Phân tích mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN QUỐC THÁI

PHÂN TÍCH MẠNG RELAY
GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP NHẬN THỨC NỀN
VỚI THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN KHÔNG ĐẦY ĐỦ

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012


Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS.Hồ Văn Khƣơng.................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo............................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Đặng Thành Tín......................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 26 tháng 12 năm 2012
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS.TS. Hồng Đình Chiến – Chủ Tịch
2. TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo – Phản biện 1

3. TS. Đặng Thành Tín – Phản biện 2
4. TS. Hồ Văn Khƣơng - Ủy viên
5. TS. Chế Viết Nhật Anh – Thƣ ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Quốc Thái............................................. MSHV: 11140059 ..........
Ngày, tháng, năm sinh: 13/10/1982 ......................................... Nơi sinh: Trà Vinh .........
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử ............................................. Mã số : 60 52 70 ..........
I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với
thông tin kênh truyền không đầy đủ .............................................................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Luận văn phân tích hiệu quả của mạng relay nhận
thức nền qua xác suất lỗi bit và xác suất công suất phát của các user vƣợt quá
ngƣỡng cho phép. Từ kết quả phân tích, đƣa ra các khuyến cáo và giải pháp cải
thiện. ...............................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012 ...............................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012 ................................................

V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS. Hồ Văn Khƣơng .......................................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƢỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắt nhất đến Thầy Hồ Văn
Khương, Thầy đã hết lịng tận tình chỉ bảo và dẫn dắt tơi trên con đường nghiên
cứu khoa học của mình.
Xin cảm ơn Quý Thầy Cô khoa Điện-Điện tử Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM
những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức cùng với những kinh nghiệm vô
cùng quý báu.
Tơi xin cảm ơn các bạn cùng khóa, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều
kiện cho tôi rất nhiều trong việc học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn cha mẹ và gia đình tơi, những người đã ln động viên,
tận tình chăm sóc và dạy bảo để tôi được như ngày hôm nay!

Trần Quốc Thái

CBHD: TS.Hồ Văn Khƣơng

`

ABSTRACT
Cognitive radio (CR) designed to increase spectrum utilization by allowing the CR
users to coexist with the primary users (PU), as long as the interference caused by
the SU to each PU is properly regulated. Practical operation conditions show that
channel state information (CSI) is imperfect, and so the impact of imperfect CSI on
the system performance should be considered. In this thesis, we will perform
analysis and evaluation of underlay cognitive decode and forward (DF) relay
networks under imperfect channel information, derive the closed-form bit error rate
(BER) expression and interference probability of the PU (Pr). The resulting BER
depends on the quality of channel estimators, position and number of relay, path
loss exponent, maximum peak interference that PU can tolerate and maximum SU
transmit power constraint. Moreover, this thesis provides a closed-form BER, Pr
and solution to guarantee the PU’s interference probability below an acceptable
value via back-off power control mechanism. Analytical results are confirmed by
comparison with simulated ones.

i

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Mạng vơ tuyến nhận thức (Cognitive radio – CR) đƣợc thiết kế nhằm mục đích tăng
hiệu quả sử dụng phổ tần số, cho phép các CR user có thể hoạt động đồng thời trên
cùng một băng tần với các user mạng primary (PU) với điều kiện CR user không
gây nhiễu cho mỗi PU vƣợt mức ngƣỡng cho phép. Các điều kiện thực tế cho thấy
thông tin kênh truyền là không đầy đủ và vì vậy, ảnh hƣởng của kênh truyền lên
chất lƣợng hệ thống mạng cần phải đƣợc xem xét. Luận văn này thực hiện phân tích
hiệu quả mạng relay giải mã và nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy
đủ, xác định cơng thức tính tỷ lệ lỗi bit (BER) và xác suất CR user gây nhiễu cho
PU vƣợt mức ngƣỡng cho phép (Pr). Kết quả, tỷ lệ lỗi bit phụ thuộc vào chất lƣợng
ƣớc lƣợng kênh truyền, số lƣợng và vị trí relay, hệ số suy hao trong khơng gian,
mức ngƣỡng cho phép CR user gây nhiễu cho PU, cơng suất CR user đƣợc phép
phát tối đa. Ngồi ra, luận văn đã đƣa ra đƣợc cơng thức tính BER, Pr và giải pháp
giảm xác suất gây nhiễu cho PU thông qua kỹ thuật điều khiển công thức back-off.
Kết quả phân tích đã đƣợc kiểm tra với kết quả mơ phỏng theo lý thuyết.

