Nghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

MAI VĂN MÃI

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG NGẪU NHIÊN
SỬ DỤNG KỸ THUẬT CHỌN LỰA ANTEN PHÁT
DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA SUY HAO PHẦN CỨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

MAI VĂN MÃI

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG NGẪU NHIÊN
SỬ DỤNG KỸ THUẬT CHỌN LỰA ANTEN PHÁT
DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA SUY HAO PHẦN CỨNG

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 – 2016

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn: “Nghiên cứu hiệu năng mạng ngẫu nhiên sử
dụng kỹ thuật chọn lựa anten phát dưới sự tác động của suy hao phần cứng” là
công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực, một phần được
tham khảo từ những bài báo được công bố trên tạp chí khoa học chuyên ngành, hội
nghị khoa học trong nước và quốc tế.
Phần còn lại chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào.
Tp.HCM, ngày 06 tháng 06 năm 2016
Học viên thực hiện
(ký và ghi rõ họ tên)

Mai Văn Mãi


ii

LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập tại lớp Cao Học 2014 của Học Viện Công Nghệ Bưu
Chính Viễn Thông, em đã được học và tiếp thu nhiều kiến thức mới từ sự chỉ bảo
tận tình và giúp đỡ của quý Thầy, Cô. Cho em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự
tri ân sâu sắc tới các quý Thầy, Cô của Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn
Thông.
Đặc biệt, với lòng biết ơn sâu sắc nhất em xin chân thành gửi đến Thầy
TS.Trần Trung Duy đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn

kiến thức quý báo cho chúng em trong suốt thời gian học cũng như đã hướng dẫn
tận tình, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn. Thầy đã
truyền cho em nguồn cảm hứng và lòng đam mê nghiên cứu khoa học của mình. Để
sau này có thể vận dụng vào trong công việc và cuộc sống của mình.
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.
Và em cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè, các anh chị
đồng nghiệp và các bạn học chung khóa cao học 2014 đã động viên, giúp đở, tạo
điều điện để cho em hoàn thành tốt khóa học.
Tp.HCM, ngày 06 tháng 06 năm 2016
Học viên thực hiện
(ký và ghi rõ họ tên)

Mai Văn Mãi


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... ii
MỤC LỤC .............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ........................................... v
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... vi
LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
CHƯƠNG I - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ............................................................ 3
1.1

Mạng vô tuyến và vô tuyến nhận thức ........................................................ 3

1.1.1

Giới thiệu chung .................................................................................. 3

1.1.2

Truy cập phổ vô tuyến ......................................................................... 3

1.1.3

Mạng vô tuyến nhận thức ..................................................................... 4

1.2

Phương pháp phân tập phát......................................................................... 6

1.2.1

Giới thiệu............................................................................................. 6

1.2.2

Phân tập thời gian ................................................................................ 7

1.2.3

Phân tập tần số ..................................................................................... 7

1.2.4

Phân tập không gian ............................................................................. 7

1.3

Mạng ngẫu nhiên ........................................................................................ 9

1.4

Suy hao phần cứng .................................................................................. 10

1.5

Các nghiên cứu liên quan ......................................................................... 10

Kết Luận Chương I ................................................................................................ 12
CHƯƠNG II - MÔ HÌNH HỆ THỐNG ................................................................. 13
2.1

Mô hình thông tin vô tuyến thông thường ................................................. 13

2.2

Mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền ...................................................... 15

2.3

Mô hình nghiên cứu ................................................................................. 16

2.3.1

Mô hình mạng ngẫu nhiên thông thường ............................................ 17

2.3.2

Mô hình mạng ngẫu nhiên vô tuyến nhận thức dạng nền .................... 18

2.3.3

Các phương pháp chọn lựa anten phát ................................................ 19


iv

Kết Luận Chương II .............................................................................................. 20
CHƯƠNG III - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG ....................................... 21
3.1

Mô hình mạng ngẫu nhiên thông thường .................................................. 22

3.1.1

Giao thức RAND ............................................................................... 22

3.1.2

Giao thức BEST ................................................................................. 24

3.2

Mô hình mạng ngẫu nhiên vô tuyến nhận thức ......................................... 27

3.2.1

Giao thức RAND ............................................................................... 27

3.2.2

Giao thức BEST ................................................................................. 29

Kết Luận Chương III ............................................................................................. 31
CHƯƠNG IV - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .................................... 32
4.1

Mô hình mạng ngẫu nhiên thông thường .................................................. 32

4.2

Mô hình mạng ngẫu nhiên vô tuyến nhận thức ......................................... 36

Kết Luận Chương IV ............................................................................................. 41
CHƯƠNG V - KẾT LUẬN ................................................................................... 42
5.1

Các kết quả đạt được ................................................................................ 42

