Nghiên cứu mạng truyền thông hợp tác di động băng rộng với điều kiện thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG - 2017


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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH
Mã số: 62.48.01.01

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. NGUYỄN LÊ HÙNG
PGS. TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO

ĐÀ NẴNG - 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong Luận án là công trình nghiên
cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết
quả trình bày trong Luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố
trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều
đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định.
Đà Nẵng, ngày 20 tháng 9 năm 2017
Tác giả

Nguyễn Hồng Giang


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án này, tác giả đã nhận
được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu.
Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới hai thầy PGS. TS.
Nguyễn Lê Hùng và PGS. TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo đã giúp đỡ tác giả trong
quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn khoa Công nghệ Thông tin, trường ĐHBKĐHĐN đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận án.
Tác giả cũng xin cảm ơn Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia
(NAFOSTED) đã hỗ trợ một phần cho nghiên cứu của Luận án này.
Nhân dịp này, tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới trường
Đại học Thông tin Liên lạc, là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho phép
tác giả có thể tham gia nghiên cứu trong những năm làm nghiên cứu sinh.

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng
chí, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua các khó khăn
để hoàn thành Luận án này.
Đà nẵng, ngày 20 tháng 9 năm 2017
Tác giả

Nguyễn Hồng Giang


- -

MỤC LỤC

MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

v

DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

viii

DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xii

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xiii

MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

14

1.1. Phân loại mạng không dây . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.1.1. Mạng cá nhân không dây WPAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

1.1.2. Mạng cục bộ không dây WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

1.1.3. Mạng không dây đô thị WMAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

1.1.4. Mạng diện rộng không dây WWAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

1.2. Kênh truyền không dây . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

1.2.1. Ảnh hưởng của phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

1.2.2. Suy hao đường truyền. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

1.2.3. Trải trễ (delay spread) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

1.2.4. Băng thông liên kết . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

1.2.5. Hiệu ứng Doppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

1.2.6. Mô hình kênh truyền. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24


-i-

1.2.7. Thông tin trạng thái kênh truyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

1.3. Đánh giá hiệu năng mạng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

1.3.1. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

1.3.2. Tỉ số BER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

1.3.3. Tỉ số SER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

1.3.4. Dung lượng lượng kênh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

1.3.5. Xác suất dừng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

1.4. Các kỹ thuật phân tập và kết hợp tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

1.4.1. Các kỹ thuật phân tập . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

1.4.2. Các kỹ thuật kết hợp tín hiệu tại nút đích. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

1.5. Mạng truyền thông hợp tác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

1.5.1. Ý tưởng về truyền thông hợp tác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

1.5.2. Giải pháp đã được đề xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

1.5.3. Mạng chuyển tiếp hợp tác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

1.6. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

Chương 2. HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

MIMO VÀ MẠNG CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC ĐA CHẶNG

54

2.1. Mạng truyền thông hợp tác MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

2.1.1. Nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

2.1.2. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

2.1.3. Phân tích hiệu năng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

59

2.1.4. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61


- ii -

2.2. Mạng chuyển tiếp hợp tác đa chặng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

2.2.1. Nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

2.2.2. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

64

2.2.3. Xác suất dừng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

2.2.4. Xác suất dừng của hệ thống ở miền SNR cao . . . . . . . . . . . . . . . .

68

2.2.5. Tỉ lệ lỗi bit (BER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

69

2.2.6. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

2.3. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

Chương 3. SỬ DỤNG KỸ THUẬT KẾT HỢP TÍN HIỆU THU

NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC
.............................................................