ii

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... i
MỤC LỤC ............................................................................................................. iii
DANH MỤC HÌNH .............................................................................................. vii
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. x
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU ...................................................................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài .......................................................................................... 1
1.2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................... 4
1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 4
1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................... 4
1.5. Kết quả và đóng góp của luận văn ................................................................. 5
1.6. Bố cục của luận văn ...................................................................................... 6
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VÀ KỸ THUẬT
RELAY ................................................................................................................... 8
2.1. Mạng vô tuyến nhận thức .............................................................................. 7
2.1.1. Giới thiệu về mạng vô tuyến nhận thức................................................... 7
2.1.2. Kiến trúc hệ thống mạng vô tuyến nhận thức .......................................... 9
2.1.3. Cấu trúc của mạng vô tuyến nhận thức ................................................. 11
2.1.4. Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức trong môi trƣờng OSI .................... 12
2.1.5. Nguyên tắc hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức ............................ 12
2.1.6. Kỹ thuật truy cập phổ ........................................................................... 15
2.2. Kỹ thuật relay ............................................................................................. 17
2.2.1. Chức năng của relay ............................................................................. 17
2.2.2. Mơ hình và phân loại relay ................................................................... 17
CHƢƠNG III: LÝ THUYẾT THƠNG TIN VƠ TUYẾN ...................................... 20
3.1. Mơi trƣờng kênh truyền vô tuyến ................................................................ 20

iii

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

3.2. Kênh truyền vô tuyến .................................................................................. 21
3.2.1. Hiện tƣợng fading ................................................................................. 21
3.2.2. Kênh truyền Rayleigh, kênh truyền Rice và kênh truyền Nakagami-m . 24
3.3. Điều chế và giải điều chế tín hiệu số ........................................................... 27
3.3.1. Điều chế tín hiệu số .............................................................................. 27
3.3.2. Giải điều chế ........................................................................................ 34
3.4. Ƣớc lƣợng kênh truyền ............................................................................... 34
3.4.1. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng MMSE ........................................................... 34
3.4.2. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng LMMSE ......................................................... 34
CHƢƠNG IV: PHÂN TÍCH CHẤT LƢỢNG MẠNG RELAY GIẢI MÃ VÀ
CHUYỂN TIẾP NHẬN THỨC NỀN .................................................................... 36
4.1. Mơ hình hệ thống mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền ........... 36
4.2. Mơ hình kênh truyền mạng CR với thông tin kênh truyền không đầy đủ ..... 38
4.3. Công suất phát của CR user với thông tin kênh truyền khơng đầy đủ .......... 39
4.4. Phân tích tỷ lệ lỗi bit BER của mạng CR với thông tin kênh truyền khơng
đầy đủ ................................................................................................................ 40
4.5. Phân tích BER của mạng CR với thông tin kênh truyền không đầy đủ và điều
kiện công suất phát tối đa của CR user là Pm ...................................................... 44
CHƢƠNG V: XÁC SUẤT MẠNG RELAY VÔ TUYẾN NHẬN THỨC NỀN
GÂY NHIỄU VƢỢT NGƢỠNG CHO PHÉP ....................................................... 48
5.1. Phân tích xác suất cơng suất phát của CR user gây nhiễu cho PU vƣợt
ngƣỡng cho phép trong trƣờng hợp không có điều kiện Pm ................................ 48
5.1.1. Xác suất cơng suất phát của CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng
cho phép ......................................................................................................... 48
5.1.2. Hệ số điều khiển công suất back-off ρ .................................................. 53
5.1.3. Phân tích ảnh hƣởng của hệ số điều khiển công suất back-off đối với chất
lƣợng mạng ..................................................................................................... 55
5.2. Phân tích xác suất cơng suất phát của CR user gây nhiễu đến mạng primary

vƣợt ngƣỡng cho phép trong trƣờng hợp có điều kiện Pm ................................... 56
5.2.1. Xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng
cho phép trong trƣờng hợp có điều kiện công suất phát tối đa Pm .................... 56
5.2.2. Hệ số điều khiển công suất back-off ρ trong trƣờng hợp có điều kiện Pm58
iv

