Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mô hình truyền thông cộng tác tăng cường trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với đa truy nhập không trực giao (Luận văn thạc sĩ)

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

NGUYỄN ĐẠI THẮNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH
TRUYỀN THÔNG CỘNG TÁC TĂNG CƯỜNG TRONG
MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI ĐA
TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

TP.HCM - 2018


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

NGUYỄN ĐẠI THẮNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH
TRUYỀN THÔNG CỘNG TÁC TĂNG CƯỜNG TRONG
MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI ĐA
TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO
Chuyên Ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã Số: 8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM NGỌC SƠN

TP.HCM - 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
TP.HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Đại Thắng


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Phạm
Ngọc Sơn đã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Thầy đã trang bị cho em những kiến thức vô cùng quý báu để em có thể vững tin
bước tiếp trên con đường của mình.
Cám ơn Thầy TS. Trần Trung Duy đã chia sẽ nhiều kiến thức chuyên môn,
cách thức trình bày và những kinh nghiệm thực tiễn.
Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính
Viễn Thông cơ sở tại TP.HCM đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức
quan trọng trong suốt thời gian học tập tại Học Viện.
Bên cạnh đó em xin cảm ơn các quý anh chị và các bạn khóa cao học 20162017 đã động viên, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học.

Em xin chân thành cảm ơn!
TP.HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Đại Thắng


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ...........................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... v
DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 -

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ................................................................. 3

1.1. Tổng quan về truyền thông vô tuyến ............................................................................... 3
1.2. Tổng quan về truyền thông cộng tác và truyền thông cộng tác tăng cường ................ 4
1.2.1. Giới thiệu truyền thông cộng tác .............................................................................. 4
1.2.2. Truyền thông cộng tác tăng cường ........................................................................... 6
1.3. Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức và vô tuyến nhận thức dạng nền.................. 7
1.3.1. Khái niệm chung về vô tuyến nhận thức .................................................................. 7
1.3.2. Các mô hình trong vô tuyến nhận thức .................................................................... 9
1.3.3. Vô tuyến nhận thức dạng nền ................................................................................. 11
1.4. Tổng quan về NOMA và SIC ......................................................................................... 12
1.4.1. Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA............................................................ 12

1.4.2. Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC (Successive Interference
Cancellation) ....................................................................................................................... 12
1.5. Lý do chọn đề tài ............................................................................................................. 13
1.6. Các nghiên cứu liên quan ............................................................................................... 14

CHƯƠNG 2 -

MÔ HÌNH HỆ THỐNG ....................................................................... 15

2.1. Mô hình kênh truyền Fading Rayleigh ......................................................................... 15
2.2. Mô hình đề xuất............................................................................................................... 16
2.2.1. Mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền ................................................................... 16
2.2.2. Mô hình đa truy nhập không trực giao .................................................................. 17
2.2.3. Chọn lựa nút chuyển tiếp ........................................................................................ 19
2.3. Hiệu năng hệ thống ......................................................................................................... 20
2.3.1. Xác suất dừng (Outage Probability) ....................................................................... 20
2.3.2. Thông lượng (Throughput) ..................................................................................... 24

CHƯƠNG 3 -

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG ............................................. 26

3.1. Xác suất dừng .................................................................................................................. 26


iv

3.2. Thông lượng..................................................................................................................... 37
3.3. Kết quả mô phỏng kiểm chứng ...................................................................................... 38
3.4 Kỹ thuật NOMA trong mô hình đề xuất so với kỹ thuật trực tiếp tăng mức điều chế. ...44

CHƯƠNG 4 -

KẾT LUẬN ........................................................................................... 46

4.1. Các kết quả đạt được ...................................................................................................... 46
4.2. Hướng phát triển đề tài .................................................................................................. 46