76

3.1. So sánh kỹ thuật kết hợp tín hiệu thu MRC và SC . . . . . . . . . . . . . .

76

3.1.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

3.1.2. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

3.1.3. Xác suất dừng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

3.1.4. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

85

3.2. Hiệu năng mạng truyền thông hợp tác với mô hình kênh pha-đinh
Nakagami-m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

3.2.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

3.2.2. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

3.2.3. Khảo sát hiệu năng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

90

3.2.4. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100


- iii -

3.3. Hiệu năng hệ thống truyền thông hợp tác trong môi trường vô tuyến
nhận thức có ràng buộc can nhiễu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

103

3.3.1. Các nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

103

3.3.2. Mô hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

104

3.3.3. Xác suất đứt chặng của mạng thứ cấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

106

3.3.4. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

112

3.4. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

115

Chương 4. LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG
TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

117

4.1. Lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng truyền thông hợp tác với mô
hình kênh Rayleigh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

117

4.1.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

117

4.1.2. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

118

4.1.3. Xác suất bị can nhiễu của máy thu sơ cấp gây ra bởi máy phát
trong mạng thứ cấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

120

4.1.4. Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

123

4.1.5. Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp ở miền SNR cao . . . . . .

126

4.1.6. Tỷ lệ lỗi symbol (Symbol Error Rate - SER) . . . . . . . . . . . . . . .

127

4.1.7. Dung lượng Shannon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

129

4.1.8. Mô phỏng và đánh giá kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

131

4.2. Hiệu năng hệ thống truyền thông hợp tác trong môi trường pha-đinh
không đồng nhất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

139

4.2.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

139

4.2.2. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

140


- iv -

4.2.3. Xác suất dừng hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

143

4.2.4. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

146

4.3. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

149

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI . . . .

150

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . .

153

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

155

PHỤ LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

174

.1. Chứng minh công thức tính ζ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

174

.2. Chứng minh công thức (4.26) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

175

.3. Chương trình Matlab cho PDF của phân bố Rayleigh . . . . . . . . . . .

177

.4. Chương trình Matlab cho CDF của phân bố Rayleigh . . . . . . . . . . .

177

.5. Chương trình Matlab cho PDF của phân bố Rician . . . . . . . . . . . . .

177

.6. Chương trình Matlab cho CDF của phân bố Rician . . . . . . . . . . . . .

178

.7. Chương trình Matlab cho PDF của phân bố Nakagami . . . . . . . . . .

179

.8. Chương trình Matlab cho CDF của phân bố Nakagami . . . . . . . . . .

180


-v-

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt

Nghĩa Tiếng Anh

Nghĩa Tiếng Việt

4G

The fourth Generation

Thế hệ thứ 4

5G

The fifth Generation

Thế hệ thứ 5

AF

Amplify-and-Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bít

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

CDF

Cumulative

Hàm phân phối tích lũy

distribution

function
DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

EGC

Equal Gain Combining

Kết hợp đồng độ lợi

PDF

Probability density func-

Hàm mật độ xác suất

tion
ICI

Inter-Channel Interference

Nhiễu liên kênh

ISI

Inter-Symbol Interference

Nhiễu liên symbol

i.i.d.