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

5.2.3. Phân tích ảnh hƣởng của hệ số điều khiển công suất back-off đối với chất
lƣợng mạng trong trƣờng hợp có Pm ................................................................ 60
CHƢƠNG VI: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ................................................................ 62
6.1. Mơ hình hệ thống ........................................................................................ 62
6.2. Mô phỏng và đánh giá sự thay đổi của BER theo các thơng số mạng trong
trƣờng hợp khơng có điều kiện công suất phát tối đa Pm .................................... 63
6.2.1. Mô phỏng BER theo tỷ số IT/N0 ứng với điều chế 2-QAM và 4-QAM .. 63
6.2.2. Mô phỏng BER theo IT/N0 ứng với vị trí và số lƣợng relay khác nhau .. 65
6.2.3. Mô phỏng BER theo số lƣợng pilot symbol .......................................... 67
6.2.4. Mô phỏng BER theo theo hệ số suy hao trong không gian α ................ 67
6.2.5. Mô phỏng BER theo số lƣợng relay ...................................................... 68
6.2.6. Kết luận ................................................................................................ 70
6.3. Mô phỏng và đánh giá BER theo các thông số mạng CR trong trƣờng hợp có
điều kiện cơng suất phát tối đa Pm ...................................................................... 71
6.3.1. Mô phỏng và đánh giá BER theo tỷ số IT/N0 ......................................... 71
6.3.2. So sánh sự thay đổi BER theo IT/N0 trong trƣờng hợp có và khơng có
điều kiện cơng suất phát tối đa Pm ................................................................... 73

6.3.3. Mô phỏng BER theo Pm/N0 ................................................................... 74
6.3.4. Mô phỏng BER theo số lƣợng pilot symbol .......................................... 75
6.3.5. Mô phỏng BER theo hệ số suy hao trong không gian α ......................... 77
6.3.6. Kết luận ................................................................................................ 78
6.4. Mô phỏng xác suất công suất phát của các user mạng CR gây nhiễu cho
mạng primary vƣợt quá ngƣỡng cho phép (Pr) ................................................... 79
6.4.1. Mô phỏng Pr theo IT/N0 trong trƣờng hợp không có điều kiện P m ......... 79
6.4.2. Mơ phỏng Pr theo IT/N0 và hệ số điều khiển công suất back-off ρ ......... 80
6.4.3. Mô phỏng BER theo IT/N0 ứng với trƣờng hợp ρ khác nhau ................. 82
6.4.4. Mô phỏng Pr theo IT/N0 ứng với ρ thay đổi trong trƣờng hợp có điều kiện
cơng suất phát tối đa Pm .................................................................................. 83
6.4.5. Mô phỏng Pr theo IN/N0 và Pm/N0 ......................................................... 85
6.4.6. Mô phỏng Pr theo Pm/N0 ứng với ρ thay đổi ......................................... 88
6.4.7. Mô phỏng BER theo IT/N0 ứng với trƣờng hợp ρ khác nhau ................. 90

v

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

6.5. Kết luận chung ............................................................................................ 91
CHƢƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .................................... 93
7.1. Kết luận ...................................................................................................... 93
7.2. Hƣớng phát triển của đề tài ......................................................................... 94
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 95
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ................................................................................... 98

