(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá hiệu năng của mạng liên lạc hợp tác giữa các xe với lựa chọn chuyển tiếp tối ưu

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 5 năm 2018
Học viên

Văn Hoàng Phƣơng

iii


LỜI CẢM ƠN
Luận văn đã hoàn thành đúng thời gian quy định và đạt được kết quả như
mong đợi. Để đạt được kết quả này, trƣớ c hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến thầy hướng dẫn, thầy Phạm Ngọc Sơn đã tận tình giúp đỡ tơi trong q
trình nghiên cứu và hồn thành đề tài.
Kế tiếp, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tác giả của một số bài báo khoa
học, các học viên, nghiên cứu sinh đang học tập trong và ngoài nƣớc đã tận tình
cung cấp tài liệu, giải thích và trao đổi các vấn đề liên quan đến đề tài.
Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn học viên đã giúp đỡ,
góp ý cho tơi trong q trình nghiên cứu.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 5 năm 2018
Học viên

Văn Hoàng Phƣơng

iv


ABSTRACT

The vehicle communication system is the solution for building intelligent
transportation systems in the future. This essay researchs on inter-vehicle
communication based on cognitive radio networks with best relay section (RS)
methods in the double Rayleigh fading conditions. Relays are used decode-andforward relaying protocol and are selected according to a pre-determined policy to
enable communication between vehicles. Operation of coginitive cooperative
system is invesstigated for two fading scenarios: partial and full relay selection.
Each fading scenario is considered in two models:
i) all channels are double-Rayleigh distributed fadings;
ii) only the secondary source to secondary relays and secondary relays to
destination channels are modeled as double-Rayleigh distributions while channels
between the secondary transmitters and the primary user are modeled by the
Rayleigh distribution.
This essay considers exact and approximate expressions for the outage
probability performance. Then, using Monte Carlo simulations to check the
presented expressions. The perfect matching between analysis and simulation
results has confirmed the accuracy of the investigated mathematical expressions.
Key words – Cognitive Cooperative, Double Rayleigh, best relay section.

v


TĨM TẮT
Hệ thống truyền thơng liên lạc giữa các xe là một giải pháp để xây dựng hệ
thống giao thông thông minh trong tƣơng lai. Trong luận văn này, nghiên cứu hệ
thống truyền thông liên xe dựa trên truyền thông của mạng vô tuyến nhận thức với
sự lựa chọn chuyển tiếp (RS) tối ƣu trong môi trƣờng fading Double Rayleigh. Các
nút chuyển tiếp sử dụng giao thức chuyển tiếp giải mã và chuyển tiếp và các nút
đƣợc chọn theo một mơ hình đƣợc xác định trƣớc để cho phép giao tiếp giữa các
phƣơng tiện. Hoạt động của hệ thống nhận thức hợp tác đƣợc nghiên cứu để lựa
chọn chuyển tiếp một phần và toàn bộ với lựa chọn RS tốt nhất thứ K tốt nhất (RS)

cho cả hai mơ hình:
i) Tất cả các kênh đƣợc phân bố theo dạng Rayleigh đơi.
ii) Chỉ có nguồn thứ cấp để chuyển tiếp và chuyển tiếp đến các kênh đích phân
bố theo dạng Double Rayleigh, các kênh giữa các thiết bị phát thứ cấp và ngƣời sử
dụng chính đƣợc mơ phỏng bởi sự phân bố Rayleigh.
Luận văn sẽ nghiên cứu trình bày các biểu thức chính xác và gần đúng của hiệu
suất xác suất bị gián đoạn cho tất cả các mơ hình RS đƣợc nghiên cứu và hai mơ
đƣợc trình bày. Ngồi các kết quả phân tích, các kết quả đánh giá hiệu suất đƣợc
bằng phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo. Kết hợp hồn hảo giữa hai kết quả này
đã xác minh tính chính xác của phân tích tốn học đề xuất.
Từ khóa – nhận thức hợp tác, Double Rayleigh, lựa chọn chuyển tiếp tốt nhất

vi


MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
ABSTRACT ............................................................................................................... v
TÓM TẮT ................................................................................................................. vi
MỤC LỤC ................................................................................................................ vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................... x
DANH SÁCH BẢNG BIỂU .................................................................................... xii
Chƣơng 1 .................................................................................................................... 1
TỔNG QUAN ............................................................................................................ 1
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................. 1

1.2.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ...................................................................... 2

1.3.

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI .......................................................................... 3

1.4.

NHIỆM VỤ VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .............................................. 3

1.4.1.

Nhiệm vụ của đề tài .............................................................................. 3

1.4.2.

Phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 4

1.5.

ĐĨNG GĨP CHÍNH CỦA LUẬN VĂN ................................................... 4

1.6.

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................... 4

1.7.

BỐ CỤC ĐỀ TÀI ........................................................................................ 4

Chƣơng 2 .................................................................................................................... 6
CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................................. 6
2.1.

MẠNG DI ĐỘNG TÙY BIẾN XE CỘ ...................................................... 6

2.1.1.

Khái niệm mạng di động tùy biến xe cộ (VANETs) ............................ 6

2.1.2.

Kiến trúc và mô hình của VANET ....................................................... 6

2.2.

MẠNG V TUYẾN NHẬN THỨC .......................................................... 8

2.2.1.

