111
th 1 1
10 0 1 1 1
1( ) ( 1)
1 ! .
!
i ii
i
Nn
n
a aaNi ht
ii a
NF
n
a n
a i
Tiếp theo, 2 th( )F rút ra từ
1 th( )F bằng cách thay thế 1 2,
1 2, r d,N N s rN N và r
r
1
01
, , 0.N
i Ni
a a n a
7
2.1.3. Kết quả mô phỏng
Hình 2.2 và Hình 2.3 cho thấy, kết quả khảo sát lý thuyết và kết
quả mô phỏng khớp nhau. Hình 2.2 cho thấy xác suất dừng của hệ thống
thứ cấp sẽ giảm khi ngưỡng nhiễu cho phép của máy thu sơ cấp Q tăng
hoặc số lượng ăng-ten s r d, ,N N N tăng. Hình 2.3 chỉ ra mối quan hệ
giữa IP và OP, khi IP tăng thì OP giảm và s r d, ,N N N tăng sẽ cải thiện
chất lượng hệ thống thứ cấp làm giảm OP nếu giữ nguyên giá trị IP .
2.2. Mạng chuyển tiếp hợp tác đa chặng
2.2.1. Nghiên cứu liên quan
2.2.2. Mô hình hệ thống
Mô hình đề xuất như Hình 2.4. Hệ số kênh truyền của chặng thứ k
trong mạng thứ cấp là kh .
8
Hệ số kênh truyền
thực và ước lượng
của đường can nhiễu
là kig và k̂ig với
1,...,k K ,
1,...,i N .
2.2.3. Xác suất dừng hệ thống
11
1 0 th p
1OP 1 ( 1)
(1 )
NKi kt
k i k kt
N N
i i (2.31)
2.2.4. Xác suất dừng của hệ thống ở miền SNR cao
1p th
21 0
1 ( 1)OP 1 1
(1 )
iNKk
k ikt
N N
i i (2.34)
2.2.5. Tỉ lệ lỗi bit (BER)
1
1BER 1 1 2BER ,
2
K
kk
(2.35)
với BERk là tỉ lệ lỗi bit của chặng thứ k , đối với kênh Rayleigh
fading thì BERk tính được như sau:
2log 1
1 0 0
1 1 1BER 1 ( 1) , ; .
(1 ) 2 2
jvM Nj i
k n k kj n i
N Ni i
(2.43)
9
2.2.6. Kết quả mô phỏng
Hình 2.5 tới Hình 2.8 cho thấy, hiệu năng của hệ thống (OP, BER) được
cải thiện rõ rệt khi 1, số lượng máy thu sơ cấp N và số chặng K
giảm. Kết quả tính theo công thức và theo mô phỏng là trùng khớp nhau.
2.3. Tóm tắt
CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG KỸ THUẬT KẾT HỢP TÍN HIỆU THU
NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC
3.1. So sánh kỹ thuật kết hợp tín hiệu thu MRC và SC
3.1.1. Giới thiệu
3.1.2. Mô hình hệ thống
10
Mô hình đề xuất như Hình
3.1, độ lợi kênh truyền
21| |jh , 2
2| |lh , 21̂| |ig , 2
2̂| |ig ,
21| |ig và 2
2| |ig là các biến
ngẫu nhiên phân bố mũ với
các tham số 1j , 2l , 1ˆi , 2
ˆi ,
1i và 2i , tương ứng.
