Phát triển giải pháp cảm biến phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thức (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
-----------------

NGUYỄN VIẾT TUYẾN

PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP CẢM BIẾN PHỔ CHO HỆ THỐNG
VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số

: 9 52 02 03

HÀ NỘI - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
----------------NGUYỄN VIẾT TUYẾN

PHÁT TRIỂN GIẢI PHÁP CẢM BIẾN PHỔ CHO HỆ THỐNG
VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số

: 9 52 02 03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS-TS VÕ KIM
2. TS NGUYỄN HẢI DƯƠNG

HÀ NỘI - 2018


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, một phần đã được công
bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành, kỷ yếu hội nghị khoa học trong
nước và quốc tế. Phần còn lại chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên
cứu nào. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích đầy đủ và theo đúng
quy định.

Hà Nội, ngày 15 tháng 12 năm 2018
NGHIÊN CỨU SINH

Nguyễn Viết Tuyến

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 biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Võ Kim,
TS. Nguyễn Hải Dương đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong quá
trình nghiên cứu.
Xin trân trọng cảm ơn TS. Hoàng Mạnh Kha đã có những góp ý quan
trọng trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ môn Xung số - Vi xử lý Khoa Vô
tuyến Điện tử, Phòng Sau Đại học Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện
thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả cũng xin cảm Trường Đại học
Công nghiệp Hà Nội, là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho phép tác giả có
thể tham gia nghiên cứu trong các năm làm nghiên cứu sinh.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, đồng
nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua các khó khăn để đạt được
những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay.

Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2018
NGHIÊN CỨU SINH

Nguyễn Viết Tuyến


i

MỤC LỤC

MỤC LỤC ......................................................................................................... i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. v
DANH MỤC BẢNG BIỀU, LƯỢC ĐỒ ...................................................... vii
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC......................................................... viii
MỞ ĐẦU.. ........................................................................................................ 1
Chương 1: TỔNG QUAN KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ TRONG MẠNG
VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ............................................................................ 8
1.1.Giới thiệu ............................................................................................ 8
1.2.Vô tuyến nhận thức ............................................................................. 9
1.3.Các kỹ thuật cảm biến phổ ................................................................ 12
1.4.Cảm biến phổ hợp tác ....................................................................... 17
1.5.Kỹ thuật ước lượng tham số.............................................................. 23
1.6.Thuật toán tối ưu ............................................................................... 25
1.7.Mô hình Markov ẩn .......................................................................... 29
1.8.Tóm tắt chương ................................................................................. 31
Chương 2: NÂNG CAO HIỆU QUẢ KỸ THUẬT CẢM BIẾN PHỔ TẠI
NÚT RIÊNG LẺ ............................................................................................ 33
2.1.Giới thiệu .......................................................................................... 33
2.2.Mô hình hệ thống CED ..................................................................... 35
2.3.Đề xuất hệ thống ED-EM ................................................................. 39


ii

2.4.Đề xuất ước lượng công suất nhiễu dùng EM kết hợp với GA xác định
ngưỡng tối ưu. ................................................................................................. 45
2.5.Đề xuất sử dụng mô hình HMM để xác định trạng thái kênh .......... 52
2.6.Tóm tắt chương ................................................................................. 61
Chương 3: XÁC ĐỊNH BỘ TRỌNG SỐ TỐI ƯU TRONG CẢM BIẾN
PHỔ HỢP TÁC QUYẾT ĐỊNH MỀM ....................................................... 63

3.1.Giới thiệu .......................................................................................... 63
3.2.Mô hình hệ thống CSS-SDF ............................................................. 64
3.3.Đề xuất hệ thống CSS- SDF dùng GA (GA-SDF) kết hợp với ước
lượng công suất nhiễu dùng EM (EMGA-SDF) ............................................. 66
3.4.Đề xuất hệ thống CSS- SDF dùng thuật toán đàn dơi (BA-SDF) .... 73
3.5.Tóm tắt chương ................................................................................. 82
KẾT LUẬN .................................................................................................... 83
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................... 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 86


iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết

Nghĩa tiếng Anh

Nghĩa Tiếng Việt

ABA

Adaptive Bat Algorithm

Thuật toán đàn dơi thích nghi

ADC

Analog Digital Converter

Bộ biến đổi tương tự - số

AF

Amplify and Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

AWGN

Additive White Gauss Noise

Tạp âm Gauss trắng cộng tính

BA

Bat Algorithm

Thuật toán đàn dơi

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khóa dịch pha nhị phân

CED

Conventional Energy

Kỹ thuật phát hiện năng lượng

Detection

truyền thống

Cyclostationary Feature

Phát hiện đặc tính dừng của

Detection

tín hiệu

CP

Cyclic Prefix

Tiếp đầu tuần hoàn

CRN

Cognitve Radio Netwok

Mạng vô tuyến nhận thức

CFAR

Constant False Alarm Rate

Xác suất phát hiện nhầm

tắt

CFD

không đổi
CDR

Constant Detection Rate

Xác suất phát hiện đúng không
đổi

CSS

Cooperative

Spectrum Cảm biến phổ hợp tác

Sensing
DSA

Dynamic Spectrum Access

Truy cập phổ động

ED

Energy Detection

Phát hiện năng lượng

EGC

Equal Gain Combining

Kết hợp đồng độ lợi


iv

EM

Expectation Maximization

Cực đại hóa kì vọng

FC

Fussion Center

Nút quyết định

FSA

Fixed Spectrum Allocation

Phân bố phổ tần cố định

GA

Genetic Algorithm

Thuật toán di truyền

HDF

Hard Decision Fusion

Quyết định cứng

HMM

Hidden Markov Model

Mô hình Markov ẩn

HOS

High Order Statistic

Thống kê bậc cao

MF

Matched Filter

Bộ lọc kết hợp

ML

Maximum Likelihood

Hợp lý cực đại

MRC

Maximal Ratio Combination

Kết hợp với tỉ lệ cực đại

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PSD

Power Spectral Density

Mật độ phổ công suất

PU

Primary User

Người dùng chính

ROC

Receiver Operating

Đường cong đặc tính nhận

Characteristic
Received Signal Strength

Chỉ số cường độ tín hiệu nhận

Index

được

SCD

Spectral Correlation Density

Mật độ phổ tương quan

SDF

Soft Decision Fusion

Quyết định mềm

SDR

Software Defined Radio

Vô tuyến định nghĩa mềm

SS

Spectrum Sensing

Cảm biến phổ

SU

Secondary User

Người dùng thứ cấp

Wi-Fi

Wireless Fidelity

Mạng cục bộ vô tuyến

RSSI


v

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hố phổ và truy cập phổ động ............................................................ 9
Hình 1.2. Phân loại kỹ thuật cảm biến phổ ..................................................... 14
Hình 1.3. Năng lượng thu được tại SU, khi tín hiệu PU là BPSK, kênh Gauss,

N=15, SNR=2dB ............................................................................. 14
Hình 1.4. Phân loại cảm biến phổ hợp tác ...................................................... 19
Hình 1.5. Mô hình Markov ẩn......................................................................... 30
Hình 2.1. Sơ đồ khối CED .............................................................................. 36
Hình 2.2. Quan hệ giữa Pf , σ n2 và λ ............................................................ 39
Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống đề xuất ED-EM .............................................. 39
Hình 2.4. PDF của dữ liệu phân bố Gauss ...................................................... 40
(a): Dữ liệu đầy đủ, (b): Dữ liệu bị cắt ............................................................ 40
Hình 2.5. Ngưỡng quyết định khi công suất nhiễu thay đổi với Pf =0,1 ......... 43
Hình 2.6. Ngưỡng quyết định khi ngưỡng cắt thay đổi .................................. 44
Hình 2.7. Xác suất phát hiện Pd khi ngưỡng cắt Tc = 60, σ n2 = 0,8 ................ 44
Hình 2.8. Sơ đồ khối đề xuất ED-EMGA ....................................................... 46
Hình 2.9. Lưu đồ thuật toán ED-GA ............................................................... 48
Hình 2.10. Tốc độ hội tụ hàm mục tiêu dùng GA, SNR = -20dB .................. 49
Hình 2.11. Ngưỡng tối ưu khi SNR = [-25,0] dB, α = 10%, 50%, 90% ......... 50
Hình 2.12. Xác suất phát hiện Pd , α = 50% .................................................... 51
Hình 2.13. Xác suất lỗi phát hiện Pe , α = 50% ................................................ 51
Hình 2.14. Sự đánh đổi giữa Pm và Pf ........................................................... 52


vi

Hình 2.15. Mô tả dự đoán trạng thái kênh ...................................................... 53
Hình 2.16. Mô hình HMM trạng thái kênh của PU ........................................ 54
Hình 2.17. Histogram của xt............................................................................ 55
Hình 2.18. Histogram của st trong trường hợp H0 .......................................... 58
Hình 2.19. Histogram của st trong trường hợp H1 .......................................... 58
Hình 2.20. Histogram của xt trong trường hợp H0 .......................................... 59
Hình 2.21. Histogram của xt trong trường hợp H1 .......................................... 59
Hình 2.22. PA với SNR=-5dB ......................................................................... 60

Hình 2.23. PA khi SNR thay đổi ..................................................................... 60
Hình 2.24. Xác suất phát hiện Pd sử dụng HMM ............................................ 61
Hình 3.1. Mô hình hệ thống CSS – SDF......................................................... 64
Hình 3.2. Mô hình hệ thống đề xuất EMGA – SDF ....................................... 67
Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán GA – SDF .......................................................... 68
Hình 3.4. Toán tử lai ghép ............................................................................... 69
Hình 3.5. ROC của hệ thống GA-SDF với số SU khác nhau ......................... 71
Hình 3.6. So sánh hệ thống EMGA – SDF và GA-SDF ................................. 72
Hình 3.7. Lưu đồ thuật toán BA- SDF ............................................................ 75
Hình 3.8. ROC của GA-SDF và BA-SDF với 1000 vòng lặp ........................ 77
Hình 3.9. Tốc độ hội tụ của BA-SDF và GA-SDF ......................................... 77
Hình 3.10. So sánh ROC của BA-SDF và GA-SDF ....................................... 78
Hình 3.11. ROC của BA-SDF với số lượng SU thay đổi ............................... 79
Hình 3.12. Quan hệ giữa ψ và số lượng SU ................................................... 81
Hình 3.13. So sánh tốc độ hội tụ giữa ABA-SDF và BA-SDF ....................... 82


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full