Lý do ra đời của mạng vô tuyến nhận thức .......................................... 8

vii


2.2.2.

Khái niệm vô tuyến nhận thức ............................................................. 9

2.2.3.

Chức năng của mạng vơ tuyến nhận thức ............................................ 9

2.2.4.

Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức ..................................................... 11

2.2.5.

Cấu trúc của mạng vô tuyến nhận thức .............................................. 16

2.3.

TRUYỀN TH NG H P TÁC.................................................................. 16

2.3.1.

Mô hình truyền thơng hợp tác 1 chặng ............................................... 16

2.3.2.

Mơ hình truyền thông hợp tác 2 chặng ............................................... 17

2.3.3. Kỹ thuật xử lý tín hiệu tại các nút chuyển tiếp trong truyền thông hợp
tác 18
2.4.

KÊNH TRUYỀN V TUYẾN ................................................................. 18

2.4.1.

Kênh truyền theo phân bố Rayleigh ................................................... 19

2.4.2.

Kênh truyền Double Rayleigh ............................................................ 19

Chƣơng 3 .................................................................................................................. 20
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG LIÊN LẠC H P TÁC GI A CÁC XE VỚI
L A CHỌN TRẠM CHUYỂN TIẾP TỐI ƢU ....................................................... 20
3.1.

M HÌNH MẠNG LIÊN LẠC H P TÁC GI A CÁC XE .................... 20

3.1.1.

Mô hình hệ thống ............................................................................... 20

3.1.2.

Mơ hình kênh truyền .......................................................................... 23

3.2.

PH N TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG ........................... 24

3.2.1.

Định ngh a xác suất dừng ................................................................... 24

3.2.2.

Phƣơng pháp phân tích xác suất dừng ................................................ 25

3.3. M PHỎNG XÁC SUẤT DỪNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP MONTE
CARLO ................................................................................................................ 25
3.3.1.

Trƣờng hợp lựa chọn chuyển tiếp một phần (pRS) ............................ 25

3.3.2.

Trƣờng hợp lựa chọn chuyển tiếp toàn phần (fRS) ............................ 26

3.4.

M PHỎNG XÁC SUẤT DỪNG BẰNG PH N TÍCH LÝ THUYẾT .. 26

3.4.1.

Trƣờng hợp chuyển tiếp một phần (pRS) ........................................... 26

3.4.2.

Trƣờng hợp lựa chọn chuyển tiếp toàn phần (fRS) ............................ 30

Chƣơng 4 .................................................................................................................. 32

KẾT QUẢ M PHỎNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG ................................. 32

viii


4.1. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG TRONG CÁC TRƢỜNG H P
ĐÃ ĐỀ XUẤT ..................................................................................................... 35
4.2. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA SỐ LƢ NG NÚT CHUYỂN TIẾP
ĐỐI VỚI HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG. ....................................................... 36
4.3. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁCH L A CHỌN CHUYỂN TIẾP
(VỊ TRÍ THỨ K) VÀ VỊ TRÍ CỦA NÚT SƠ CẤP P ĐỐI VỚI HIỆU NĂNG
CỦA MẠNG ........................................................................................................ 38
Chƣơng 5 .................................................................................................................. 41
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................................................. 41
5.1.

KẾT LUẬN ............................................................................................... 41

5.2.

HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................................................. 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 43

ix


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1 – Mơ hình mạng VANETs .......................................................................... 7
Hình 2.2 - Minh họa hố phổ........................................................................................ 8

Hình 2.3 – Chu kỳ cảm nhận phổ tần ....................................................................... 11
Hình 2.4 – Mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng nền ................................................... 13
Hình 2.5 – Mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng đan xen ............................................ 15
Hình 2.6 - Mơ hình truyền thơng hợp tác 1 chặng ................................................... 17
Hình 2.7 - Mơ hình truyền thơng hợp tác 2 chặng ................................................... 17
Hình 3.1 – Hệ thống mạng liên xe nhận thức hợp tác .............................................. 22
Hình 4.1 – Lƣu đồ mơ phỏng xác suất dừng dùng Monte – Carlo trƣờng hợp chuyển
tiếp bán phần ............................................................................................................. 34
Hình 4.2 – Lƣu đồ mơ phỏng xác suất dừng dùng Monte – Carlo trƣờng hợp chuyển
tiếp bán phần ............................................................................................................. 35
Hình 4.3 - Xác suất dừng theo Q (dB) cho cả hai trƣờng hợp lựa chọn chuyển tiếp
trong cả hai mơ hình khi xP  0.5 , yP  0.5 ,  th  1 , M  3 , K  1 ...................... 36
Hình 4.4 - Xác suất dừng theo Q (dB) cho trƣờng hợp lựa chọn chuyển tiếp tồn
phần của mơ hình 1 khi xP  0.5 , yP  0.5 ,  th  1 , K  1 và các giá trị khác nhau
của M ........................................................................................................................ 38
Hình 4.5 - Xác suất dừng theo M cho trƣờng hợp lựa chọn chuyển tiếp tốt nhất pRS
của mơ hình 1 khi Q = 10 dB, K=1, xP  0.5 , yP  0.5 xR  0.5 và các giá trị khác
nhau của  th .............................................................................................................. 39
Hình 4.6 – Xác suất dừng theo Q của mơ hình 2 trong 2 trƣờng hợp lựa chọn
chuyển tiếp một phần và toàn phần khi xP  0.5 , yP  0.5 , xR  0.55 ,  th  1 ,