5.2

Hướng phát triển đề tài ............................................................................. 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 44


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AM

Amplitude modulation

Biến đổi biên độ

BS

Base station

Trạm gốc

BER

Bit error ratio

Tỷ lệ lỗi bit

CDF

Cumulative Density Function

Hàm phân phối tích lũy

CR

Cognitive Radio

Vô tuyến nhận thức

FM

Frequency modulation

Điều chỉnh tần số

MIMO

Multi - input Multi - output

Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra

OP

Outage Probability

Xác suất dừng

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PU

Primary user

Người dùng thứ cấp

Rx

Receive

Thu

RF

Ratio Frequency

Tần số vô tuyến

SC

Selection Combining

Kỹ thuật kết hợp lựa chọn

SNR

Signal to noise ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SU

Secondary user

Người dùng sơ cấp

SDR

Software Defined Radio

Phần mềm

TAS

Transmit Antenna Selection

Kỹ thuật lựa chọn anten phá

Tx

Transmit

Phát

TV

Television

Tivi

US

User

Người dùng


vi

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Mạng vô tuyến nhận thức dạng nền. .............................................. 6
Hình 1.2. Kỹ thuật phân tập anten thu. .......................................................... 8
Hình 1.3. Kỹ thuật lựa chọn anten phát. ........................................................ 9
Hình 1.4. Mô hình mạng ngẫu nhiên. ............................................................ 9
Hình 2.1. Mô hình kênh truyền cơ bản. ....................................................... 13
Hình 2.2. Mạng vô tuyến nhận thức dạng nền. ............................................ 15
Hình 2.3. Mô hình kênh truyền trong mạng ngẫu nhiên. ............................. 16
Hình 2.4. Mô hình mạng ngẫu nhiên vô tuyến nhận thức dạng nền. ............ 18
Hình 4.1. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo sự biến thiên
của tỷ lệ công suất phát trên nhiễu   P / N0 (dB) với các tham số R  1.5 ,

M  2 ,  th  0.5 ,   0.1 và   4 . .......................................................... 33
Hình 4.2. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo sự biến thiên

của tỷ lệ công suất phát trên nhiễu   P / N0 (dB) với các tham số R  1.5 ,

 th  0.5 ,   0.1 và   4 ........................................................................ 34
Hình 4.3. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo sự biến thiên
của ngưỡng dừng  th với các tham số   5 (dB), R  1, M  3 ,   0.1 và

  4 . ......................................................................................................... 35
Hình 4.4. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo sự biến thiên
của mức độ suy hao phần cứng  với các tham số   0 (dB), R  1,

M  3 ,  th  1 và   3 . ........................................................................... 36
Hình 4.5. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo sự biến thiên
của giá trị Q đơn vị dB với các tham số R  1,   0.5 ,  th  1,   4 và

xP  yP  0.5 . ............................................................................................. 37


vii

Hình 4.6. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo sự biến thiên
của giá trị Q đơn vị dB với các tham số R  1,   0.5 , M  2 ,  th  1,

  4 và xP  yP  0.5 . .............................................................................. 38
Hình 4.7. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo các vị trí khác
nhau của nút sơ cấp P với các tham số R  1.5,   0.1 , M  3 ,  th  1 và

  4 . ......................................................................................................... 39
Hình 4.8. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo mức độ suy
hao phần cứng  , với R  1, Q  5 dB, M  5 ,  th  1,   3 , xP  0.3 và

yP  0.4. ..................................................................................................... 40


1

LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại phát triển bùng nổ của các hệ thống thông tin vô tuyến, nhu
cầu về chất lượng, dung lượng, các dịch vụ đa phương tiện và tính đa dạng trong
các hệ thống thông tin không dây như thông tin di động, internet đang tăng lên một
cách nhanh chóng trên phạm vi toàn thế giới. Nó trở nên quen thuộc, phổ biến và
trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống của con người.
Tuy nhiên phổ tần vô tuyến là hữu hạn, muốn tăng dung lượng bắt buộc phải
tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số. Vì vậy việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ
kỹ thuật tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này luôn là một đòi hỏi cấp thiết. Một trong
những kỹ thuật có thể giúp cải thiện, làm hạn chế vấn đề khang hiếm phổ như ngày
nay đó là dùng công nghệ vô tuyến nhận thức. Vô tuyến nhận thức sẽ là một trong
những kỹ thuật tiềm năng cho mạng truyền thông vô tuyến thế hệ tiếp theo. Đặc
biệt, kỹ thuật vô tuyến nhận thức dạng nền được các nhà nghiên cứu ghi nhận là
một kỹ thuật hiệu quả để đảm bảo tính liên tục trong tiến trình truyền dữ liệu ở
mạng thứ cấp. Do đó, học viên sẽ nghiên cứu thêm về chủ đề mạng vô tuyến nhận
thức dạng nền.
Ngoài ra, việc xác định khoảng cách giữa các user đến các trạm gốc rất quan
trọng trong mạng ngẫu nhiên. Mạng ngẫu nhiên là một mô hình thực tế, khi những
người dùng có thể xuất hiện một cách ngẫu nhiên. Đây cũng là một hướng nghiên
cứu mới, nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới.
Bên cạnh đó, trên thực tế các phần cứng của thiết bị đều không lý tưởng,
chúng ảnh hưởng tới hiệu năng của hệ thống. Do đó, đề tài cũng sẽ nghiên cứu ảnh
hưởng của sự không hoàn hảo của phần cứng lên hiệu năng của mạng vô tuyến. Cụ
thể, đề tài đánh giá sự ảnh hưởng của mức độ suy hao phần cứng  X,Y lên các hiệu
năng của mạng.