3.1.3. Xác suất dừng hệ thống
sr rdth thOP 1 1 1 ,F F (3.5)
3.1.3.1. Trường hợp sử dụng kỹ thuật kết hợp tỉ lệ cực đại (MRC)
sr1
1
0
th
sr sp
sp th sr sp th
sr sp th sp sr
1( 1)
( ) 1
( 1), exp
( 1)
,( 1)
Mi
i
N
M
i MF
N i
i QNP P
Q iN
Q i P
th
sr
sp
,
1 exp .( )
M NP
N
(3.10)
11
rd1
1
0
th
rd rp
rp th rd rp th
rd rp th rp rd
1( 1)
( ) 1
( 1), exp
( 1)
,( 1)
Mi
i
L
M
i MF
L i
i QLP P
Q iL
Q i P
th
rd
rp
,
1 exp( )
M LP
L
(3.19)
3.1.3.2. Trường hợp sử dụng kỹ thuật kết hợp chọn lọc (SC)
sr2
thth
sp sr
11 sr
0 0 sp thsr
th
sr
( ) 1 exp 1 exp
1 ( 1)
( 1)
( 1 exp
M N
N Mn m
n m
FP
N M M
n mn m
Q
n m
P sp
)
(3.23)
12
rd2
thth
rd
1rd
0 0 thrd
th
rd
( ) 1 exp 1 exp
1 ( 1)
( 1)
( 1 exp
M L
rp
L Ml i
l i rp
FP
L M M
l il i
Q
l i
P
)
rp
(3.28)
3.1.4. Kết quả mô phỏng
Hình 3.2, 3.3, 3.4 cho thấy khi
dùng kỹ thuật MRC phẩm chất của
mạng tốt hơn so với SC. Tăng số
lượng ăng-ten hoặc tăng 1
dẫn đến hiệu năng mạng tăng (OP
giảm). Kết quả mô phỏng cho thấy
công thức tính OP trong (3.5) đã
được kiểm chứng chính xác.
3.2. Hiệu năng mạng truyền thông hợp tác với kênh truyền
13
pha-đinh Nakagami-m
3.2.1. Giới thiệu
3.2.2. Mô hình hệ thống
Mô hình đề xuất như Hình
3.5. Gọi sph và rph là hệ số
kênh truyền từ s p , và từ
r p . Hệ số kênh truyền từ
s r và sih với 1, ,i N
và rjh với 1, ,j M .
3.2.3. Khảo sát chất lượng hệ thống
3.2.3.1. Xác suất máy thu sơ cấp bị can nhiễu do máy phát thứ cấp
2 2 2sp sp rp
2 2 2sp sp rp
| | | | | |Pr Pr | Pr ,
ˆ ˆ ˆ| | | | | |I
h h hP z z z
h h h (3.34)
ở đây 1/z , các phần tính xác suất trong (3.34) có cùng dạng
2
2p
p|
ˆ| |( ) Pr 1
|
hz
h. Để tính công thức (3.34), ( )z được tính
0
2 1
(2 2 ) (1 )( )
( ) ( ) ! ( ) (1 )(1 )
11,2( );1 , ;
1
j mmj
j
j m zz
m m j j m j z z
F j m j mz
(3.37)
14
3.2.3.2. Xác suất dừng hệ thống thứ cấp
1 2
3 4
3 4
1 13 4
0 03 4 1 2
th
th th1 2
1OP 1
( ) ( ) ! !
.1 1
Nm Mm
m mk l
k l
k m l m
k m l m
m m k l
(3.56)
ở đây, 3 11
1 3
m
m và 4 2
22 4
.m
m
3.2.3.3. Dung lượng Ergodic mạng thứ cấp
1 2
3 41 1
3 4 1 2
0 0
2 3 4 1 2
1
2 ln(2) ( ) ( )
( 1)
! ! ( 1, , ; 1; , , 0).
Nm Mm k l
k l
Cm m
k l k m l m
k lk l k m l m k l
(3.69)
3.2.3.4. Tỉ lệ lỗi symbol mạng thứ cấp
15
1 2
3 4
3
4
3 4
1 1 3 4
0 01 2
1
21
1 1
1
22
1 2
2 2 ( ) ( )
1
2
! !
1 3 , ;
2 2
1 3
2
;
,2
e
Nm Mm
m mk l
k mi k l
ii
l mj k l
jj
a a bP
m m
k m l m k l
k l
bk l k l i
bk l k l j .
(3.77)
3.2.4. Kết quả mô phỏng
Tham số mô phỏng được chọn 1 2 31, 1, 1, và 4 1;
chọn th 3 dB.