M  3 và K  1 và K  2 ...................................................................................... 40

x


Hình 4.7 – Xác suất dừng theo Q của mơ hình 2 trong 2 trƣờng hợp lựa chọn
chuyển tiếp một phần và toàn phần khi, xR  0.6 ,  th  0.5 , M  5 , K  3 và các
giá trị khác nhau của nút P ....................................................................................... 41

xi


DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 – So sánh 3 mô hình vơ tuyến nhận thức .................................................. 15

xii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Mạng di động tùy biến xe

VANETs

Vehicular ad hoc networks

CCRN

Coginitive Cooperative Radio Network

Mạng vô tuyến hợp tác

CR

Coginitive Radio

Vô tuyến nhận thức

AF

Amplify-and-forward

DF

decode-and-forward

Giải mã và chuyển tiếp

OP

outage probability

Xác suất dừng

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

CDF

Cumulative distribution function

Hàm phân phối tích lũy

PDF

Probability density function

Hàm mật độ xác suất

pRS

Partial relay selection

fRS

Full relay seclection

cộ

Khuếch đại và chuyển
tiếp

Lựa chọn chuyển tiếp
một phần
Lựa chọn chuyển tiếp
toàn phần

xiii


Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1.

ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong những năm gần đây, mạng di động tùy biến xe cộ (VANETs) đƣợc các
nhà nghiên cứu nhƣ là giải pháp để xây dựng hệ thống giao thông minh trong thời
đại cách mạng công nghiệp lần thứ 4 [1]. VANETs [1] là một hệ thống liên lạc giữa
các xe bằng cách trang bị một thiết bị thu/phát tín hiệu cho các xe khi tham gia giao
thơng. Các xe trong mạng sẽ trao đổi thông tin với các xe lân cận hoặc trạm truyền
tin trong hệ thống. Q trình truyền thơng tin liên lạc giữa các xe là thành phần quan
trọng để xây dựng hệ thống giao thông thông minh [2]. Tuy nhiên, hiện nay cấu trúc
cơ sở hạ tầng cho mạng VANETs rất ít, do đó, các nhà nghiên cứu lựa chọn công
nghệ vô tuyến nhận thức (CR) làm giải pháp lý tƣởng cho lớp vật lý [3] cho
VANETs.
CR cho phép các hệ thống vô tuyến mới có thể truy cập động (dynamically
access) hoặc sử dụng chung khoảng tần số đã đƣợc cấp phép nhƣng hoạt động của
hệ thống vô tuyến mới này không đƣợc gây ảnh hƣởng đến hoạt động của hệ thống
vô tuyến của ngƣời dùng đã đăng ký [3]. Hơn nữa, kết hợp giữa CR và chuyển tiếp
hợp tác tạo nên mạng nhận thức hợp tác (CCRN) - giải pháp hữu hiệu để tận dụng
tối ƣu hơn phổ tần vô tuyến [4]. CCRN có ba mơ hình cơ bản: dạng nền (underlay),
dạng chồng lặp (overlay), dạng đan xen (interweave) [5] và phƣơng thức truyền
thông hợp tác tại nút chuyển tiếp đƣợc xử lý bằng cách khuếch đại và chuyển tiếp
(AF) hoặc giải mã và chuyển tiếp (DF) [6]. Do đó, khi nghiên cứu về hiệu năng của
mạng CCRN nói chung hay hiệu năng truyền thơng của mạng VANETs nói chung,
chúng ta cần phải nghiên cứu lựa chọn một mơ hình CCRN cũng nhƣ kỹ thuật xử lý
tại nút chuyển tiếp phù hợp để hiệu năng mạng đạt tối ƣu nhất. Ngoài ra, khi đánh
giá hiệu năng mạng VANETs nói riêng hay mạng vơ tuyến nói chung, chúng ta cũng

1


cần phải nghiên cứu lựa chọn đƣợc mơ hình kênh truyền fading phù hợp vì mỗi loại
kênh truyền fading đặc trƣng cho một mơ hình thực tế khác nhau. Bên cạnh đó, vấn
đề lựa chọn đƣợc nút chuyển tiếp tối ƣu nhƣng vẫn đảm bảo chất lƣợng dịch vụ của

mạng cũng cần phải đƣợc nghiên cứu.
1.2.