Với kỹ thuật chọn lựa anten phát (TAS) là một kỹ thuật đơn giản và đang
được nghiên cứu nhiều trong thời gian gần đây. Đây là lý do mà tôi chọn phương
pháp TAS để nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu năng của mạng vô tuyến.


2

Để đóng góp giải quyết những vấn đề này, em xin chọn đề tài là “Nghiên
cứu hiệu năng mạng ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật chọn lựa anten phát dưới sự
tác động của suy hao phần cứng” mục đích là đưa ra các công thức toán học tính
toán tỉ lệ tính hiệu trên nhiễu (SNR) và/hoặc xác suất dừng (OP) và/hoặc tỉ lệ lỗi bit
(BER)…nhằm đánh giá hiệu năng của hệ thống. Cấu trúc của luận văn tập trung chủ
yếu đến những nội dung cơ bản sau:
Luận văn gồm 5 chương với nội dung tóm tắt như sau:
Chương I: Lý thuyết tổng quan. Chương này giới thiệu tổng quan về những
vấn đề nghiên cứu trong luận văn như: khái quát những khái niệm của mạng vô
tuyến và vô tuyến nhận thức, tìm hiểu về các phương pháp phân tạp phát (gồm phân
tập thời gian, phân tâp tần số, phân tập không gian), giới thiệu về mạng ngẫu nhiên
và các nghiên cứu liên quan.
Chương II: Mô hình hệ thống. Trong chương này tôi đưa ra ý tưởng mới về
mô hình kênh truyền và mô hình đề xuất để tính toán các tham số như tỉ lệ tín hiệu
trên nhiễu (SNR), xác suất dừng, tỉ lệ lỗi bit….nhằm để đánh giá hiệu năng của mô
hình đề xuất bằng cách đưa ra các biểu thức toán học.
Chương III: Đánh giá hiệu năng hệ thống: Ở chương này dựa vào mô hình
đề suất để tính toán và đưa ra kết quả tường minh chính xác về hiệu năng xác suất
dừng của mô hình trên.
Chương IV: Mô phỏng và đánh giá kết quả. Phần này sử dụng mô phỏng
Monte Carlo để kiểm chứng các công thức toán. So sánh kết quả lý thuyết và mô
phỏng được trình bày để kiểm chứng lẫn nhau. Sau đó đánh giá kết quả của hai kết
quả này dựa trên công thức đưa ra ở phần lý thuyết và kết quả mô phỏng thu được.

Chương V: Kết luận . Trình bày tóm tắt các kết quả đạt được của luận văn và
nêu ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài, cũng như những nghiên cứu dự kiến sẽ
thực hiện trong tương lai.


3

CHƯƠNG I - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1

Mạng vô tuyến và vô tuyến nhận thức

1.1.1 Giới thiệu chung
Truyền thông vô tuyến [1] là một phần của hệ thống truyền dẫn số, trong đó
tập hợp các phương tiện (bao gồm các thiết bị phần cứng và phần mềm) được sử
dụng để truyền tín hiệu số từ lối ra của thiết bị tạo khuôn ở phần phát tới đầu vào
thiết bị tái tạo khuôn thông tin ở phần thu hệ thống thông tin số. Truyền thông vô
tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn. Phương pháp thông
tin trong truyền thông vô tuyến là máy phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng
điện từ và bên máy thu tiếp nhận sóng điện từ từ máy phát, qua không gian và tách
lấy tín hiệu gốc. Ưu điểm của mạng thông tin vô tuyến so với mạng hữu tuyến là sự
di động, dễ lắp đặt và dễ nâng cấp.
Trong vài thập kỹ gần đây, các hệ thống vô tuyến đã trở nên phổ biến trong
cuộc sống hàng ngày, giúp cho con người có thể liên lạc với nhau bất kể vị trí nào
của họ ở đâu. Vì vậy truyền thông vô tuyến có tốc độ phát triển nhanh chóng, được
phủ sóng khắp mọi nơi để đáp ứng nhu cầu cho người dùng. Đồng nghĩa với việc
mở rộng vùng phủ sóng vô tuyến thì phải cần đáp ứng rất lớn về phổ tần. Tuy nhiên,
giống như hầu hết các nguồn tài nguyên khác, tài nguyên phổ tần cũng hữu hạn, ít
nhất là đối với các công nghệ hiện có ngày nay và các công nghệ được dự đoán sẽ
xuất hiện trong tương lại. Do đó không còn sự lựa chọn nào khác là sử dụng chúng