vi

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Phổ tần số đƣợc sử dụng và khoảng trắng ................................................ 1
Hình 1.2: Sơ đồ mạng relay vơ tuyến nhận thức ...................................................... 3
Hình 2.1: Các khoảng trống của phổ ........................................................................ 7
Hình 2.2: Kiến trúc hạ tầng cơ sở của mạng vô tuyến nhận thức .............................. 9
Hình 2.3: Kiến trúc mạng CR trong mơi trƣờng OSI.............................................. 12
Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động của mạng CR ...................................................... 13
Hình 2.5: Các kỹ thuật cảm biến phổ ..................................................................... 14
Hình 2.6: Sơ đồ khối của phƣơng pháp tách năng lƣợng ........................................ 14
Hình 2.7: Kỹ thuật truy cập phổ underlay .............................................................. 16
Hình 2.8: Kỹ thuật truy cập phổ overlay và underlay ............................................. 16
Hình 2.9: Mơ hình relay trong mạng tế bào ........................................................... 17
Hình 2.10: Mơ hình relay đa hop ........................................................................... 17
Hình 2.11: Mơ hình relay hợp tác .......................................................................... 18
Hình 3.1: Hiện tƣợng doppler ................................................................................ 20
Hình 3.2: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Ricean ................................. 25
Hình 3.3: Hàm mật đồ phân bố Nakagami-m ......................................................... 26
Hình 3.4: Sơ đồ mạch truyền tín hiệu rời rạc ......................................................... 28
Hình 3.5: Điều chế M-PSK .................................................................................... 30
Hình 3.6: Giản đồ sao điều chế M-QAM ............................................................... 32

Hình 3.7: Giản đồ tín hiệu QAM ........................................................................... 32
Hình 3.8: Nhận dạng quyết định cứng ................................................................... 33
Hình 4.1: Mơ hình hệ thống mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền ...... 36
Hình 4.2: Giản đồ khơng gian tín hiệu 4x4-QAM hình vng (m = 4 chẵn) ........... 41
Hình 4.3: Giản đồ khơng gian tín hiệu 8x4-QAM hình chữ nhật (m = 5 lẻ) ........... 41
Hình 6.1: Mơ hình mạng relay vơ tuyến nhận thức nền .......................................... 62
Hình 6.2: BER theo tỷ số IT/N0 [dB] ứng với điều chế 2-QAM và 4-QAM ............ 63
Hình 6.3:Sơ đồ truyền tín hiệu mạng CR với số lƣợng và vị trí relay khác nhau .... 65
Hình 6.4: BER theo IT/N0 ứng với sự thay đổi số lƣợng và vị trí relay ................... 65
vii

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

Hình 6.5: Khảo sát BER theo số lƣợng pilot symbols (IT/N0 = 10 dB).................... 67
Hình 6.6: Khảo sát BER theo hệ số suy hao trong không gian α ( IT/N0 = 10 dB) ... 68
Hình 6.7: Sơ đồ mạng vô tuyến nhận thức nền với N nút relay .............................. 69
Hình 6.8: Khảo sát BER theo số hop N ( IT /N0 = 5 dB) ......................................... 69
Hình 6.9: Mô phỏng BER theo tỷ số IT/N0 ( Pm/No = 12 dB) .................................. 72
Hình 6.10: So sánh BER theo IT/N0 trong trƣờng hợp có và khơng có điều kiện Pm 73
Hình 6.11: BER theo Pm/N0 ( IT/N0 = 10 dB) ......................................................... 75
Hình 6.12: Mơ phỏng BER theo Lp ( IT/N0 = 10 dB; Pm/N0 = 12 dB) ..................... 76
Hình 6.13: BER theo Lp ( IT/N0 = 10 dB;Pm/N0 = 12 dB;N = 3) ............................. 79
Hình 6.14: So sánh BER theo α trong trƣờng hợp có và khơng có Pm ................... 77
Hình 6.15: Pr theo IT/N0 ứng với số hop mạng (N = 2 và N = 3) ............................ 79
Hình 6.16: Pr theo IT/N0 và hệ số điều khiển công suất back-off ρ (N = 2) ............. 80