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 48


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

3G

Third Generation

Mạng di động thế hệ thứ 3

4G

Fourth Generation

Mạng di động thế hệ thứ 4

5G

5th Generation

Mạng di động thế hệ thứ 5

CDF

Cumulative Distribution Function

Hàm phân bố tích lũy

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CR

Cognitive radio

Vô tuyến nhận thức

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lý tín hiệu số

ECC

Error Control Coding

Mã hóa sửa sai

IEEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

LOS

Line of Sight

LTE

Long Term Evolution

MIMO

Multi-Input Multi-Output

NOMA

Non-Orthogonal Multiple Access

Đường truyền thẳng

Kỹ thuật đa truy nhập không
trực giao

OP

Outage Probability

Xác suất dừng

PN

Primary Networks

Mạng sơ cấp

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SIC

Successive Interference

Cơ chế loại bỏ nhiễu một cách

Cancellation

tuần tự

SN

Secondary Networks

Mạng thứ cấp

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiện trên nhiễu

UE

User Equiment

Thiết bị người dung

UWB

Ultra-wideband

Di động siêu băng rộng


vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sự khác biệt giữa mô hình truyền thông trực tiếp và truyền thông cộng
tác, mở rộng phạm vi truyền của truyền thông hợp tác...............................................6
Hình 1.2: Các khoảng phổ có thể sử dụng được biểu diễn trên miền thời gian và
miền tần số ..................................................................................................................8
Hình 1.3: Những khoảng truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian và miền
tần số ...........................................................................................................................9
Hình 1.4: Sử dụng phổ tần của ba mô hình chính trong vô tuyến nhận thức............11
Hình 1.5: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Underlay ..............................................11
Hình 1.6: Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC với 3 tín hiệu ........12
Hình 2.1: Mô hình hệ thống ......................................................................................16
Hình 3.1 : Xác suất dừng của x1 và x2 theo Q (dB) với 1  0.8 , xR  0.5,
xP  0.5, yP  0.25 và  th  1. ..................................................................................39

Hình 3.2 : Xác suất dừng của x1 và x2 theo 1 với Q  10 (dB), M  3, xP  0.5,
yP  0.25 và  th  1. .................................................................................................40

Hình 3.3 : Tổng xác suất dừng của x1 và x2 theo 1 với Q  10 (dB), M  3,
xP  0.5, yP  0.25 và  th  1. ..................................................................................41

Hình 3.4 : Xác suất dừng của x1 và x2 theo xR với Q  15 (dB), M  4, 1  0.9
xP  0.5, yP  0.25 và  th  1. ..................................................................................42

Hình 3.5 : Thông lượng vẽ theo Q (dB) với 1  0.9 , xR  0.5, xP  0.5, yP  0.25

và  th  1. ..................................................................................................................43
Hình 3.6 : Thông lượng vẽ theo 1 với Q  7.5 (dB), M  3, xP  0.5, yP  0.25 và
 th  1. .......................................................................................................................43

Hình 3.7 : Thông lượng vẽ theo xR với Q  5 (dB), M  4, 1  0.75, xP  0.5,
yP  0.25 và  th  1. ..................................................................................................44


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, mạng truyền thông vô tuyến đang phát triển mạnh mẽ, trong đó kỹ
thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA) là một kỹ thuật mới được đề xuất cho
mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) giúp tăng tốc độ truyền tải người dùng cùng một lúc,
mã và tần số, nhưng với các mức năng lượng khác nhau . Ý tưỏng của NOMA chính
là việc ghép một cách tuyến tính các dữ liệu lại với nhau rồi gửi đồng thời tín hiệu
được ghép này đến nơi nhận. Ở nơi nhận, các dữ liệu lần lượt được giải mã theo cơ
chế loại bỏ nhiễu một cách tuần tự (Successive Interference Cancellation (SIC)). Do
đó, cùng một lúc nơi nhận có thể nhận được nhiều dữ liệu khác nhau, vì thế sẽ nâng
cao tốc độ truyền dữ liệu cho hệ thống.
Một trong những vấn đề cấp bách được quan tâm nhiều hiện nay đó là vấn đề
cạn kiệt phổ tần. Trong hoàn cảnh đó, vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) đã ra đời
nhằm giải quyết vấn đề này. Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, người dùng
thứ cấp có thể sử dụng phổ tần cùng lúc với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu tạo
ra từ những hoạt động của người dùng thứ cấp đến người dùng sơ cấp phải nhỏ hơn
một mức giới hạn cho phép. Do công suất phát của những người dùng thứ cấp bị giới
hạn nên chất lượng dịch vụ của mạng thứ cấp sẽ bị giảm đi đáng kể. Đó là lý do Học
viên mong muốn áp dụng kỹ thuật NOMA cho mạng vô tuyến nhận thức dạng nền
nhằm nâng cao thông lượng cho các mạng vô tuyến nhận thức.
Để nâng cao hiệu năng cho mạng vô tuyến nhận thức, các giao thức truyền

thông cộng tác (Cooperative Communication) có thể được sử dụng hiệu quả nhằm bù
đắp sự giới hạn về công suất phát cũng như sự ảnh hưởng yếu tố fading của kênh
truyền. Tuy nhiên, nhược điểm mô hình truyền thông cộng tác thông thường đó là
việc sử dụng 02 khe thời gian cho việc truyền dữ liệu từ nguồn đến đích. Điều này có
thể làm giảm tốc độ truyền dữ liệu của mạng. Đề giải quyết vấn đề này, truyền thông
cộng tác tăng cường (incremental cooperative communication) đã được đề xuất.
Trong truyền thông cộng tác tăng cường, khi liên kết trực tiếp giữa nguồn và đích có