tốt hơn và hiệu quả hơn. Một trong những giải pháp khả thi đó là dùng công nghệ
vô tuyến nhận thức.

1.1.2 Truy cập phổ vô tuyến
Truy cập phổ vô tuyến hiện nay bị giới hạn bởi các cơ quan quản lý phổ của
quốc gia. Phần lớn phổ dành cho các dịch vụ vô tuyến được cấp phép. Truy cập mở
đối với hầu hết phổ chỉ được cho phép với công suất truyền rất nhỏ.


4

Chỉ một phần nhỏ của phổ vô tuyến dành cho băng tần không cần cấp phép.
Bởi vì phần phổ này rất nhỏ nên sẽ không sẵn có cho các phổ không cần cấp phép
mới. Sự chuyển đổi từ phổ được cấp phép sang phổ không cần cấp phép thực sự khó
khăn và mất thời gian dài. Nó đòi hỏi sự kết hợp giữa tổ chức quản lý phổ chính
phủ, nhà phát triển công nghệ, nhà cung cấp dịch vụ.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật nói chung và lĩnh vực
điện tử - viễn thông nói riêng, dải tần số đang dần trở nên chật hẹp bởi sự gia tăng
số lượng các hệ thống vô tuyến cũng như các chuẩn giao tiếp như FM, AM, TV,
Mobile network,Wifi,Wimax...
Trước tiên, cần phải cải tiến ngay từ việc quản lý phổ tần số. Hiện nay, mỗi
một dải băng tần muốn được sử dụng đều phải được sự cho phép của một tổ chức
quản lí tần số của chính phủ. Người được cấp phép sử dụng dải tần số được gọi là
primary user (PU) hay còn gọi là licenced user và chỉ được phép sử dụng dải tần đó
cũng như các người sử dụng khác không được phép sử dụng dải tần này.

1.1.3 Mạng vô tuyến nhận thức
Hệ thống vô tuyến nhận thức là hệ thống mà các phần tử của nó có khả năng
thay đổi các tham số (công suất,tần số) trên cơ sở tương tác với môi trường hoạt
động. Theo đó, thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR (Sotware Defined

Radio) sẽ là một phần tử quan trọng trong hệ thống vô tuyến nhận thức. Sau đó thì
vô tuyến này bao gồm một tần số vô tuyến (RF:Radio Frequency) 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. Với khả năng cấu hình của sơ đồ điều chế nên nó đúng với tên
gọi Vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm.
Vì các tham số của thiết bị SDR được thay đổi một cách linh động bằng phần
mềm mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng. Mục đích của vô tuyến nhận
thức là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt động trên các dải tần còn trống tạm
thời mà không gây can nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn


5

hoạt động trên dải tần đó. Để cho phép tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần như trên,
vô tuyến nhận thức phải có những tính năng cơ bản sau:
 Điều chỉnh tần số hoạt động của hệ thống một cách tức thì từ một băng tần
này đến một băng tần khác (còn trống) trên dải tần cho phép. Được sử dụng
cho cả truy cập phổ cơ hội và chia sẽ phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức
(CR), hổ trợ cho việc sắp đặt kênh cũng như hạn chế công suất nhiễu nhằm
bảo vệ cho người dùng sơ cấp.
 Cảm biến phổ (SS: Spectrum Sensing) là phát hiện các thành phần phổ chưa
được sử dụng và chia sẻ nó mà không làm ảnh hưởng đến người sử dụng
khác. Đây cũng là một yêu cầu quan trọng của mạng vô tuyến nhận thức 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.
 Linh động phổ: vô tuyến nhận thức (CR) sử dụng công nghệ truy cập phổ tần
động, đều 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 phổ trống lại.
 Chia sẻ kênh tần số, phổ và điều khiển công suất thích ứng theo điều kiên cụ

thể của môi trường vô tuyến, mà ở đó tồn tại nhiều loại hình dịch vụ vô
tuyến cùng chiếm dụng.
 Thực hiện thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ đồ mã hóa sửa
lỗi để cho phép đạt được thông lượng tốt nhất có thể.
 Tạo búp sóng và điều khiển búp sóng thích ứng theo đối tượng truyền thông
nhằm giảm thiểu nhiễu đồng kênh và tối đa cường độ tín hiệu thu.
Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) [2] là một kỹ thuật tiềm năng được sử
dụng để giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần số trong mạng truyền thông vô tuyến.
Trong vô tuyến nhận thức, mạng sơ cấp (mạng được cấp phép sử dụng tần số) và
mạng thứ cấp (mạng không được cấp phép sử dụng tần số) có thể sử dụng chung
băng tần, để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ. Một trong những phương pháp phổ