independent and identi-

Độc lập và phân bố đồng

cally distributed

nhất

Least Mean-Square

Bình phương trung bình

LMS

nhỏ nhất


- vi -

MIMO

Multiple-Input

Multiple-

Đa đầu vào đa đầu ra

Output
MMSE

Minimum

Mean-Square

Sai số bình phương trung

Error

bình cực tiểu

MRC

Maximal Ratio Combining

Kết hợp tỉ số cực đại

MSE

Mean-Square Error

Sai số bình phương trung
bình

OFDM

Orthogonal Frequency Di-

Ghép kênh phân chia tần

vision Multiplexing

số trực giao

OR

Opportunistic Relaying

Chuyển tiếp cơ hội

QAM

Quadrature

Điều chế biên độ cầu

Amplitude

Modulation

phương

QoS

Quality-of-Service

Chất lượng dịch vụ

QPSK

Quadrature Phase Shift

Khóa dịch pha cầu phương

Keying
RS

Relay Selection

Lựa chọn nút chuyển tiếp

RS-RDO

Relay Selection-and-Relay

Lựa chọn nút chuyển tiếp

Destination Optimization

với tối ưu các nút chuyển
tiếp và đích

SDM

SINR

SISO

Spatial

Division

Multi-

Ghép

kênh

phân

chia

plexing

không gian

Signal-to-Interference plus

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

Noise Ratio

cộng tạp âm

Single Input Single Output

Đơn đầu vào đơn đầu ra


- vii -

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

STBC

Space-Time Block Coding

Mã hóa khối không gianthời gian

STC

Space-Time Code

Mã không gian-thời gian

Wi-Fi

Wireless Fidelity

Chuẩn mạng cục bộ không
dây

WiMAX

Worldwide Interoperabil-

Tương thích toàn cầu qua

ity via Microwave Access

truy nhập vi ba


- viii -

DANH MỤC HÌNH VẼ

1

Mẫu sử dụng phổ tần ở Mỹ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1

Mô hình một kênh truyền vô tuyến đa đường . . . . . . . . . . . 20

1.2

Hàm PDF và CDF của phân bố Rayleigh . . . . . . . . . . . . . 26

1.3

Hàm PDF và CDF của phân bố Rician . . . . . . . . . . . . . . 27

1.4

Hàm PDF và CDF của phân bố Nakagami-m . . . . . . . . . . . 29

1.5

Mô hình kênh truyền . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

1.6

Mô hình hệ thống MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

1.7

So sánh độ lợi phân tập của các phương pháp kết hợp . . . . . . 40

1.8

Tổng quan về mạng truyền thông không dây . . . . . . . . . . . 41

1.9

Giao tiếp của các thiết bị di động . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.10 Đo số các thiết bị lân cận trong vùng . . . . . . . . . . . . . . . 43
1.11 Các thực thể có sẵn trên một thiết bị không dây . . . . . . . . . 44
1.12 Cách xử lý trang web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.13 Mô hình cơ bản của hệ thống truyền thông hợp tác. . . . . . . . 47
1.14 Xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.15 Mô hình lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng truyền thông hợp tác.52
2.1

Mô hình một hệ thống.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2.2

Xác suất dừng của mạng thứ cấp với giới hạn công suất can
nhiễu cho phép Q và số lượng ăng-ten khác nhau, η = 0.75,

ρ = 0.95 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61


- ix -

2.3

Sự đánh đổi giữa xác suất dừng của mạng thứ cấp và xác suất
bị can nhiễu tai mạng sơ cấp khi Q=5 dB và ρ = 0.65.

2.4

. . . . . 62

Mô hình một hệ thống chuyển tiếp đa chặng trong môi trường
vô tuyến nhận thức. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.5

Xác suất dừng của hệ thống theo Q. . . . . . . . . . . . . . . . 71

2.6

Xác xuất dừng hệ thống thay đổi theo số lượng máy thu sơ cấp. . 72

2.7

Ảnh hưởng của số chặng K tới xác suất dừng của hệ thống. . . . 73

2.8

BER của hệ thống sơ cấp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.1

Mô hình một hệ thống.

3.2

Xác suất dừng hệ thống thứ cấp với những giá trị khác nhau

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

của Q, N , L và M = 3, P = 5 dB. . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3

Xác suất dừng hệ thống thứ cấp với những giá trị khác nhau
của Q, M và N = L = 4, P = 5 dB, η = 0.9 . . . . . . . . . . 86

3.4

Xác suất dừng hệ thống thứ cấp theo Q, η với N = L = 4,

M = 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.5

Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.6

Xác suất máy thu sơ cấp bị can nhiễu bởi máy phát thứ cấp . . . 100

3.7

Xác suất dừng hệ thống thứ cấp với các giá trị khác nhau của

Q, m1 = m2 = 1, γth = 8 and η = 0.95 . . . . . . . . . . . . . . 101
3.8

Dung lượng Ergodic mạng thứ cấp, γth = 3 and η = 0.85. . . . . 102

3.9

Tỉ lệ lỗi symbol mạng thứ cấp với η = 0.75, m1 = 2, m2 = 1,

m3 = 2, m4 = 1, Ω1 = 2, Ω2 = 1, Ω3 = 1, và Ω4 = 1 . . . . . . 103
3.10 Mô hình hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104