2

chất lượng tốt, sự chuyển tiếp có thể không cần sử dụng nữa. Do đó, truyền thông
cộng tác tăng cường vừa có thể đạt được độ lợi phân tập, vừa có thể nâng cao thông
lượng (throughput) cho mạng.
- Luận văn này tập trung nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NonOrthogonal Multiple Access (NOMA)) trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền
(underlay cognitive radio) với truyền thông cộng tác tăng cường (incremental
cooperative communication), đưa ra phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp hiệu quả,
chứng minh và mô phỏng sự ảnh hưởng của các nút chuyển tiếp đến thông lượng hệ
thống.
Luận văn được trình bày theo bốn chương, cụ thể như sau:
Chương 1 – Lý thuyết tổng quan
Chương 2 – Mô hình hệ thống
Chương 3 – Đánh giá hiệu năng hệ thống
Chương 4 – Kết luận


3

CHƯƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về truyền thông vô tuyến

Trong những năm gần đây truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển
vượt bậc và được dự đoán sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa. Sự ra đời và phát triển
các dịch vụ thoại, internet di động, các dịch vụ giá trị gia tăng, truyền dữ liệu băng
thông rộng, truyền hình di động… làm cho nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu ngày
càng tăng, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin di động. Các hệ thống thông tin di
động tế bào đã phát triển lên thế hệ thứ 3 (3G) và thế hệ thứ 4 (4G LTE) đã được triển
khai tại nhiều nước trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Ngoài ra việc nghiên cứu
phát triển và thử nghiệm triển khai các công nghệ mới không ngừng diễn ra. Các thử
nghiệm kỹ thuật cho công nghệ di động 5G đã được tiến hành và đạt được những
thành tựu lớn. Các tập đoàn công nghệ hàng đầu đã trình diễn và thử nghiệm mạng
di động 5G đạt tới tốc độ 7.2 Gbps. Dự kiến tới năm 2020 mạng 5G sẽ được triển
khai trên thực tế.
Cùng với sự phát triển của các kỹ thuật giúp tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu
như các kỹ thuật điều chế, mã hóa, các kỹ thuật phân tập, các hệ thống MIMO… thì
một trong những thách thức lớn nhất của các nhà nghiên cứu là sự cạn kiệt về tài
nguyên tần số. Tài nguyên tần số là có hạn và được quy hoạch sử dụng cho nhiều mục
đích khác nhau: thoại, phát thanh, truyền hình, quân sự, thông tin vệ tinh, truyền dữ
liệu… Ngoài ra, việc truyền thông trong môi trường không dây phải đối mặt với
những hạn chế cơ bản do sự suy yếu tín hiệu gây ra bởi kênh truyền vô tuyến. Khi tín
hiệu đi từ nguồn đến đích, việc truyền sóng điện từ phải chịu ảnh hưởng của các yếu
tố như phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Thêm vào đó, truyền đa đường gây nên sự thăng
giáng nhanh chóng biên độ, pha, làm trễ và thường dẫn đến hiện tượng Fading. Những
sự suy yếu trên có thể bù đắp bằng nhiều cách như tăng công suất phát, mở rộng băng
thông hay sử dụng các loại mã hóa sửa sai ECC (Error Control Coding). Tuy nhiên,
công suất và băng thông là những tài nguyên vô tuyến có giới hạn và ngày càng trở


4

nên khan hiếm trong khi việc sử dụng các loại mã hóa sửa sai sẽ làm hạn chế tốc độ

truyền dẫn. Do vậy việc có được một luồng truyền dữ liệu tốc độ cao và đáng tin cậy
qua những kênh truyển vô tuyến nhạy với lỗi là một thách thức lớn đối với việc thiết
kế các hệ thông vô tuyến.
Dùng các giải pháp kỹ thuật nhằm đạt được tốc độ truyền cao hơn, độ tin cậy
truyền dẫn cao hơn, đó là hai nhu cầu chính trong sự phát triển của truyền thông vô
tuyến. Để có thể đạt được hai yếu tố trên khi các yếu tố như công suất truyền hay độ
rộng băng thông đều bị giới hạn cần phải áp dụng các biện pháp kỹ thuật khác nhau.
Các kỹ thuật MIMO là một trong những giải pháp giúp đặt được cả độ lợi phân tập
(diversity gain) và độ lợi ghép kênh (multiplexing gain) nhằm tăng tốc độ truyền dẫn
và độ tin cậy của kênh truyền.
Tuy nhiên đối với các hệ thông truyền thông di động, do hạn chế về kích thước
thiết bị, năng lượng tích trữ và khả năng di động, việc triển khai các kỹ thuật MIMO
khó có thể đặt được hiệu quả như mong muốn. Một trong những giải pháp có tính khả
thi khác nhằm giải quyết vấn đề này là triển khai các hệ thống truyền thông cộng tác
(Cooperative Communication).