16
Hình 3.6 tới Hình 3.9 đã khảo sát chất lượng của hệ thống với mô
hình kênh truyền Nakagami-m thông qua các tham số hệ thống như xác
suất bị can nhiễu IP , xác suất dừng OP, dung lượng hệ thống, SER theo
, Q , số lượng ăng-ten. Kết quả mô phỏng các công thức tính toán IP ,
OP, C , SER đã được xác minh phù hợp với kết quả mô phỏng.
3.3. Hiệu năng hệ thống truyền thông hợp tác trong môi trường vô
tuyến nhận thức có ràng buộc can nhiễu
3.3.1. Các nghiên cứu liên quan
3.3.2. Mô hình hệ thống
Mô hình đề xuất như Hình
3.10. 21| |jf ,
22| | ,lf
21̂| | ,ig
21| |ig ,
22̂| |ig ,
22| |ig , 2
1| |jh ,
22| |lh là độ lợi kênh truyền với
tham số là 1j , 2l , 1ˆi , 1i , 2
ˆi ,
2i , 1j , 2l .
3.3.3. Xác suất đứt chặng của mạng thứ cấp
17
sr rdth thOP 1 1 1 ,F F (3.83)
sr
11 1
th 1th
0 0 01 1 1( )
th
1 1 1 11
1( ) 1 ( 1)
1 !
( 1) 1 1 exp
( )( )!
k k mmM N k
i
i k mN k
N
MMF
i i m
i
N k m
1
1,2 1 th 12,1
1 th 1 1( )
1th th
0 2 1 2 1 11
1 ,
0( 1)( )
( ) ( 1)! 1
!( )
j N jN
Y
Nj
N k m kG
i
F N j
jN
rd
11 1
th 2th
0 0 02 2 1( )
th
2 2 1 22
1( ) 1 ( 1)
1 !
( 1) 1 1 exp
( )( )!
k k mmM L k
i
i k mL k
L
MMF
i i m
i
L k m
2
1,2 2 th 22,1
2 th 2 1( )
1th th
0 2 2 2 2 22
1 ,
0( 1)( )
( ) ( 1)! 1 .
!( )
j L jL
Y
Lj
L k m kG
i
F L j
jL
3.3.4. Kết quả mô phỏng
18
Ngữ cảnh tham số mô phỏng.
th 3 dB, 1 2 dB, 2 3
dB, 1 2 dB, 2 3 dB, 1 4
dB, 2 5 dB.
Hình 3.11 tới Hình 3.14 đã khảo sát
chất lượng của hệ thống thông qua
các tham số xác suất dừng OP.
3.4. Tóm tắt
CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG
TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC
4.1. Lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng truyền thông hợp tác
19
với mô hình kênh Rayleigh
4.1.1. Giới thiệu
4.1.2. Mô hình hệ thống
Mô hình như Hình
4.1, mạng sơ cấp có hiện
diện một máy thu sơ cấp
PU-Rx; mạng thứ cấp
gồm một nút Nguồn s và
N nút Chuyển tiếp
1r , , rN , một nút Đích
gồm M ăng-ten.
4.1.3. Xác suất bị can nhiễu của máy thu sơ cấp gây ra bởi máy phát
trong mạng thứ cấp
2
2 2
1 11 .
2 2 ( 1) 4IP (4.13)
với hệ số điều khiển công suất phát, là hệ số tương quan giữa kênh
ước lượng với kênh thực tế.
4.1.4. Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp
th
0th th
th
0 th th
1OP ( 1)
1
1 ( 1)
1
MN
k
k kM
Nk
k k
N
k
N
k
(4.27)
20
với sprd
rp sr
, kkQ
Q
4.1.5. Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp ở miền SNR cao
th 1
1OP ! ,N
MN (4.33)
với min( , )M N và sp
1sr
.