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu về hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức nói chung hay mạng liên
lạc tùy biến xe cộ nói riêng, các nhà nghiên cứu thƣờng đánh giá hiệu năng mạng
thông qua sự xem xét ảnh hƣởng của kênh truyền vô tuyến [6], [7], giao thức truyền
thông chuyển tiếp [7], [8] cũng nhƣ phƣơng án lựa chọn chuyển tiếp tối ƣu [7], [9],
[10].
Chẳng hạn nhƣ [6] nghiên cứu đánh giá đƣợc hiệu năng của mạng vơ tuyến
sử dụng mơ hình kênh truyền Nakagami-m hay [7] nghiên cứu đƣợc đánh giá hiệu
năng mạng theo kênh truyền Rayleigh. Tuy nhiên, theo [11] mơ hình kênh truyền
Nakagami-m, Rayleigh cũng nhƣ các kênh truyền khác nhƣ Rice, Well-bull chỉ phù
hợp cho mạng liên lạc bao gồm các nút chuyển tiếp cố định, trong khi đó, mạng
VANETs lại bao gồm các nút chuyển tiếp di động. Do đó, [11] đã đề xuất mơ hình
kênh truyền Double – Rayleigh làm giải pháp cho mạng liên xe. [12] đã nghiên cứu
đánh giá đƣợc hiệu năng mạng liên lạc giữa các xe sử dụng Double – Rayleigh, tuy
nhiên, nghiên cứu này chỉ dừng lại ở việc phân tích xác suất dừng của mạng liên xe
cơ bản chƣa làm rõ đƣợc việc lựa chọn chuyển tiếp cho mạng có nhiều chuyển tiếp.
Việc lựa chọn giao thức truyền thông tại nút chuyển tiếp, [7] đã sử dụng giao
thức AF cho nút chuyển tiếp. Nghiên cứu này đã giải quyết đƣợc bài tốn cho nút
chuyển tiếp đối với các mạng có cơng suất phát hạn chế. Ngồi ra, nghiên cứu này
đã tìm ra thứ tự khác giữa hai hop của mạng thứ cập trong môi trƣờng fading tối
thiểu, điều này phù hợp truyền thống dual-hop dùng giao thức AF mà không chia sẻ
phổ tần. Hay nghiên cứu [8] đã nghiên cứu đƣợc việc sử dụng giao thức DF sẽ giải
quyết đƣợc bài tốn về nhiễu khi truyền thơng tin đồng thời cung cấp các kỹ thuật

2

phát hiện năng lƣợng hiệu quả hơn. Tuy nhiên nghiên cứu trên chỉ xem xét đánh giá
hiệu năng mạng dựa trên kênh truyền Rayleigh.
Với nghiên cứu lựa chọn nút chuyển tiếp, trong khi [7] đã nghiên cứu đƣợc
hiệu năng mạng với lựa chọn chuyển tiếp tốt nhất, [9]-[10] đã nghiên cứu đƣợc
phƣơng án lựa chọn chuyển tiếp thứ n cho mạng. Tuy nhiên các nghiên cứu này vẫn
chỉ nghiên cứu với mơ hình kênh truyền Rayleigh.
Tình hình nghiên cứu trong nƣớc cũng có nhiều đề tài đã thực hiện [13][14]
đã công bố. Các đề tài trên đã đánh giá hiệu năng mạng CCRN dƣới tác dụng của
phần cứng cũng nhƣ nhiễu đồng kênh trong truyền thông đa chặng. Tuy nhiên việc
đánh giá hiệu năng cũng tập trung vào môi trƣờng truyền fading Rayleigh.
1.3.

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Trong luận văn này, tác giả sẽ nghiên cứu đánh giá hiệu năng mạng trên mơ
hình của kênh truyền Rayleigh và Double Rayleigh. Từ đó, chứng minh đƣợc mơ
hình kênh truyền Double Rayleigh là lựa chọn phù hợp cho mạng VANETs. Hơn
nữa, trong luận văn này, tác giả cũng nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của số lƣợng
nút chuyển tiếp nhằm đƣa ra phƣơng án lựa chọn nút chuyển tiếp tối ƣu nhất. Ngoài
ra, luận văn này, tác giả cũng nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của can nhiễu và các
yếu tố bên ngoài khác đối với hiệu năng mạng. Từ đó, đƣa ra đƣợc giải pháp tối ƣu
nhất để nâng cao hiệu năng mạng VANETs.
1.4.

NHIỆM VỤ VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.4.1. Nhiệm vụ của đề tài
-

Làm rõ các khái niệm liên quan đến đề tài nhƣ: mạng di động tùy biến xe cộ,

vô tuyến nhận thức, truyền thông kết hợp, truyền thông kết hợp trong môi trƣờng vô
tuyến nhận thức, các giao thức truyền thông trong vô tuyến nhận thức;
-

Đánh giá hiệu năng mạng liên lạc hợp tác giữa các xe với lựa chọn nút

chuyển tiếp tốt nhất thơng qua việc phân tích tốn học và mơ phỏng xác suất dừng
theo phƣơng pháp Monte – Carlo sử dụng phần mềm Matlab.

3


1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn này, ngƣời thực hiện đề tài chỉ đánh giá hiệu năng mạng liên
lạc giữa các xe trong môi trƣờng kênh truyền fading Rayleigh và Double Rayleigh
dạng nền, sử dụng giao thức truyền thông là giải mã và chuyển tiếp với lựa chọn
chuyển tiếp tối ƣu.
1.5.

ĐĨNG GĨP CHÍNH CỦA LUẬN VĂN

Hầu hết các đề tài đánh giá hiệu năng của mạng nhận thức hợp tác của các tác
giả trƣớc tập trung vào các kênh truyền Nakagami-m, Weibull và Rician cũng nhƣ
chỉ tập trung vào việc lựa chọn chuyển tiếp tốt nhất. Tuy nhiên các kênh truyền này
không phù hợp cho việc nghiên cứu mạng VANETs bởi các trạm chuyển tiếp trong
mạng đều di động. Đóng góp chính của luận văn là chứng minh đƣợc kênh truyền
Double Rayleigh phù hợp cho mạng liên xe (mạng liên lạc mà các nút trong mạng là
di động). Bên cạnh đó, đề tài cũng nghiên cứu đƣợc việc đánh giá lựa chọn các nút

chuyển tiếp tối nhất thứ K để khắc phục trƣờng hợp lựa chọn nút chuyển tiếp tối
nhất không thực hiện đƣợc khi kênh truyền bị quá tải.
1.6.