Hình 6.17: Pr theo IT/N0 và hệ số điều khiển công suất back-off ρ (N = 3) ............. 81
Hình 6.18: Pr theo IT/N0 [dB] ứng với hệ số ρ, N khác nhau ................................... 81
Hình 6.19: BER theo IT/N0 ứng với hệ số ρ, N thay đổi.......................................... 82
Hình 6.20: BER theo IT/N0 ứng với hệ số ρ và điều chế khác nhau (N = 3) ............ 83
Hình 6.21: Pr theo IT/N0 và ρ (N = 2; Pm/N0 = 12 dB) ............................................ 84
Hình 6.22: Pr theo IT/N0 và ρ (N = 3; Pm/N0 = 12 dB) ............................................ 84
Hình 6.23: Pr theo IT/N0 và ρ ( Pm/N0 = 12 dB) ...................................................... 85
Hình 6.24: Pr theo IT/N0 và Pm/N0 (N = 2) .............................................................. 86
Hình 6.25: Pr theo IT/N0 và Pm/N0 (N = 3) .............................................................. 86
Hình 6.26: Pr theo IT/N0 ứng với trƣờng hợp Pm/N0 và N khác nhau ...................... 87
Hình 6.27: Pr theo Pm/N0 ứng với trƣờng hợp IT/N0 và N khác nhau ....................... 87
Hình 6.28: Mơ phỏng Pr theo Pm/N0 và ρ (N = 2; IT/N0 = 12 dB) ........................... 88
Hình 6.29: Mơ phỏng Pr theo Pm/N0 và ρ ( N = 3; IT/N0 = 12 dB) .......................... 89
Hình 6.30: Pr theo Pm/N0 và ρ ( IT/N0 = 12 dB) ...................................................... 89
Hình 6.31: Mơ phỏng BER theo IT/N0 ứng với hệ số ρ, N thay đổi......................... 90
Hình 6.32: BER theo IT/N0 ứng với hệ số ρ và điều chế khác nhau (N = 3) ............ 90

viii

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Hiệu suất sử dụng băng tần ...................................................................... 7

ix

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AF

Amplify and Forward

AM

Amplitude Modulation

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit Error Rate

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BS

Base Station

CDF

Cumulative Distribution Function

CR

Cognitive Radio

CSI

Channel State Information

DF

Decode and Forward

FCC

Fedeal Communications Commission

FM

Frequency Modulation

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

LAN

Local Area Network

LOS

Line Of Sight

LMMSE

Linear Minimum Mean Square Error

MAC

Media Access Control

MAN

Metropolitan Area Network

MMSE

Minimum Mean Square Error

MSE

Mean Square Error

OSI

Open Systems Interconnection

x

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`
PAM

Pulse Amplitude Modulation

PDF

Probability Density Function

PN

Primary Network

PSK

Phase Shift Keying

Pr

Probability

PU

Primary User

QAM

Quadrature Amplitute Modulation

QoS

Quality of Service

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

SU

Secondary User

RF

Radio Frequency

UWB

Ultra-Wide Band

WRAN

Wireless regional area network

xi

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU
1.1. Lý do chọn đề tài
Tần số vô tuyến là nguồn tài nguyên hữu hạn do đó mỗi tổ chức muốn sử dụng
tài ngun vơ tuyến nhằm mục đích gì đều phải đƣợc cấp phép của quốc gia đó.
Ngày nay, với việc phát triển bùng nổ về khoa học kỹ thuật nói chung và lĩnh vực
thơng tin vơ tuyến nói riêng, nhu cầu tài nguyên tần số vô tuyến ngày càng gia tăng.
Tuy nhiên, do hầu hết băng tần đã đƣợc đăng ký sử dụng cho licensed user hay
primary user, đòi hỏi các nhà khai thác dịch vụ phải cạnh tranh rất quyết liệt để có
đƣợc giấy phép sử dụng băng tần mới. Mặt khác, hiệu suất sử dụng và khai thác
băng tần đƣợc cấp phép cho các nhà cung cấp dịch vụ (FM, AM, TV, Viba, Wimax)
không cao. Theo thống kê của tổ chức Federal Communications Commission (FCC)
thì hiện nay trên thế giới hiệu quả sử dụng tần số trong khoảng 15 - 85% [9]. Vì
vậy, mạng vơ tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) đã đƣợc nghiên cứu và phát
tiển nhằm tận dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tần số vô tuyến.