-x-

3.11 Xác suất đứt chặng của mạng thứ cấp với các giá trị Q và η
khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.12 Xác suất dừng của mạng thứ cấp với P và L khác nhau . . . . . 113
3.13 Xác suất dừng của mạng thứ cấp theo PI , N và L . . . . . . . . 114
3.14 Xác suất dừng hệ thống theo M , N và L . . . . . . . . . . . . . 115
4.1

Mô hình hệ thống lựa chọn nút chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . 118

4.2

Xác suất dừng của mạng thứ cấp với giới hạn công suất can
nhiễu cho phép Q và số lương nút Chuyển tiếp, số lượng anten
tại nút Đích khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.3

SER của mạng thứ cấp với sự thay đổi của số nút Chuyển tiếp

N , số anten của nút Đích M và η = 0.95 . . . . . . . . . . . . . 133

4.4

Dung lượng Shannon của mạng thứ cấp với các giá trị Q, N ,

M , η khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.5

Xác suất can nhiễu tới máy thu sơ cấp IP với N = 6 và Q = 5 dB.135

4.6

Sự đánh đổi giữa xác suất dừng của mạng thứ cấp và xác suất
bị can nhiễu tai mạng sơ cấp khi Q=10 dB và ρ = 0.7.

4.7

. . . . . 136

Sự đánh đổi giữa xác suất dừng của mạng thứ cấp với xác suất
bị can nhiễu của mạng sơ cấp theo ρ, N và M khác nhau khi

Q=12 dB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.8

Sự đánh đổi giữa xác suất dừng của mạng thứ cấp với xác suất
bị can nhiễu của mạng sơ cấp theo ρ . . . . . . . . . . . . . . . 137

4.9

Sự đánh đổi giữa xác suất dừng của mạng thứ cấp với xác suất

bị can nhiễu của mạng sơ cấp theo Q . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.10 Mô hình một hệ thống.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140


- xi -

4.11 Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp theo Q với các giá trị η
khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.12 Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp theo Q với số nút Chuyển
tiếp N và số ăng-ten ở nút đích M khác nhau . . . . . . . . . . 148
4.13 Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp theo Q với giá trị K khác
nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149


- xii -

DANH MỤC BẢNG

1.1

Hệ số suy hao trong các môi trường khác nhau . . . . . . . . . . 21


- xiii -

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

Ký hiệu

Ý nghĩa

a

a là biến số

a

a là một véc-tơ

A

A là một ma trận

ai,j

Phần tử hàng thứ i cột thứ j của ma trận A

AT

Chuyển vị của ma trận A

AH

Chuyển vị liên hợp phức của ma trận A

In

Ma trận đơn vị kích thước n × n

0m,n

Ma trận không kích thước m × n

Raa

Ma trận hiệp phương sai của véc-tơ a

a

2
2

A

2
F

Chuẩn Euclidean của véc-tơ a
Chuẩn Frobenious của ma trận A

tr (A)

Vết của ma trận A

det (A)

Định thức của ma trận A

A−1

Nghịch đảo của ma trận A

A†

Phép giả đảo Moore-Penrose hay phép giả đảo bên
trái của ma trận của ma trận A

diag {a1 a2 . . . an }

Ma trận đường chéo kích thước n × n với phần tử
trên đường chéo thứ ii là ai .

Cm×n

Tập các số phức kích thước m × n


- xiv -

E {·}

Toán tử kỳ vọng

Q {·}

Toán tử quyết định

x ∼ CN (µ, σ 2 )

Biến ngẫu nhiên x có phân bố chuẩn phức với kỳ
vọng µ và phương sai σ 2
Xấp xỉ bằng

≈

Xấp xỉ, tương đương

≤

Nhỏ hơn hoặc bằng

=

∆

Phép toán định nghĩa

max {a1 , a2 , . . . , an }

Chọn giá trị lớn nhất trong các giá trị

a1 , a2 , . . . , an
min {a1 , a2 , . . . , an }

Chọn giá trị bé nhất trong các giá trị

a1 , a2 , . . . , an

arg min (A)
i

Chỉ số i tương ứng với phần tử nhỏ nhất ai thuộc
tập A

(a)+

Phép toán lấy phần dương của a, i.e., a =

max(a, 0)
{a}

Phép toán lấy phần thực của số phức vô hướng a

{a}

Phép toán lấy phần ảo của số phức vô hướng a

a

Phép toán làm tròn riêng biệt phần thực và phần
ảo của a

m

xi

Tổng tất cả các phần tử xi với i = 1, 2, . . . , m

i=1

log2 (·)

Lô-ga-rít cơ số 2

δ (·)

Hàm đáp ứng xung Dirac

O Nm

Độ phức tạp bậc m theo N


- xv -

I0 (.)