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để thực hiện đƣợc đề tài này, ngƣời thực hiện đề tài sử dụng một số phƣơng
pháp nghiên cứu sau:
-

Phƣơng pháp nghiên cứu và tổng hợp lý thuyết.

-

Phƣơng pháp mơ phỏng Monte Carlo và phân tích tốn học để đánh giá mơ
hình hệ thống.
1.7.

BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Đề tài gồm các chƣơng sau:
Chƣơng 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu bao gồm đặt vấn đề,
đánh giá tình hình nghiên cứu của đề tài, mục tiêu đề tài, nhiệm vụ và giới hạn của
đề tài, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu cũng nhƣ những đóng góp chính của
đề tài.

4


Chƣơng 2: Trình bày cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài nhƣ: khái niệm mạng

di động tùy biến xe cộ, khái niệm mạng vô tuyến nhận thức, mạng vô tuyến hợp tác,
các khái niệm liên quan đến môi trƣờng truyền (fading), kỹ thuật chuyển tiếp AF và
DF.
Chƣơng 3: Phân tích hiệu năng của mạng liên lạc hợp tác giữa các xe với lựa
chọn chuyển tiếp tối ƣu. Chƣơng này sẽ giới thiệu mơ hình đƣợc nghiên cứu, sơ đồ
giải thuật dùng để phân tích hiệu năng mạng.
Chƣơng 4: Trình bày kết quả mơ phỏng hiệu năng. Phân tích và đánh giá kết
quả đạt đƣợc.
Chƣơng 5: Trình bày kết quả và hƣớng phát triển đề tài.

5


Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.

MẠNG DI ĐỘNG TÙY BIẾN XE CỘ

2.1.1. Khái niệm mạng di động tùy biến xe cộ (VANETs)
VANETs là một trong những l nh vực nghiên cứu mới và hấp dẫn của mạng
di động ad hoc. Giao diện của VANETs có vài khía cạnh là của mạng ad hoc, của
công nghệ vô tuyến và di động để tạo thành các hệ thống giao thông thông minh
bằng cách liên lạc giữa xe với xe và giữa các xe với các trạm bên đƣờng[1]. Mục
tiêu chính của VANETs là giúp đỡ các phƣơng tiện thiết lập và duy trì một mạng
lƣới truyền thông không sử dụng bất kỳ trạm trung tâm hoặc bộ điều khiển nào. Một
trong những ứng dụng chính của VANETs là để truyền thơng tin trong các tình
huống khẩn cấp y tế quan trọng, các thơng tin về mật độ giao thơng, tình trạng kẹt
xe để giúp ngƣời lái xe lựa chọn đƣờng đi thích hợp. Tuy nhiên, khi nghiên cứu về

VANETs xuất hiện những thách thức và những vấn đề mới đặc biệt là việc thiếu cơ
sở hạ tầng trong VANETs nên trách nhiệm truyền thông phụ thuộc vào việc truyền
thông của các xe. Mỗi chiếc xe trở thành một phần của mạng lƣới và cũng quản lý
và kiểm sốt việc truyền thơng trên mạng này cùng với các yêu cầu về giao tiếp của
riêng mình. Hình 2.1 cho thấy một mơ hình VANETs điển hình [1].
2.1.2. Kiến trúc và mơ hình của VANET
Mặc dù VANETs là một phần của MANETs, tuy nhiên khơng có kiến trúc
hoặc kiểu topology cố định cho VANETs. VANET bao gồm các xe chuyển động
giao tiếp với nhau hoặc giao tiếp với các RSU gần đó, chính vì thế, các nút trong
VANETs không cố định nhƣ MANETs. Kiến trúc mạng là yếu tố rất quan trọng để
đánh giá hiệu năng truyền thông của xe. Tùy thuộc vào kịch bản truyền thơng mà
kiến trúc mạng có thể khác nhau. Phần lớn các nhà nghiên cứu chia kịch bản
VANET theo ba dạng [1]:
6


-

Một là, tất cả các phƣơng tiện giao tiếp với nhau thơng qua một số RSU. Khi
đó, kiến trúc mạng có thể giống với mạng cục bộ khơng dây (WLAN).

-

Hai là, các phƣơng tiện giao tiếp trực tiếp với nhau và không cần bất kỳ RSU
nào. Trƣờng hợp này, kiến trúc mạng có thể đƣợc phân loại là kiến trúc mạng
Ad-hoc.