1.2. Tổng quan về truyền thông cộng tác và truyền thông cộng tác tăng
cường
1.2.1. Giới thiệu truyền thông cộng tác
Ta biết rằng, mỗi thiết bị di động thường chỉ có một anten và vì thế không thể
riêng rẽ tạo thành phân tập không gian. Tuy vậy, nếu giả sử một thiết bị di động có
thể nhận dữ liệu từ các thiết bị di động khác, và truyền dữ liệu đó cùng với dữ liệu
của chính bản thân nó. Và bởi kênh truyền fading đối với các thiết bị di động khác
nhau là độc lập thống kê với nhau, nên việc đạt được phân tập không gian là hoàn
toàn khả thi. Việc truyền đi nhiều tín hiệu trên nhiều kênh khác nhau dựa vào các nút
trong mạng sẽ tạo nên phân tập, góp phần chống lại ảnh hưởng của fading, nâng cao
chất lượng kênh truyền.


5

Đó chính là ý tưởng chính của khái niệm truyền thông cộng tác [1], [2]
(Cooperative Communication), tạo nên phân tập không gian bằng một phương thức
mới hay còn gọi là hệ thống các anten phân tập không gian “ảo” (hay hệ thống MIMO
ảo). Có nghĩa là các thiết bị di động chỉ có một anten, nhưng chúng có thể “chia sẻ”
anten của mình với các thiết bị khác để tạo thành hệ thống anten phân tập không gian.
Khi đó, dữ liệu của mỗi người dùng (user) được truyền không chỉ bởi chính thiết bị
của người đó mà còn được truyền bởi những thiết bị di động khác. Vì thế đương nhiên
là trên quan điểm thống kê thì việc nhận diện tín hiệu truyền đi ở phía thu sẽ trở nên
đáng tin cậy hơn. Và quan trọng là nếu so với Multi-Input Multi-Output (MIMO)
truyền thông cộng tác không cần phải quan tâm đến vấn đề tích hợp nhiều anten vào
các thiết bị di động, vốn là một vấn đề đòi hỏi chi phí, kích thước thiết bị và sự phức
tạp về công nghệ và phần cứng. Nhờ vậy, các ứng dụng của truyền thông cộng tác
vào các mạng vô tuyến như mạng thông tin di động là cực kì hứa hẹn.
Trong truyền thông cộng tác vô tuyến, liên quan đến mạng vô tuyến di động
hoặc mạng tùy biến không dây, tại đây các nút người dùng có thể nâng cao chất lượng
hiệu quả dịch vụ (tỷ lệ lỗi bit, tỷ lệ lỗi khối, xác suất dừng) thông qua hợp tác các
phần tử khác trong mạng. Có thể dễ dàng nhận ra một người dùng trong mạng vừa là
người dùng vừa là nút chuyển tiếp.


6

Hình 1.1: Sự khác biệt giữa mô hình truyền thông trực tiếp và truyền thông cộng tác,
mở rộng phạm vi truyền của truyền thông hợp tác

1.2.2. Truyền thông cộng tác tăng cường
Nhược điểm mô hình truyền thông cộng tác thông thường đó là việc sử dụng
02 khe thời gian cho việc truyền dữ liệu từ nguồn đến đích. Điều này có thể làm giảm
tốc độ truyền dữ liệu của mạng. Đề giải quyết vấn đề này, truyền thông cộng tác tăng

cường (incremental cooperative communication) [1], [3] đã được đề xuất. Trong
trường hợp kênh truyền giữa nguồn và đích không quá xấu, khi đó một tỷ lệ lỗi các
gói dữ liệu truyền từ nguồn tới đích qua kênh chuyển tiếp sẽ bị lãng phí. Sự chuyển
tiếp có thể không cần sử dụng nữa, truyền thông cộng tác tăng cường vừa có thể đạt
được độ lợi phân tập, vừa có thể nâng cao thông lượng (throughput) cho mạng.
Nếu tỷ lệ tín hiện trên nhiễu (signal-to-noise ratio-SNR) của tín hiệu nhận được
tai các nút chuyển tiếp vượt quá một ngưỡng cho trước, các nút chuyển tiếp sẽ thực
hiện hoạt động giải mã và chuyển tiếp đối với tín hiệu truyền đi. Mặt khác, nếu các
kênh giữa nút nguồn và các nút chuyển tiếp chịu ảnh hưởng của fading làm cho tỷ lệ
SNR dưới ngưỡng cho trước, nút chuyển tiếp sẽ hoạt động ở trạng thái nghỉ (Idle).