6

biến trong vô tuyến nhận thức đó là mô hình dạng nền Underlay [3], [4]. Trong mô
hình này, mạng sơ cấp cho phép mạng thứ cấp được sử dụng băng tần với điều kiện
giao thoa từ mạng thứ cấp lên mạng sơ cấp phải nhỏ hơn một ngưỡng được quy
định trước. Ràng buộc này đưa ra nhằm mục đích đảm bảo chất lượng dịch vụ của
mạng sơ cấp.

Hình 1.1: Mạng vô tuyến nhận thức dạng nền

Chúng ta xem xét một mô hình mạng mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền
được minh hoạ như trong Hình 1.1, trong đó mạng sơ cấp được biểu thị bằng nút P,
mạng thứ cấp bao gồm nút nguồn SS và nút đích SD. Dưới sự ràng buộc về mức
giao thoa tối đa I P được quy định bởi nút P, công suất phát tối đa của nút nguồn thứ
cấp SS phải được điều chỉnh để thoả mãn định mức giao thoa này.

1.2

Phương pháp phân tập phát

1.2.1 Giới thiệu
Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế
ảnh hưởng của fading. Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử
dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà
không phải gia tăng công suất phát hay băng thông. Các phương pháp phân tập
thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian (hay phân
tập anten). Trong đó kỹ thuật phân tập anten hiện đang được quan tâm và ứng dụng
vào hệ thống MIMO nhở khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong


7

nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời
tránh được hao phí băng thông tần số (một yếu tố rất quan trọng trong khi nguồn tài
nguyên tần số ngày càng khan hiếm).
Có nhiều cách để đạt được phân tập. Phân tập thời gian có thể thu được qua
mã hóa (coding) và xen kênh, phân tập tần số có thể thu được nếu đặc tính của kênh
truyền là chọn lọc tần số, phân tập không gian sử dụng nhiều anten phát hoặc thu
đặt cách nhau với khoảng cách đủ lớn.

1.2.2 Phân tập thời gian
Kỹ thuật phân tập thời gian (tín hiệu được truyền đi ở những thời điểm khác
nhau) là kỹ thuật sử dụng đối với kênh truyền biến đổi theo thời gian, điều này
thường xảy ra đối với các trường hợp máy thu hay máy phát đang chuyển động
tương đối với nhau. Lúc này các tín hiệu mang cùng loại thông tin sẽ được phát ở
nhiều điểm khác nhau để ảnh hưởng của fading lên các tín hiệu này sẽ độc lập với
nhau về mặt thời gian. Nhược điểm là ở bên phía thu phải chờ một khoảng thời gian

để xử lý tín hiệu.

1.2.3 Phân tập tần số
Trong phân tập tần số (tín hiệu được truyền trên nhiều tần số khác nhau hoặc
trên một dãy phổ tần rộng) người ta sử dụng các thành phần tần số khác nhau để
phát cùng một thông tin. Các tần số cần được phân chia để đảm bảo các tín hiệu
truyền sẽ bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập nhau. Khoảng cách giữa các tần
số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán để đảm bảo rằng fading trên các tần số
khác nhau là không tương quan với nhau. Nhược điểm là sẽ làm tiêu tốn phổ tần.

1.2.4 Phân tập không gian
Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trong truyền thông vô tuyến.
Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten trong hệ thống MIMO (Multi - input
Multi - output) là kỹ thuật được quan tâm nhiều nhất hiện nay. Kỹ thuật phân tập
này sử dụng nhiều anten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu


8

để phát và thu tín hiệu. Trong phân tập không gian, các dữ liệu của tín hiệu phát
được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian. Không giống
như phân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất
băng thông của hệ thống. Đây là đặc tính rất quan trọng trong các hệ thống truyền
thông không dây tốc độ cao trong tương lai.
Trong phân tập không gian, người ta hay sử dụng phân tập anten, chẳng hạn
như phân tập phát và phân tập thu là hai phân tập trên nhiều anten ở đầu phát và đầu
thu được dùng phổ biến nhất.