-

Ba là, một số xe có thể liên lạc trực tiếp với nhau, trong khi những xe khác có

thể cần một số RSU để liên lạc. Khi đó mạng đƣợc gọi là mạng lai

Hình 2.1 – Mơ hình mạng VANETs
Mỗi kịch bản có những thách thức riêng, tuy nhiên để đảm bảo hiệu năng của
mạng thì ngữ cảnh cuối cùng đƣợc chọn sẽ bao gồm nhu cầu liên lạc cho tồn bộ
mơi trƣờng xe cộ.
Một trong những thuộc tính quan trọng nhất của mạng tùy biến di động
không dây là tính di động của các nút. Tính di động của các phƣơng tiện càng cao
làm cho mơ hình viễn thơng càng phức tạp. Khơng những thế, mơ hình di động cho
mơi trƣờng VANET cịn phụ thuộc vào sự di động của các xe nhƣ sự tăng tốc, giảm
tốc, thay đổi làn đƣờng và cách thức lái xe của ngƣời điều khiển. Do đó, mơ hình di

7


động của VANET phải bao gồm hành vi di chuyển các phƣơng tiện riêng lẻ và trong
nhóm để truyền tải gói tin khơng hiệu quả [1].
Các mơ hình di động trong VANET có thể đƣợc phân loại thành ba loại:
i) Lập mơ hình ngẫu nhiên hoặc ngẫu nhiên,
ii) Mơ hình hoá lƣu lƣợng truy cập hoặc lƣu lƣợng truy cập,
iii) Mơ phỏng dựa trên dấu vết.
Mặt khác, mơ hình di động cũng có thể dựa trên mức độ ngẫu nhiên trong mơ
hình mà bạn muốn. Mơ hình mạng cụ thể hơn cho các mạng ad-hoc có thể đƣợc thực
hiện bằng các cơng cụ tốn học và thống kê thích hợp [1]. Trong cách tiếp cận này,
một mạng vô tuyến đặc biệt – mạng vơ tuyến nhận thức - có thể đƣợc nghiên cứu
nhƣ là một giải pháp khi nghiên cứu về mơ hình truyền thơng xe cộ.
2.2.

MẠNG VƠ TUYẾN NHẬN THỨC

2.2.1. Lý do ra đời của mạng vô tuyến nhận thức
Các mạng thông tin vô tuyến hiện tại đang ứng dụng nhiều công nghệ hiện
đại để tối ƣu chất lƣợng dịch vụ cũng nhƣ khai thác một cách hiệu quả băng tần
đƣợc cấp phép [15]. Tuy nhiên, phổ tần của các mạng vô tuyến hiện nay vẫn chƣa
đƣợc khai thác một cách triệt để, vẫn cịn những hố phổ. Hình 2.2 là ví dụ minh họa.

Hình 2.2 - Minh họa hố phổ
Công nghệ vô tuyến nhận thức đƣợc thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sử
dụng phổ tần, các ngƣời dùng phụ có khả năng sử dụng phổ chia sẻ mà không gây
8


nhiễu tới các ngƣời dùng chính đƣợc cấp phép. Vơ tuyến nhận thức cho phép sử
dụng những vùng phổ trống theo từng thời điểm, phổ này ám chỉ hố phổ hay
khoảng trắng (Hình 2 .2). Nếu băng tần này đƣợc ngƣời dùng chính (ngƣời dùng
cấp phép) sử dụng tiếp thì các ngƣời dùng vô tuyến nhận thức phải chuyển đến hố
phổ khác hoặc nếu vẫn ở trong cùng một băng tần thì phải thay đổi mức cơng suất
phát hoặc sơ đồ điều chế để tránh gây nhiễu đến ngƣời dùng chính.
2.2.2. Khái niệm vơ tuyến nhận thức
Theo giáo sƣ Simon Haykin [16] – cha đẻ của vô tuyến nhận thức đã khái quát
về vô tuyến nhận thức nhƣ sau: “Cognitive radio is an intelligent wireless
communication system that aware of its surrounding enviroment and use the
methodology of understanding by building to learn from the environment and adapt
its internal states to statistical variations in the incoming radio frequence (RF)
stimuli by making corresponding changes in certain operating parameters (eg:
transmit power, carrier frequency, modulation strategy) in real time, with two
primary objectives in mind: highly reliable communications whenever and wherever
needed, and efficient utilization of the radio spectrum.”. Tức là, “Vô tuyến nhận
thức là một hệ thống truyền thơng khơng dây thơng minh có khả năng nhận biết
đƣợc môi trƣờng xung quanh và từ môi trƣờng nó sẽ thích nghi với sự thay đổi của

mơi trƣờng bằng cách thay đổi các thông số tƣơng ứng (công suất truyền, tần số
sóng mang, phƣơng pháp điều chế) trong thời gian thực với hai vấn đề chính: truyền
thơng với độ tin cậy cao bất cứ khi nào và bất cứ nơi đâu và sử dụng hiệu quả phổ
vô tuyến.”
2.2.3. Chức năng của mạng vô tuyến nhận thức
Vô tuyến nhận thức có 4 chức năng chính [15]
Một là, cảm biến phổ (Spectrum sensing): Cảm nhận phổ tần đƣợc xác định
nếu ngƣời sử dụng chính có mặt trong dải tần. Vơ tuyến nhận thức có thể chia sẻ kết
quả phát hiện của nó với các mạng vơ tuyến khác sau khi cảm nhận. Mục tiêu của
cảm nhận phổ là xác định tình trạng phổ tần và hoạt động của ngƣời dùng chính
9