7

Hơn nữa, nếu nút nguồn biết được nút đích không giải mã một cách chính xác, nó sẽ
lặp lại việc truyền thông tin tới nút đích hoặc tới các nút chuyển tiếp để có thể chuyển
tiếp thông tin, trường hợp này được gọi là chuyển tiếp tăng cường. Trong trường hợp
này, cần phải có một kênh thông tin phản hồi từ các nút đích đến các nút nguồn và
nút chuyển tiếp.

1.3. Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức và vô tuyến nhận thức dạng
nền
1.3.1. Khái niệm chung về vô tuyến nhận thức
Những năm đầu thập kỷ 90, nền khoa học thế giới nói chung và ngành viễn
thông nói riêng đã có những bước tiến đột phá lớn, khi nhà khoa học Joseph Mitola
đã phát biểu những ý tưởng đầu tiên của mình về vô tuyến và được định nghĩa bằng
phần mềm (Software Defined Radio - SDR) . Sau đó thì vô tuyến này bao gồm một
tần số vô tuyến (Radio Frequency - RF) và một tunner được điều khiển bởi phần
mềm. Các tín hiệu băng gốc được đưa vào một bộ chuyển đổi tương tự - số, tại đó
được lượng tử hóa, sau đó được giải điều chế trong một thiết bị có thể tự cấu hình

như FPGA, bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor - DSP), hoặc máy tính cá
nhân (PC). Với khả năng cấu hình của sơ đồ điều chế nên nó đúng với tên gọi vô
tuyến được định nghĩa bằng phần mềm. Vào năm 1998 trong một kỳ hội thảo tại KTH
(Royal Institute of Technology - Stockholm), những ý tưởng về vô tuyến nhận thức
(CR) đã được manh nha. Và sau đó được công bố trong một bài viết của J. Mitola và
Gerald Q. Maguire, Jr. vào năm 1999. Lúc đó là một phương pháp mới trong truyền
thông vô tuyến, và được J. Mitola định nghĩa như sau:
Vô tuyến nhận thức là một bước tiến của SDR, nó có thể thiết lập các thông
số như băng tần, giao diện, giao thức vô tuyến, trong môi trường biến đổi theo không
gian và thời gian, nhằm tối ưu việc sử dụng phổ vô tuyến.
Kế đến, viện các kỹ sư điện, điện tử Hoa Kỳ (IEEE) đã định nghĩa vô tuyến
nhận thức như sau:


8

Vô tuyến nhận thức là một hệ thống thu/phát được thiết kế để phát hiện nhạy
bén các khoảng phổ trống của phổ vô tuyến và nhảy vào (hoặc thoát ra nếu cần thiết)
các khoảng phổ này, mà không làm ảnh hưởng, gây nhiễu cho các hệ thống được cấp
phép khác.
Đây là một công nghệ rất tiềm năng trong chính sách quy hoạch tần số tĩnh
hiện nay, công nghệ giúp tận dụng các tần số nhàn rỗi không được sử dụng đến bởi
người dùng sơ cấp, tăng cao hiệu suất sử dụng phổ tần của mạng vô tuyến. Qua các
định nghĩa cốt lõi trên ta có thể tóm tắt lại:
Vô tuyến nhận thức là một hệ thống có khả năng thay đổi các thông số truyền,
dựa vào thực tế và tương tác môi trường xung quanh.
Về bản chất các CR là các SDR với trí tuệ nhân tạo, có khả năng cảm nhận và
phản ứng với môi trường. Từ đó cấp phát tài nguyên vô tuyến và các dịch vụ không
dây phù hợp với nhu cầu sử dụng. Công nghệ mới này dựa trên một nền tảng thông
minh giúp cho việc cấp phát phổ tối ưu hơn, làm tăng thêm đáng kể lượng phổ hiện

có của các nhà cung cấp dịch vụ, vận hành mạng.

Hình 1.2: Các khoảng phổ có thể sử dụng được biểu diễn trên miền thời gian
và miền tần số


9

Vô tuyến nhận thức được nghiên cứu để cho phép một đầu cuối vô tuyến có
thể cảm nhận và sử dụng bất kỳ phổ tần số vô tuyến nào có trong thời điểm hiện tại,
nhảy vào sử dụng vùng phổ rỗi và thoát ra ngay khi vùng phổ này cần sử dụng.

Hình 1.3: Những khoảng truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian
và miền tần số

1.3.2. Các mô hình trong vô tuyến nhận thức
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 nút 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.
Hiện nay có ba phương pháp chính để thiết kế mạng vô tuyến nhận thức đó là:
Interweave, Overlay và Underlay.