BS

US

Hình 1.2: Kỹ thuật phân tập anten thu

Trong phân tập anten thu như hình 1.2, giả sử trạm gốc chỉ có một anten phát
và nhiều anten được sử dụng ở đầu thu để nhận các dữ liệu của tín hiệu phát một
cách độc lập. Các dữ liệu của tín hiệu thu được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng tỉ
lệ tín hiệu trên nhiễu SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt ảnh hưởng của hiệu ứng
fading đa đường.
Trong kỹ thuật phân tập thu, các đường truyền fading độc lập của các anten
thu được liên kết với nhau để đạt tín hiệu thu thông qua bộ giải điều chế nhằm làm
giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading. Việc kết hợp tín hiệu thu có thể được thực
hiện bằng nhiều các khác nhau với độ phức tạp và hiệu năng của hệ thống tương
ứng cũng khác nhau. Tín hiệu thu được sau khi phân tập bao gồm một sự kết hợp
hợp lý của các dữ liệu tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng
hơn so với từng dữ liệu riêng lẽ.
Trong phân tập anten phát như trong hình vẽ 1.3, nút nguồn là một trạm gốc
(Base Station (BS)) được trang bị nhiều anten phát và có thể áp dụng các kỹ thuật
phân tập phát để nâng cao độ lợi phân tập.


9

Kỹ thuật chọn lựa anten phát tốt nhất (Transmit Antenna Selection (TAS))
[5], [6] là một kỹ thuật đơn giản nhằm đạt được độ lợi phân tập phát. Trong kỹ
thuật này, nút nguồn với nhiều anten sẽ chọn 1 anten có độ lợi kênh truyền tốt nhất
để truyền dữ liệu đến nút đích.

US

BS

Hình 1.3: Kỹ thuật lựa chọn anten phát

1.3

Mạng ngẫu nhiên

N

BS

US D  2 R

Hình 1.4: Mô hình mạng ngẫu nhiên

Trong mạng không dây, việc xác định được khoảng cách giữa các người
dùng US đến các trạm gốc BS rất quan trọng. Vì khoảng cách giữa các user tác
động mạnh tới tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và nhiễu. Nếu biết trước về khoảng
cách các user sẽ cần thiết cho việc phân tích hiệu suất và thiết kế các giao thức hiệu
quả hơn. Các user có thể được giả định là rải rác ngẫu nhiên trên một diện tích hoặc
một thể tích, sự phân bố khoảng cách theo một quá trình ngẫu nhiên theo không


10

gian chi phối vị trí của các user. Vì vậy vấn đề cần đặt ra làm cách nào để tính được
giá trị phân phối khoảng cách của mô hình hệ thống cho trước.
Lấy hình vẽ 1.4 làm ví dụ, ta thấy rằng mô hình hệ thống gồm một trạm gốc
BS, giả sử được đặt cố định và trang bị với N anten phát. Bán kính hoạt động của

trạm gốc BS là R (đường kính D=2R). Một người dùng US với một anten thu và di
chuyển ngẫu nhiên trong phạm vi bán kính R. Thông thường người dùng US sẽ
không có vị trí cố định trong mạng lưới (mặc dù trạm gốc BS thường phải được đặt
cố định ở một vị trí nào đó), US sẽ di chuyển xung quanh trạm BS với bán kính R.
Do đó, khoảng cách giữa BS và US sẽ thay đổi theo thời gian, hay khoảng cách giữa
hai nút này sẽ là một biến ngẫu nhiên. Những mạng như vậy có tên gọi là mạng vô
tuyến ngẫu nhiên (Random Wireless Networks) [7], [8].

1.4

Suy hao phần cứng
Cho đến nay, 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. Trong thực tế, phần cứng
của các thiết bị, đặc biệt là các thiết bị rẻ tiền, là không hoàn hảo bởi sự nhiễu pha,
sự không cân bằng I/Q và sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại [9], [11]. 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.

1.5

Các nghiên cứu liên quan
Hướng nghiên cứu của đề tài là đánh giá hiệu năng mạng truyền thông vô

tuyến sử dụng kỹ thuật anten phát (TAS: Transmit Antenna Selection). Đây là một
trong những phương pháp hiệu quả để đạt được độ lợi phân tập với độ phức tạp
thấp. Gần đây kỹ thuật TAS kết hợp với công nghệ vô tuyến nhận thức đã đem lại
hiệu quả đáng kể trong việc nâng cao hiệu năng của hệ thống đồng thời giải quyết
vấn đề khan hiếm phổ như hiện nay.