Hàm Bessel cải tiến loại một bậc không

IM (·)

Hàm Bessel mở rộng loại một bậc M (the modified
Bessel function of the first kind of order M ) được
định nghĩa trong [1, Trang 77]

γ(α, x)

Hàm gama khuyết dưới (the lower incomplete

gamma function) [2, CT. (8.350.1)]

Γ(α, x)

Hàm

Gamma

được

định

nghĩa

trong

[2,

CT.(8.350.2)]

Γ(α, x, b, β)

Hàm gamma khuyết mở rộng (the extended incomplete Gamma function) [3, CT. (6.2)]

2 F1 (a, b; c; z)

Hàm siêu bội Gaussian (Gaussian hypergeometric
function)[4]

Q1 (a, b)

Hàm Q Marcum bậc một (the First Order Marcum Q-Function) như [5]

QM (a, b)

Hàm Q Marcum tổng quát bậc M (the generalized
Marcum Q-function) như [6, Eq. (1)]

Φ2 (a, b1 , ..., bK ; µ; x1 , ..., xK , λ)
Hàm siêu bội hợp lưu loại hai (the second kind
confluent hypergeometric function) [7]


-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. Trong thực
tế, với khả năng truyền thông tức thời và truy cập vào dữ liệu đa phương
tiện ở bất kỳ đâu trên toàn thế giới, công nghệ này đã thay đổi cuộc sống
của con người và các hoạt động hàng ngày. Ngoài ra, với sự tăng trưởng theo
cấp số nhân của các thiết bị di động (điện thoại thông minh, máy tính xách
tay, máy tính bảng...), các ứng dụng của công nghệ truyền thông không dây
đang ngày càng trở nên tiên tiến hơn, khả năng cung cấp các dịch vụ đầu
cuối tốc độ cao: từ các ứng dụng định vị Global Positioning System (GPS)
tới ứng dụng thoại, tin nhắn, internet di động, các ứng dụng đa phương tiện,
trao đổi dữ liệu, điều khiển từ xa,..., từ các hệ thống không dây ban đầu với
tốc độ truyền dẫn vài kbps, đến các hệ thống hiện tại với tốc độ lên tới hàng

trăm Mbps như Wireless Fidelity (WiFi) với chuẩn IEEE.802.11ac cho tốc độ
truy cập tới 866,7 Mbps, hệ thống Worldwide Interoperability via Microwave
Access (WiMAX) chuẩn IEEE 802.16m cho tốc độ lên tới 1 Gbps. Số lượng
dịch vụ tăng dẫn đến yêu cầu cấp bách về băng tần ngày càng lớn. 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. Việc phân bổ phổ tần cho các dịch vụ và ứng dụng không dây


-2-

18

Figure
Sample
spectrum
Hình2.2:
1: Mẫu
sửofdụng
phổ occupation
tần ở Mỹ in[8]US

mới luôn làSecurity
một bài toán khó cho các nhà quản lý.
In order to prevent spying or fraud and to protect privacy, security measures

Các chính sách quản lý phổ tần nghiêm ngặt đã được các nhà quản lý áp
should be taken in wireless communications. These measures are based, mainly,

dụng và dẫnonđến

việc sử dụng
kém hiệu
quả
bộ phổevolution
tần hiện
có. Lấy ví dụ
cryptographic
techniques.
Due to
thetoàn
performance
(processing,
storage), complex cryptographic techniques are being easy to imtừ các tính memory
toán doandỦy
ban Truyền thông Liên bang Federal Communications
plement in wireless in transmitted data and recently in physical layer.