10

- Mô hình xen kẽ (Interweave): người ta sử dụng thứ cấp thăm dò sự hiện diện

của người dùng sơ cấp để sử dụng những tần số trống một cách hiệu quả và không
can nhiễu tới người dùng sơ cấp.
- Mô hình chia sẻ tần số (Overlay): nút phát thứ cấp đóng vai trò như những
bộ chuyển tiếp tín hiệu sơ cấp cho những nút sơ cấp. Nhờ sự cộng tác này,
hiệu năng của mạng sơ cấp tăng lên, trong khi đó những nút phát thứ cấp tìm
thấy những cơ hội để truyền những tín hiệu của chúng đến những bộ thu thứ
cấp mong muốn.
- Mô hình dạng nền (Underlay): trong mô hình này thì người sử dụng thứ cấp
có thể sử dụng chung tần số với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu của
người dùng thứ cấp tới người dùng sơ cấp ở mức giới hạn cho phép. Để làm
được điều này thì công suất phát của người dùng thứ cấp bị hạn chế, đồng thời
hiệu năng của mạng thứ cấp cũng giảm theo.
Trong ba phương pháp này thì phương pháp Underlay nhận được nhiều sự
quan tâm của các nhà khoa học nghiên cứu gần đây khi mà ưu điểm của nó là cho
phép các mạng sơ cấp và mạng thứ cấp có thể tiến hành song song hai hoạt động
truyền và phát.
Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là để đảm bảo điều kiện can
nhiễu nhận được tại phía máy thu sơ cấp, công suất phát của các máy phát thứ cấp
phải được điều chỉnh phụ thuộc vào độ lợi kênh truyền can nhiễu và kết quả là vùng
phủ sóng của mạng thứ cấp bị giới hạn.


11

Hình 1.4: Sử dụng phổ tần của ba mô hình chính trong vô tuyến nhận thức

1.3.3. Vô tuyến nhận thức dạng nền
Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, các nút phát thứ cấp phải điều
chỉnh công suất phát sao cho thoả mãn mức giao thoa định mức tối đa được quy định
bởi mạng sơ cấp (xem hình 1.5).

Hình 1.5: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Underlay

Người sử dụng mạng vô tuyến nhận thức sẽ sử dụng các công nghệ trải phổ
như: CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) hoặc UWB (siêu di động băng rộng)
để chia sẻ băng tần với người sử dụng được cấp phép. Việc sử dụng các công nghệ


12

trải phổ sẽ giúp cho người sử dụng vô tuyến nhận thức có thể dùng tràn lên băng tần
của người sử dụng được cấp phép bất kể người sử dụng được cấp phép có sử dụng
phổ tần đó hay không. Một vấn đề đặt ra trong phương pháp này là người sử dụng vô
tuyến nhận thức phải kiểm soát được công suất phát của mình để tránh gây nhiễu lên
người sử dụng được cấp phép. Công nghệ chia sẻ phổ tần chìm thường được áp dụng
đối với các mạng tổ ong.

1.4. Tổng quan về NOMA và SIC
1.4.1. Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA
Đa truy nhập phi trực giao (NOMA) là một công nghệ cho phép cần thiết cho
các mạng không dây 5G để đáp ứng nhu cầu không đồng nhất về độ trễ thấp, độ tin
cậy cao, kết nối lớn, và thông lượng cao. NOMA là một kỹ thuật mới cho phép các
thiết bị gửi cùng một lúc các dữ liệu khác nhau đến cùng một người dùng hoặc các
người dùng khác nhau. Ý tưởng của NOMA chính là việc ghép một cách tuyến tính
các dữ liệu lại với nhau rồi gửi đồng thời tín hiệu được ghép này đến nơi nhận. Ở nơi
nhận, các dữ liệu lần lượt được giải mã theo cơ chế loại bỏ nhiễu một cách tuần tự
(Successive Interference Cancellation - SIC). Do đó, cùng một lúc nơi nhận có thể
nhận được nhiều dữ liệu khác nhau, vì thế sẽ nâng cao tốc độ truyền dữ liệu cho hệ
thống. Các nghiên cứu gần đây chứng minh rằng NOMA có tiềm năng được áp dụng
trong các tình huống khác nhau 5G, bao gồm thông tin liên lạc và Internet of

Things. Do hiệu quả quang phổ vượt trội, NOMA cũng đã được đưa vào 3GPP LTE
Advanced gần đây, dưới cái tên "Multi-User Chồng truyền". Vấn đề đặc biệt này sẽ
cung cấp một diễn đàn cho các nghiên cứu mới nhất và đổi mới trong công nghệ
NOMA cũng như các ứng dụng của họ, và sẽ thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và
thực hành trong các thiết kế của 5G.