4.1.6. Tỷ lệ lỗi symbol (Symbol Error Rate - SER)
0
2
1 1 3, ;
2 2 22
( 1)2
1
2 1 1 , ;
2 2
1( ) 1 3 12 ( ,1, ; ; , , )
2 2
e
Nk
k
kk
kM
a bP M M b
Na bk
b
MM M M b
(4.39)
4.1.7. Dung lượng Shannon
21
1
1
2
0
2
ln1( 1)
2 ln(2) 1
( 1) 1 ( 1,1, ; 2;1, , 0)
2 ln(2)
( 1) ( 1)
2 ln(2)1
( 1,1, ; 1; , , 0),
Nkk
k k
M
Nk
Mk
k
NC
k
MM M M
NMk
M M M
(4.46)
4.1.8. Mô phỏng và đánh giá kết quả
Hình 4.2 đến Hình 4.5 đã chỉ ra xác suất đứt chặng OP, tỷ lệ lỗi symbol,
dung lượng Shannon theo theo Q và Xác suất can nhiễu tới máy thu sơ
cấp IP theo . Kết quả mô phỏng đã kiểm chứng được công thức toán
học đã được xây dựng ở phần phân thích hệ thống.
4.2. Hiệu năng hệ thống truyền thông hợp tác trong môi trường
22
pha-đinh không đồng nhất
4.2.1. Giới thiệu
4.2.2. Mô hình hệ thống
Mô hình như Hình 4.10,
đường can nhiễu từ nút Nguồn và
nút Chuyển tiếp tới máy thu sơ cấp
PU-Rx có mô hình kênh Rayleigh.
Kênh Rician cho đường truyền
giữa các nút trong mạng thứ cấp.
4.2.3. Xác suất dừng hệ thống
sr rdth thOP 1 1 1 ,F F (4.53)
trong đó,
1
21
0
ˆ( ) ( 1) 1, 0, , ,2
Nn
thn
NF n
n (4.63)
2
2 2 2 2
2 2 2 2 2 2
ˆ(1 )( ) exp .
ˆ ˆ(1 ) (1 )
M
thth
th th
K MKF
K K
(4.71)
4.2.4. Kết quả mô phỏng
23
Kết quả mô phỏng, công thức tính
OP ở (4.53) đã được kiểm chứng,
các tham số hệ thống ảnh hưởng tới
chất lượng mạng (OP) được chỉ ra
trong các Hình 4.11, 4.12, 4.13.
4.3. Tóm tắt
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN
Luận án này đã nghiên cứu chi tiết về các hệ thống truyền thông
hợp tác di động băng rộng với điều kiện thông tin trạng thái kênh truyền
không hoàn hảo. Luận án có ý nghĩa khoa học cao vì đã đề xuất thành
công phương pháp tính toán chất lượng hệ thống truyền thông hợp tác
trong môi trường vô tuyến nhận thức cho các mô hình phức tạp như:
hợp tác MIMO, đa chặng; hệ thống sử dụng kỹ thuật kết hợp tín hiệu ở
nút đích với nhiều ăng-ten thu; hệ thống truyền thông hợp tác sử dụng
kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp với các mô hình pha-đinh khác nhau.
Kết quả tính toán lý thuyết đưa ra các công thức toán học để đánh giá
chất lượng hệ thống hoàn toàn trùng khớp với kết quả mô phỏng, cho
phép khảo sát hệ thống mà không cần tốn thời gian mô phỏng.
A. Một số kết quả đạt được của luận án
24
1. Luận án đã đề xuất mô hình hệ thống truyền thông hợp tác trong
môi trường vô tuyến nhận thức với điều kiện thông tin trạng thái
kênh truyền (CSI) không hoàn hảo. Tác giả đã thành lập được biểu
thức toán học dạng đơn giản để tính xác suất bị can nhiễu, xác suất
dừng hệ thống, tỉ lệ lỗi symbol trung bình - SER, các kết quả phân
tích được kiểm chứng bằng cách mô phỏng hệ thống bằng phần
mềm Matlab. Các kết quả mô phỏng phù hợp với các kết quả phân
tích, tính toán.