Commission (FCC) [9] của Hoa Kỳ và Cơ quan quản lý viễn thông của Vương
quốc Anh
TheFuture
Office of Communications (Ofcom) [10] đã cho thấy rằng tại
2.1.3
một thời
điểm bất
kỳ luôn
có mobile
một số
lượng lớn generations
dải phổ tần
A futuristic

anticipation
of next
communications
(5G, hiếm
6G and khi
7G) được
is presented in [5]. In this vision, the 5G system will ensure an unlimited worldwide
sử dụng.
Trong khi hầu hết băng tần của các mạng di động đang bị quá tải
wireless communication through the World Wide Wireless Web (WWWW) concept.

thì các băng tần khác khai thác không hiệu quả và luôn sử dụng không vượt
Afterwards, 6G system will integrate satellites to get global coverage. Finally, in the

quá 15 7G
%.system,
Do chính
sách
quản
tần and
thiếu
linh
này có thể dẫn đến
wireless
network
willlýbephổ
extended
based
on hoạt
space roaming.

việc sử dụng không hợp lý toàn bộ dải phổ tần. Do đó, yêu cầu một chính
sách quản lý mới thay thế linh hoạt hơn để sử dụng hiệu quả phổ tần [11].
Hình 1 minh họa việc sử dụng phổ tần không hiệu quả trong hai thành phố
ở Mỹ. Trong khi, phổ tần số đang quá tải ở một số băng tần (như GSM và


-3-

UMTS) thì gần như sử dụng không hiệu quả ở các băng tần khác (Quân sự
và Vô tuyến nghiệp dư). Đối với băng tần của thông tin di động ở dải tần
(806-902) MHz hiệu quả sử dụng rất cao chiếm tới 60 %, ngược lại ở băng
tần vô tuyến nghiệp dư 1240 MHz hầu như không được sử dụng. Việc phân
bổ tài nguyên tần số không cân bằng này đã yêu cầu các cơ quan chức năng
quản lý phổ tần của chính phủ phải tìm cách thức mới phân bổ phổ tần dựa
trên những khái niệm vô tuyến nhận thức. Ngoài ra, một số dịch vụ không
dây cũ, như truyền hình tương tự cần phải giải phóng phổ tần để cấp cho
mạng không dây mới (ví dụ mạng 4G).
Vô tuyến nhận thức (Cognitive radio) cần sử dụng một chính sách phổ cởi
mở hơn [12, 13]. Mạng vô tuyến nhận thức cho phép người dùng không được
cấp phép sử dụng tần số, người dùng thứ cấp Secondary User (SU) có thể
truy nhập phổ trống của 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. Vô tuyến nhận thức là
một công nghệ hứa hẹn trong việc khai thác những phổ tần trống đã nhận
được sự quan tâm đặc biệt trong cộng đồng nghiên cứu [10, 11, 12, 13, 14,
15, 16, 17, 18, 19]. Trong mạng vô tuyến nhận thức, người dùng thứ cấp SU
có thể hoạt động cùng với các người dùng sơ cấp PU và truy nhập một phần
phổ tần để truyền dẫn thông tin sao cho chỉ gây ra nhiễu tối thiểu tới các PU
hoạt động trong dải tần. Ngày nay, công nghệ vô tuyến nhận thức đã được
chuẩn hóa trong các mạng truy cập không dây băng rộng như IEEE 802.22

[20].
Mặt khác, tiến bộ mới trong công nghệ truyền thông không dây đã dẫn
đến nhu cầu rất lớn cho việc triển khai các ứng dụng đòi hỏi phải có chất