11

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 node 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.
Trong đề tài cũng sẽ nghiên cứu mạng ngẫu nhiên, với BS là trạm gốc có bán
kính R, US là người sử dụng xuất hiện ngẫu nhiên trong bán kính R. Vì vậy khoảng
cách từ US đến BS là biến ngẫu nhiên. Nếu biết trước về khoảng cách các user sẽ
cần thiết cho việc phân tích hiệu suất và thiết kế giao thức hiệu quả hơn. Do đó, vấn
đề đặt ra làm cách nào để tính được khoảng cách của US đến BS trong hệ thống.
Đây là một mô hình thực tế và cũng là một hướng nghiên cứu mới nhận được nhiều
sự quan tâm của các nhà nghiên cứu thế giới.
Ngoài ra thường trong các nghiên cứu có đặc điểm chung là đều giả sử phần
cứng ở đầu thu/phát là lý tưởng. Tuy nhiên các phần cứng thu/phát trong thực tế
không lý tưởng. Đặc biệt là đối với các thiết bị rẻ tiền, chất lượng kém thì phần
cứng càng không lý tưởng, cụ thể như bộ khuếch đại không tuyến tính, mất cân
bằng I/Q. Điều này sẽ làm ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của hệ thống. Giống
như bài báo [12] và [13] lần lượt đánh giá ảnh hưởng của phần cứng không lý
tưởng lên hiệu năng của hệ thống anten và hệ thống chuyển tiếp, hay trong bài báo
[14] đánh giá hiệu năng của hệ thống chuyển tiếp hai chiều trong điều kiện phần
cứng không lý tưởng hoặc trong bài báo [15] đánh giá ảnh hưởng của phần cứng
không lý tưởng lên mạng vô tuyến nhận thức dạng nền hai chặng giải mã và chuyển
tiếp. Kết quả phân tích ở các nghiên cứu đề cập đã chỉ ra rằng, phần cứng không lý
tưởng gây nên suy giảm hiệu năng đáng kể cho hệ thống.

12

Kết Luận Chương I
Trong chương I đã trình bày giới thiệu tổng quan về các vấn đề nghiên cứu
trong luận văn như mạng vô tuyến nhận thức, mạng ngẫu nhiên, phân tập phát, suy
hao phần cứng. Đây là những vấn đề nóng đang được nhiều nhà khoa học trong
nước và nước ngoài quan tâm. Qua đó có một số nhận xét về các phần đã giới thiệu
như sau:
 Vô tuyến nhận thức: đây sẽ là một trong những kỹ thuật tiềm năng
trong mạng viễn thông vô tuyến thế hệ tiếp theo. Đặc biệt, kỹ thuật vô
tuyến nhận thức dạng nền được các nhà nghiên cứu ghi nhận là một
kỹ thuật hiệu quả để đảm bảo tính liên tục trong quá trình truyền dữ
liệu ở mạng thứ cấp.
 Phân tập phát: là một kỹ thuật đơn giản, có hiệu quả cao trong việc
nâng cao hiệu năng của mạng vô tuyến. Kỹ thuật này đang được
nghiên cứu nhiều trong thời gian gần đây.
 Mạng ngẫu nhiên: đây là một mô hình thực tế, khi những người dùng
có thể xuất hiện một cách ngẫu nhiên. Vì vậy khoảng cách từ người
dùng tới trạm gốc luôn là một biến ngẫu nhiên. Đây cũng là hướng
nghiên cứu mới và cũng nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu trên thế giới.
 Suy hao phần cứng: trên thực tế tất cả thiết bị đều không hoàn hảo nên
sẽ có một phần ảnh hưởng tới hiệu năng của mạng vô tuyến.
Trong chương tiếp theo chúng tôi sẽ đưa ra mô hình đề xuất và dựa vào mô
hình để đưa ra các công thức toán học để đánh giá hiệu năng của mô hình.


13

CHƯƠNG II - MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1

Mô hình thông tin vô tuyến thông thường

s

Tx

Rx

hTx,Rx

P
Hình 2.1: Mô hình kênh truyền cơ bản

Đầu tiên, chúng ta sẽ xét mô hình kênh truyền cơ bản nhất giữa việc truyền
dữ liệu từ nút phát tới nút thu như được minh họa trên hình 2.1. Trong đó, Tx là nút
phát, Rx là nút thu. Ở nút phát Tx sẽ phát tín hiệu với công suất là P tới đầu thu Rx.
Ta ký hiệu s là tín hiệu được phát từ nút Tx và hTx,Rx là kênh truyền giữa Tx và Rx.
Tiến trình truyền dữ liệu này có thể được mô hình hóa tại nút thu Rx bởi biểu thức
như sau:
Giả sử phần cứng là lý tưởng, tín hiệu nhận được tại nút Rx là

yRx  PdTx,Rx
hTx,Rx s  nRx .