bằng cách phát hiện chu kỳ của băng tần gốc để việc truyền tín hiệu khơng ảnh
hƣởng đến băng tần gốc.
Hai là, quản lý phổ (Spectrum Managenment): Trong mạng vô tuyến nhận
thức, các phổ tần chƣa sử dụng sẽ đƣợc trải ra trên một vùng tần số rộng bao gồm
cả phổ tần cấp phép và không cấp phép. Các phổ tần chƣa sử dụng này đƣợc phát
hiện thông qua cảm biến phổ cho thấy các đặc điểm khác nhau không chỉ thay đổi
theo thời gian mà cịn theo các thơng tin phổ tần nhƣ tần số và băng thông hoạt
động. Do mạng vô tuyến nhận thức phải quyết định đƣợc phổ tần tốt nhất để đáp
ứng các yêu cầu về chất lƣợng dịch vụ trên tồn bộ băng tần có sẵn, nên chức năng
quản lý phổ rất quan trong trong mạng vơ tuyến. Quản lý phổ bao gồm có hai nhiệm
vụ chính là phân tích phổ và quyết định phổ.
Phân tích phổ: Trong mạng vơ tuyến nhận thức các hố phổ có sẵn biểu thị
các đặc tính khác nhau của phổ biến đổi theo thời gian. Phân tích phổ cho phép
phân loại các phổ tần khác nhau, từ đó có thể lựa chọn đƣợc băng tần phù hợp với
yêu cầu của ngƣời dùng. Để thấy đƣợc chất lƣợng của các phổ tần cụ thể cần
phải phân tích các thơng số nhƣ mức nhiễu, tỷ lệ lỗi kênh, suy hao đƣờng truyền, lỗi
liên kết vô tuyến, trễ lớp liên kết và thời gian nắm giữ.

Quyết định phổ: Khi tất cả các phổ tần đã đƣợc tìm ra, cần phải lựa chọn
đƣợc phổ tần phù hợp nhất với các yêu cầu về chất lƣợng dịch vụ (QoS) và các đặc
tính của phổ. Do vậy, quản lý phổ cần phải biết đƣợc các yêu cầu về QoS của
ngƣời dùng. Dựa trên đó mà tốc độ dữ liệu, tỷ lệ lỗi chấp nhận đƣợc, mơ hình
truyền dẫn và phổ tần truyền sẽ đƣợc xác định. Sau đó dựa vào các quy tắc quyết
định mà sẽ chọn lựa các phổ tần phù hợp. Các quy tắc chọn lựa dựa trên tính cơng
bằng và giá trị truyền thông.
Ba là, sử dụng phổ linh hoạt (Spectrum mobility): Tính linh hoạt của phổ là
chức năng liên quan đến sự biến thiên của dải tần số hoạt động của ngƣời dùng phụ.
Khi ngƣời dùng chính bắt đầu truy cập băng tần hiện đang đƣợc sử dụng bởi ngƣời
dùng phụ, ngƣời dùng phụ này có thể thay đổi khoảng trắng phổ tần nhàn rỗi thành
10


dải phổ hoạt động. Sự thay đổi trong dải tần số hoạt động này đƣợc gọi là chuyển
giao phổ tần. Các tham số giao thức ở các lớp khác nhau phải đƣợc điều chỉnh để
phù hợp với dải tần số hoạt động mới trong thời gian chuyển giao phổ tần. Tuy
nhiên, việc trao đổi phổ tần vẫn phải đảm bảo rằng ngƣời dùng phụ có thể tiếp tục
truyền dữ liệu trong băng tần mới.
Bốn là, chia sẻ phổ (Spectrum Sharing): Trong một mạng vơ tuyến có rất
nhiều CR cùng hoạt động. Do đó, để tối ƣu hóa việc sử dụng phổ tần, mạng vô tuyến
sử dụng chức năng chia sẻ phổ tần. Chức năng này giúp cho việc cùng tồn tại của
ngƣời dùng phụ và ngƣời dùng chính một cách hợp lý, tránh đụng độ nhau trên cùng
một dải băng tần có sẵn.
Chu kỳ cảm nhận phổ tần tƣơng tác với môi trƣờng vô tuyến của các chức
năng nên đƣợc trình bày trong hình 2.3.

Hình 2.3 – Chu kỳ cảm nhận phổ tần
2.2.4. Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức
11