1.4.2. Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC (Successive
Interference Cancellation)
Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC [13], [15] được sử dụng
trong NOMA để giải mã tín hiệu của từng UE. Trong NOMA, công suất lớn được


13

phân bổ cho UE nằm xa BS nhất và công suất nhỏ dành cho UE gần BS nhất. Trong
mạng, tất cả các UE đều nhận được cùng một tín hiệu mang thông tin cho tất cả
người dùng. Mỗi UE sẽ giải mã tín hiệu mạnh nhất trước, và sau đó trừ đi tín hiệu
giải mã từ tín hiệu nhận được. SIC sẽ nhận và lặp lại phép trừ cho đến khi nó tìm
thấy tín hiệu riêng của nó. UE nằm gần với BS có thể loại bỏ tín hiệu của UE xa.

Hình 1.6: Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC với 3 tín hiệu

Để hiểu rõ hơn về SIC, ta xem xét hình 1.6, minh họa nguồn phát 3 tín hiệu
cho 3 UE cùng lúc có cùng tần số và băng thông, tại mỗi UE tín hiệu nhận được gồm
cả 3 tín hiệu trên, UE sẽ giải mã tín hiệu mạnh nhất trước và xem 2 tín hiệu kia là
nhiễu. Khi tín hiệu đầu được giải mã thành công, nó sẽ bị loại trừ ra, lúc này ta còn 2
tín hiệu 2 và 3, quá trình SIC sẽ lặp lại cho đến khi ta giải mã được tín hiệu mong
muốn.

1.5. Lý do chọn đề tài

Trong đề tài này, Học viên mong muốn nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập
không trực giao (Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA)) trong mạng vô tuyến
nhận thức dạng nền (underlay cognitive radio) với truyền thông cộng tác tăng cường
(incremental cooperative communication).
Như đã đề cập ở trên, đa truy nhập không trực giao (NOMA) là một kỹ thuật
mới được sử dụng để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu cho hệ thống. Đây cũng là hướng
nghiên cứu “nóng” trong thời gian gần đây.


14

Tiếp theo, một trong những vấn đề cấp bách được quan tâm nhiều hiện nay đó
là vấn đề cạn kiệt phổ tần, và vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) đã ra đời nhằm
giải quyết vấn đề này. Trong các phương pháp chia sẻ phổ tần, mô hình Underlay cho
phép người dùng thứ cấp có thể sử dụng phổ tần cùng lúc với người dùng sơ cấp,
miễn là can nhiễu tạo ra từ những hoạt động của người dùng thứ cấp đến người dùng
sơ cấp phải nhỏ hơn một mức giới hạn cho phép. Đó là lý do luận án sẽ nghiên cứu
áp dụng kỹ thuật NOMA cho mạng vô tuyến nhận thức dạng nền nhằm nâng cao
thông lượng cho các mạng vô tuyến nhận thức.
Cuối cùng, để nâng cao hiệu năng cho mạng vô tuyến nhận thức, các giao thức
truyền thông cộng tác (Cooperative Communication) có thể được sử dụng hiệu quả
nhằm bù đắp sự giới hạn về công suất phát cũng như sự ảnh hưởng yếu tố fading của
kênh truyền. Như đã trình bày ở trên, luận án đề xuất sử dụng kỹ thuật truyền thông
cộng tác tăng cường nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ cho hệ thống.

1.6. Các nghiên cứu liên quan
Theo sự hiểu biết tốt nhất của Học viên, chỉ có một số các nghiên cứu liên
quan đến đa truy cập không trực giao trong mạng vô tuyến nhận thức. Trong tài liệu
tham khảo [11], [12], các tác giả nghiên cứu phương pháp phân bổ công suất cho
mạng vô tuyến nhận thức. Trong mô hình này, cả hai nhóm người dùng sơ cấp và thứ

cấp cùng nhận dữ liệu từ một trạm gốc (Base Station) chung, sử dụng kỹ thuật đa truy
cập không trực giao. Trong luận văn này, mạng chuyển tiếp tăng cường trong vô
tuyến nhận thức dạng nền sử dụng đa truy cập không trực giao sẽ được nghiên cứu.
Hơn nữa, Học viên cũng đề xuất phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp để nâng cao
hiệu quả truyền dữ liệu cho mô hình đề xuất.