-4-

lượng dịch vụ Quality of Service (QoS) tốt. Để đạt được QoS tốt cho một
kênh truyền không dây là một thách thức không nhỏ, điều quan trọng nhất
là khắc phục những ảnh hưởng bất lợi của pha-đinh (fading). Khi một tín
hiệu được truyền qua một kênh không dây, nhiều bản sao của tín hiệu nhận
được tại máy thu do phản xạ và tán xạ. Những bản sao này làm tăng cường
hoặc triệt tiêu tín hiệu tại phía máy thu gây ra sự thay đổi đột ngột trong
tín hiệu điện gọi là hiện tượng pha-đinh [21, 22].
Có nhiều giải pháp khác nhau đã được đề xuất để khắc phục những vấn
đề trên có thể kể như: các kỹ thuật bù pha-đinh; các kỹ thuật mã hóa kênh;
các kỹ thuật trải phổ; các kỹ thuật san bằng; và các kỹ thuật phân tập, đặc
biệt là các kỹ thuật phân tập không gian [23, 24, 25, 26, 27].
Trong số các kỹ thuật phân tập không gian, kỹ thuật truyền dẫn đa đầu
vào đa đầu ra Multiple Input-Multiple Output (MIMO) đã được chứng minh
là giải pháp mạnh mẽ, đầy tiềm năng và hứa hẹn trong việc nâng cao tốc độ
truyền dẫn cũng như hiệu năng hệ thống qua môi trường pha-đinh giàu tán
xạ [19, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35]. Hệ thống vô tuyến đa ăng-ten ở phía
phát và phía thu MIMO ngày càng trở nên phổ biến trong khoảng hơn một
thập kỷ qua nhờ vào những ưu điểm vượt trội; ưu điểm lớn nhất của hệ thống
MIMO chính là khả năng nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần vô tuyến bằng
cách ghép kênh không gian (spatial multiplexing) nhằm tăng dung lượng và
phân tập không gian (spatial diversity) giúp tăng hiệu năng hệ thống, ngoài
ra MIMO cung cấp độ lợi mảng (array gain) làm tăng khả năng chống nhiễu
và do đó tăng vùng phủ sóng của hệ thống vô tuyến [29, 36]. Với MIMO,

chúng ta có thể cải thiện đáng kể dung lượng cũng như hiệu năng của hệ
thống vô tuyến mà không cần phải tăng công suất phát cũng như băng tần.


-5-

Trong điều kiện nguồn tài nguyên băng tần vô tuyến ngày càng cạn kiệt, công
nghệ MIMO cũng là một trong những giải pháp hữu hiệu cho các ứng dụng
thông tin vô tuyến yêu cầu tốc độ và hiệu năng cao. Với ưu điểm đó, MIMO
được chọn lựa làm nền 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 [37].
Tuy nhiên, đối với kỹ thuật MIMO chỉ có thể đạt được độ lợi mảng, độ lợi
phân tập, độ lợi ghép kênh với giả thiết khoảng cách giữa các ăng-ten phải
đủ lớn để đảm bảo không tương quan và các ma trận kênh truyền MIMO
phải là ma trận có hạng đầy đủ [35]. Hơn nữa, thực hiện công nghệ MIMO
thường đòi hỏi phải xử lý phần cứng và chi phí tiêu thụ năng lượng cao hơn,
đó là một hạn chế quan trọng cho một sản phẩm không dây tiêu biểu. Một
số thiết bị cầm tay và các nút trong một mạng cảm biến không dây có thể
không có khả năng hỗ trợ nhiều ăng-ten vì kích thước thiết bị hoặc chi phí
phần cứng không cho phép. Những lợi ích và hạn chế của hệ thống MIMO
đã khuyến khích các nghiên cứu sâu rộng về một hệ thống MIMO ảo hay còn
gọi là truyền thông hợp tác sử dụng các thiết bị đơn ăng ten [38].
Truyền thông hợp tác (Cooperative Communication) [25, 39, 40, 41, 42,
43, 44, 45] hứa hẹn cung cấp vùng phủ sóng theo yêu cầu ở tốc độ dữ liệu cao
mà các mạng không dây không có cơ sở hạ tầng (Ad Hoc) và các mạng tế
bào đòi hỏi trong tương lai. Trong chuyển tiếp hợp tác, một hoặc nhiều nút
trung gian được dùng để hỗ trợ truyền tín hiệu khi đường truyền trực tiếp

từ nguồn tới đích bị suy hao mạnh. Nhờ sự hỗ trợ của các trạm chuyển tiếp