Có ba mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức bao gồm: dạng nền, chồng lắp và
đan xen [5]. Mơ hình dạng nền cho phép ngƣời dùng phụ (ngƣời dùng thứ cấp) hoạt
động nếu sự can thiệp của ngƣời dùng này không gây ảnh hƣởng hoặc gây ra mức
ảnh hƣởng cho ngƣời dùng chính (ngƣời dùng sơ cấp) thấp hơn một ngƣỡng nhất
định do ngƣời dùng chính đƣa ra. Trong mơ hình chồng lắp, mạng thứ cấp sử dụng
các kỹ thuật xử lý tín hiệu và mã hóa để duy trì hoặc cải thiện truyền thông của
mạng vô tuyến sơ cấp, đồng thời bổ sung một số băng thông cho truyền thơng của
mạng. Trong mơ hình đan xen, ngƣời dùng thứ cấp sẽ khai thác các hố phổ của băng
thông để truyền thông mà không làm gián đoạn các truyền thông khác. Các chính
sách điều tiết liên quan cũng nhƣ những giả định cơ bản về những thông tin của
mạng (network side) có sẵn và tính thực tế của việc thu thập thơng tin trong ba mơ
hình đƣợc mơ tả cụ thể nhƣ sau:
Mơ hình dạng nền: Mơ hình này bao gồm các kỹ thuật cho phép truyền
thông thông qua vô tuyến nhận thức. Trong mơ hình này, vơ tuyến nhận thức thƣờng
đƣợc gọi là ngƣời dùng thứ cấp, việc truyền thông của ngƣời dùng thứ cấp không
đƣợc can thiệp vào việc truyền thông của ngƣời dùng đƣợc cấp phép. Cụ thể, mơ
hình dạng nền phụ thuộc vào việc chuyển tiếp khơng nhận thức và có nhận thức, hai
chuyển tiếp này có thể xảy ra đồng thời khi sự can thiệp tạo ra bởi các thiết bị nhận
thức ở những ngƣời nhận không nhận thức nằm dƣới ngƣỡng chấp nhận đƣợc. Khó
khăn về sự can thiệp cho ngƣời dùng thứ cấp có thể đƣợc giải quyết bằng cách sử
dụng nhiều ăng-ten để định hƣớng các tín hiệu nhận thức cách xa những ngƣời nhận
nhận thức hoặc bằng cách sử dụng một băng thơng rộng mà tín hiệu nhận thức có
thể lan truyền xuống dƣới mức nhiễu cho phép, sau đó mới truyền đến ngƣời nhận
nhận thức. Sơ đồ cho mơ hình dạng nền đƣợc trình bày nhƣ hình 2.4.

12

Hình 2.4 – Mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng nền.
Mơ hình chồng lắp: Tiền đề của mơ hình chồng lắp là máy phát thứ cấp phải
có thơng tin về mã của ngƣời dùng sơ cấp và các thông báo của mạng sơ cấp. Tuy
nhiên, mơ hình dạng chồng lắp giả định thông điệp không nhận thức đƣợc biết đến ở
máy phát thứ cấp khi ngƣời dùng không nhận thức bắt đầu truyền. Mặc dù điều này
không khả thi đối với việc truyền tin ban đầu cũng nhƣ việc truyền lại tin nhắn lúc
ngƣời dùng nhận thức biết đƣợc sự truyền tải đầu tiên và giải mã nó, trong khi ngƣời
nhận mong muốn không thể giải mã đƣợc sự truyền ban đầu do mờ hoặc can thiệp.
Ngoài ra, ngƣời dùng sơ cấp có thể gửi thơng điệp của mình đến ngƣời dùng nhận
thức trƣớc khi truyền. Thông tin về ngƣời dùng sơ cấp hoặc codebook có thể bị khai
thác bằng nhiều cách khác nhau để huỷ bỏ hoặc giảm thiểu sự can thiệp đƣợc nhận
thấy ở ngƣời tiếp nhận nhận thức và khơng chủ định.
Lƣu ý rằng mơ hình chồng lắp có thể đƣợc áp dụng cho truyền thơng băng
thơng đƣợc cấp phép hoặc không cấp phép. Trong các băng tần đƣợc cấp phép,
ngƣời dùng nhận thức sẽ đƣợc phép chia sẻ băng tần với ngƣời dùng đƣợc cấp phép
vì ngƣời dùng nhận thức sẽ không can thiệp vào hệ thống của ngƣời dùng sơ cấp,
thậm chí có thể cải thiện đƣợc liên lạc của mạng sơ cấp. Trong các băng tần không

13


cấp phép, ngƣời dùng nhận thức sẽ cho phép phổ tần có hiệu quả cao hơn bằng cách
khai thác những thông tin về tin nhắn và codebook để giảm nhiễu.
Mô hình đan xen: Mơ hình này dựa trên ý tƣởng truyền thông cơ hội và là
động lực ban đầu cho vô tuyến nhận thức. Ý tƣởng đƣợc đƣa ra sau khi các nghiên
cứu nhận thấy rằng có nhiều phổ tần không đƣợc sử dụng phần lớn thời gian, gọi
chung là các hố phổ. Những hố phổ này thay đổi theo thời gian và vị trí và có thể
đƣợc khai thác bởi những ngƣời dùng quen thuộc để truyền thông. Do đó, việc sử
dụng phổ tần đƣợc cải thiện bằng việc tái sử dụng tần số cơ sở đối với các hố phổ.
Kỹ thuật đan xen đòi hỏi kiến thức về thông tin hoạt động của ngƣời sử dụng (đƣợc

cấp phép hoặc khơng có giấy phép) trong phổ tần. Chúng ta cũng có thể xem xét
rằng tất cả ngƣời dùng trong một băng tần nhất định đều có nhận thức, nhƣng ngƣời
dùng hiện tại trở thành ngƣời dùng chính và ngƣời dùng mới trở thành ngƣời dùng
thứ cấp không can thiệp vào q trình truyền thơng đang diễn ra giữa những ngƣời
dùng hiện tại.
Tóm lại, vơ tuyến nhận thức dạng đan xen là một hệ thống thông tin liên lạc
không dây thơng minh bằng cách theo dõi chu kỳ của sóng vô tuyến, phát hiện đƣợc
các khu vực khác nhau của quang phổ, sau đó truyền thơng qua các hố phổ với sự
can thiệp tối thiểu tới những ngƣời dùng đang hoạt động. Hình 2.5 biểu diễn mơ
hình vơ tuyến nhận thức dạng đan xen.

14