15

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG

2.1. Mô hình kênh truyền Fading Rayleigh
Đáp ứng của kênh truyền là một quá trình phụ thuộc vào cả thời gian và biên
độ. Biên độ của hàm truyền tại một tần số nhất định tuân theo phân bố Rayleigh, nếu
kênh truyền không tồn tại LOS (Line of Sight), người ta đã chứng minh được đường
bao của tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyền được
gọi là kênh truyền Fading Rayleigh. Khi đó tín hiệu nhận được ở máy thu là tổng hợp
của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ.
Nói cách khác, Fading Rayleigh là mô hình hợp lý cho việc truyền tín hiệu cả
hai tầng đối lưu và điện ly cũng như cho sự ảnh hưởng của môi trường đô thị đến tín
hiệu vô tuyến. Nó không bao gồm thành phần truyền thẳng LOS.
Trong những kênh truyền vô tuyến, phân bố Rayleigh thường được dùng để
mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được
hay đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng đường bao
của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh. Khi môi
trường có nhiều thành phần tán xạ ta có thể dùng mô hình Rayleigh với 2 biến Gauss
ngẫu nhiên và phương sai là  2 thì Z  X 2  Y 2 có phân bố Rayleigh và Z 2 có phân
bố hàm mũ. Nếu rI và rQ đều là biến ngẫu nhiên Gauss. Giả sử phương sai là  2
( công suất thành phần đường bao tín hiệu) ta có:
z  t   r  t   rI2  t   rQ2  t  .

(2.1)

Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất:
z
 2z
2
2
2
 exp   z Pr   2 exp   z  2   ,0  z  

f Z  z    Pr
.

0,
z0


(2.2)


16

Trong công thức (2.2), Pr  2 2 là công suất trung bình của tín hiệu nhận
được, Z 2 có phân phối hàm mũ với hàm mật độ xác suất PDF (Probability Density
Function) được xác định bởi:
fZ 2  x  

1  x Pr
1  x  2 2 

e

e
, x  0.
Pr
2 2

(2.3)

Trong luận văn này, tất cả kênh truyền đều giả sử là kênh fading Rayleigh, và
tất cả các độ lợi kênh truyền đều có phân phối mũ.

2.2. Mô hình đề xuất
2.2.1. Mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền

R1

PU
Rb

S

D

RM
Hình 2.1: Mô hình hệ thống

Hình 2.1 mô tả mô hình hệ thống được nghiên cứu trong luận văn. Trong mô
hình này, hai mạng sơ cấp (primary network) và thứ cấp (secondary network) hoạt
động trên cùng một dải tần, trong đó các thiết bị phát thứ cấp truy cập phổ tần theo

phương thức underlay [9], [16], [17]. Mạng sơ cấp có một người dùng sơ cấp PU
đang hoạt động. Trong khi đó, mạng thứ cấp có 01 nút nguồn thứ cấp S, một nút đích
thứ cấp D và M nút chuyển tiếp thứ cấp, ký hiệu là R1 ,R 2 ,...,R M . Nút nguồn S
muốn gửi dữ liệu đến đích D. Nếu sự truyền dữ liệu giữa S và D không thành công,
một trong những nút chuyển tiếp sẽ được sử dụng để gửi lại dữ liệu đến D. Đây là kỹ


17

thuật truyền thông cộng tác tăng cường (Incremental cooperative communication)
[18], [19].
Trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền, các nút phát thứ cấp như nguồn S
và các nút chuyển tiếp phải hiệu chỉnh công suất để mà giao thoa gây ra tại nút PU
phải nhỏ hơn một ngưỡng I th được quy định bởi nút PU. Thật vậy, công suất phát
của nguồn S sẽ là:
PS 

I th

 SP

,

(2.4)

trong đó,  SP | hSP |2 là độ lợi kênh truyền giữa S và PU, trong đó hSP là hệ số kênh
truyền.
Tương tự, công suất phát của nút chuyển tiếp R m  m  1, 2,..., M  được tính
như sau:

PR m 

I th

R

,

(2.5)

mP

với  R mP | hR mP |2 là độ lợi kênh truyền giữa R m và PU, trong đó hR m P là hệ số kênh
truyền.

2.2.2. Mô hình đa truy nhập không trực giao
Tất cả các nút đều được giả sử chỉ có 01 ănten và hoạt động ở chế độ bán song
công (half-duplex). Do đó, sự truyền dữ liệu giữa nguồn và đích (hoặc thông qua nút
chuyển tiếp được chọn) có thể được thực hiện trong 01 khe thời gian hoặc 02 khe thời
gian.
Ở khe thời gian thứ nhất, nút nguồn kết hợp 02 dữ liệu x1 và x2 lại và gửi đến
nút đích. Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền, các nút chuyển tiếp cũng sẽ nhận
được dữ liệu này. Theo kỹ thuật NOMA, 2 dữ liệu x1 và x2 sẽ được cộng một cách
tuyến tính dưới dạng sau:

x  1PS x1   2 PS x2 ,

(2.6)