(2.1)

Từ công thức (2.1), ta có thể xây dựng biểu thức tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu
nhận được tại nút Rx như sau:
2


 Tx,Rx  PdTx,Rx
hTx,Rx / N0 ,

(2.2)

trong đó, N0 là phương sai của nhiễu cộng nRx , nRx được mô hình bằng biến ngẫu
nhiên có phân bố Gauss với giá trị trung bình bằng 0 (giả sử rằng phương sai của
nhiễu cộng tại tất cả các máy thu đều bằng N0 ).
Trên thực tế thì phần cứng không lý tưởng, do đó tín hiệu nhận được tại nút Rx cần
được viết lại như sau (xem [9], [11]):


14


yRx  PdTx,Rx
hTx,Rx  s  t,Tx   r,Rx  nRx .

(2.3)

Rồi thì, tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu với suy hao phần cứng tại nút Rx là:

 Tx,Rx 




PdTx,Rx
| hTx,Rx |2

t,Tx


  r,Rx  PdTx,Rx
| hTx,Rx |2  N 0


dTx,Rx
 Tx,Rx

,

 Tx,Rx dTx,Rx Tx,Rx  1

(2.4)

với vt,Tx là nhiễu gây ra do méo dạng từ phần cứng của nút phát Tx, vr,Rx là nhiễu
gây ra do sự suy hao phần cứng tại nút nhận Rx. Tương tự như trong [9], [11], vt,Tx
và vr,Rx có thể mô hình bằng nhiễu biến ngẫu nhiên có phân bố Gauss với giá trị

| hTx,Rx |2 , với  t,Tx
trung bình bằng 0 và phương sai lần lượt là  t,Tx và  r,Rx Pd Tx,Rx

và  r,Rx biểu thị mức độ suy hao phần cứng tại Tx và Rx. Trong công thức (2.4),

 Tx,Rx   t,Tx   r,Rx biểu diễn tổng mức độ suy hao phần cứng của máy phát Tx và
máy thu Rx, trong khi  Tx,Rx | hTx,Rx |2 biểu diễn độ lợi kênh truyền và   P / N0 là
tỷ lệ giữa công suất phát và phương sai của nhiễu Gauss  N 0  . Cũng trong các công
thức (2.3) và (2.4), dTx,Rx là khoảng cách giữa Tx và Rx , và  là hệ số suy hao có
giá trị từ 2 đến 6.
Khi hTx,Rx là kênh truyền Rayleigh fading, hàm phân phối tich luỹ (CDF) và hàm
mật độ xác suất (PDF) của độ lợi kênh truyền  Tx,Rx | hTx,Rx |2 sẽ có phân bố mũ như
sau:

F Tx,Rx  x   1  exp   x  và f Tx,Rx  x   exp   x  .

(2.5)


15

2.2

Mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền
Trong hình 2.2, mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền được minh họa, trong

đó mạng sơ cấp được biểu thị bằng nút P, mạng thứ cấp bao gồm nút nguốn SS và
nút đích SD. Gọi hSD và hSP lần lượt là hệ số kênh truyền giữa các nút SS-SD và
SS-P.

Hình 2.2: Mạng vô tuyến nhận thức dạng nền

Trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền, công suất phát của nút nguồn SS
bị giới hạn bởi mức giao thoa tối đa I P được quy định tại nút P. Do đó, công suất
phát của nút thứ cấp SS được tính như sau (tương tự như trong [18]):


dSP
IP
PSS 
,
1  SS,P  | hSP |2

(2.6)

ở đây,  SS,P là tổng mức suy hao phần cứng, như đã tính trong công thức số (2.4), và

dSP là khoảng cách giữa SS và P. Nhìn vào công thức (2.6), ta thấy rằng, suy hao
phần cứng làm giảm công suất phát của nút SS.
Do đó, tỷ số tín hiệu nhận được tại SD được tính theo công thức sau:


16

SS,SD 



PSSdSD
hSD

2


SS,SD PSSdSD
hSD  N0

2



dSP
I P / | hSP |2 / 1  SS,P  dSD
hSD

2


SS,SD dSP I P / | hSP |2 / 1  SS,P  dSD
hSD  N 0
2

(2.7)

  SD

dSD
SP

,
  SD
SS,SDQ 
1
dSD SP
Q

với SS,SD là tổng mức suy hao phần cứng, như đã tính trong công thức số (2.4),

Q  I P / N0 / 1  SS,P  , dSD là khoảng cách giữa nguồn thứ cấp SS và đích,

  dSP ,  SD  hSD

2

và SP  hSP

2

là các độ lợi kênh truyền của các liên kết SS-SD

và SS-P. Giả sử, các kênh truyền hSD và hSP là kênh fading Rayleigh, các độ lợi
kênh truyền  SD  hSD

2

và SP  hSP

2

sẽ có phân phối mũ với hàm CDF và PDF

được tính như trong công thức (2.5).

2.3

Mô hình nghiên cứu

R

BS
hi d

US
Hình 2.3: Mô hình kênh truyền trong mạng ngẫu nhiên