2. Luận án đã đề xuất sử dụng kỹ thuật điều khiển công suất phát và
phân tập thu ở mạng thứ cấp nhằm giảm can nhiễu cho máy thu sơ
cấp và nâng cao hiệu suất mạng thứ cấp. Điều đó đã được đưa ra
trong các kết quả phân tích thông qua các tham số. Hệ thống sử
dụng kỹ thuật đa ăng-ten phát và đa ăng-ten thu, hệ thống chuyển
tiếp đa chặng cũng đã được khảo sát trong luận án.
3. Luận án đã phân tích các hệ thống truyền thông hợp tác trên các
phân bố pha-đinh khác nhau như Rayleigh, Nakagami-m, Rice.
4. Mở rộng theo hướng đa anten như trong mô hình hệ thống MIMO
để cải thiện thêm nữa chất lượng hệ thống thứ cấp.
5. Hệ thống có thể mở rộng theo mô hình đa chặng để mở rộng phạm
vi phủ sóng của hệ thống.
B. Hướng phát triển của luận án
Một số hướng cần tiếp tục được đề xuất và nghiên cứu trong tương
lai, chẳng hạn:
1. Khảo sát hệ thống với giao thức khuếch đại chuyển tiếp (AF)
2. Mở rộng khảo sát với điều kiện CSI của tất cả các đường truyền
không hoàn hảo thay vì mới nghiên cứu ảnh hưởng CSI không
hoàn hảo ở đường can nhiễu.
3. Đề xuất sử dụng các kỹ thuật mã mạng vào cải thiện hiệu suất của
mạng.
4. Nghiên cứu tối ưu năng lượng cho nút chuyển tiếp.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
[1] Nguyen Hong Giang, Vo Nguyen Quoc Bao, Hung Nguyen Le. "Cognitive
underlay communications with imperfect CSI: Network design and
performance analysis." Advanced Technologies for Communications (ATC),
2013 International Conference on. IEEE, 2013.
[2] Nguyen Hong Giang, Vo Nguyen Quoc Bao, and Hung Nguyen-Le.
"Receive diversity in cognitive relay transmission: Outage analysis."
Communications and Electronics (ICCE), 2014 IEEE Fifth International
Conference on. IEEE, 2014.
[3] Nguyen Hong Giang, Vo Nguyen Quoe Bao, and Hung Nguyen-Le. "The
effect of interfering links on cognitive dual-hop networks: Imperfect CSI
analysis." Advanced Technologies for Communications (ATC), 2014
International Conference on. IEEE, 2014.
[4] Nguyễn Hồng Giang, Nguyễn Lê Hùng, Võ Nguyễn Quốc Bảo. "Đánh giá
chất lượng mạng hợp tác MIMO trong môi trường vô tuyến nhận ức với
kênh truyền đường can nhiễu không lý tưởng." Hội thảo quốc gia 2014 về
Điện tử, Truyền thông và Công nghệ thông tin, 2014.
[5] Vien Nguyen-Duy-Nhat, Hung Nguyen-Le, Chien Tang-Tan, Tran Thi
Huong, Bui Thi Minh Tu, and Nguyen Hong Giang. "Two-Way Relay
Networks with SDMA: Precoding Design and Power Allocation." The first
NAFOSTED Conference on Information and Computer Science 2014
(NICS’14), trang 127-135, Năm 2014.
[6] Nguyễn Hồng Giang, Nguyễn Lê Hùng, Võ Nguyễn Quốc Bảo. "Effect of
CSI Imperfection on Cognitive Underlay Transmission over Nakagamim
Fading Channel." Issue on information and communications technology,
Journal of Science and Technology The University of Danang (ISSN 1859-
1531), Volume 1, Number 1, August 2015.
[7] Nguyen Hong Giang, Vo Nguyen Quoc Bao, and Hung Nguyen-Le.
"Cognitive Multi-Relay Transmission over Asymmetric Fading Channels
with Imperfect CSI." Issue on ICT, Journal of Science and Technology The
University of Danang (ISSN 1859-1531), Volume 3, Number 1, March
2017.