Hình 1.1: Phổ tần số đƣợc sử dụng và khoảng trắng
Chƣơng 1: Giới thiệu

1

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

Định nghĩa của FCC về mạng vô tuyến nhận thức: CR là mạng thông tin vô tuyến,
nó có khả năng thay đổi các thơng số dựa trên sự tƣơng tác với mơi trƣờng mà nó
đang hoạt động.
Khái niệm vô tuyến nhận thức lần đầu tiên đƣợc đƣa ra bởi Joseph Mitola III tại hội
nghị KTH (the Royal Institute of Technology in Stockholm) năm 1998 và bài báo
đƣợc công bố vào năm 1999. Ý tƣởng về mạng vơ tuyến nhận thức nhƣ sau: ban
đầu chỉ có một mạng chính (Primary networks) đƣợc cấp phép sử dụng trên một dãy
băng tần nhƣng không phải lúc nào băng tần đó cũng đƣợc sử dụng. Nhƣ vậy, tại
thời điểm khoảng băng tần này trống thì nó cho phép user thứ hai (CR user) của
mạng CR sử dụng. Đây là một kỹ thuật mới nhằm nâng cao hiệu quả việc sử dụng
băng tần.
Đặc tính quan trọng của mạng CR là khả năng phát hiện khoảng băng tần đang đƣợc
sử dụng [11]. Đây chính là vấn đề quan trọng khơng chỉ ngăn chặn sự ảnh hƣởng
của nhiễu đến hệ thống hiện hữu mà cịn có khả năng tìm băng tần trống để sử dụng
hiệu quả tần số vô tuyến trong thông tin liên lạc.
Mạng vơ tuyến nhận thức có ba kỹ thuật truy cập phổ: underlay, overlay và
interweave. Trong thuật truy cập phổ underlay, các CR user sẽ sử dụng đồng thời
cùng băng tần với primary user (PU). Tuy nhiên, kỹ thuật truy cập phổ underlay bắt
buộc công suất phát của các user mạng CR phải thấp nhằm không gây nhiễu cho PU
vƣợt quá mức ngƣỡng cho phép [6].
Nhƣ vậy: ƣu điểm nổi bật của mạng vô tuyến nhận thức nền (underlay) chính là khả
năng sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tần số vô tuyến. Tuy nhiên, hạn chế của
mạng vô tuyến nhận thức nền chính là sự giới hạn cơng suất phát của các user, do

đó vùng phủ sóng của mạng CR sẽ bị hạn chế. Để khắc phục vấn đề này, ta sẽ kết
hợp kỹ thuật relay vào mạng vơ tuyến nhận thức.
Relay có chức năng giải mã và chuyển tiếp (hoặc khuếch đại và chuyển tiếp) thông
tin nhận đƣợc. Ngồi ra, relay cịn có chức năng xử lý tín hiệu thu đƣợc trƣớc khi
chuyển tín hiệu đến đích.
Chƣơng 1: Giới thiệu

2

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

Mơ hình relay có 2 loại: đa hop (multihop) và hợp tác (cooperative). Phƣơng pháp
xử lý tín hiệu tại relay gồm có hai phƣơng pháp: mã hóa và chuyển tiếp (DF) và
khuếch đại và chuyển tiếp (AF).

Hình 1.2: Sơ đồ mạng relay vơ tuyến nhận thức
Từ những ƣu điểm và khuyết điểm của mạng vô tuyến nhận thức nền và kỹ thuật
relay, ta có thể ứng dụng kỹ thuật relay vào mạng CR trên nhằm cải thiện vùng phủ
sóng, nâng cao chất lƣợng tín hiệu, đồng thời giảm bớt sự ảnh hƣởng của mạng vô
tuyến nhận thức nền đến PU.
Các nghiên cứu gần đây đã đƣa ra các kỹ thuật và phƣơng pháp phát hiện phổ tần
trống của mạng vô tuyến nhận thức [8], [12]. Phân tích mơ hình, phƣơng pháp
chọn lựa relay và ảnh hƣởng của relay đến chất lƣợng mạng thông tin vô tuyến đã
đƣợc trình bày trong [2], [15], [24], [28]. Tài liệu [1], [4] đã trình bày phƣơng pháp
ƣớc lƣợng kênh truyền ảnh hƣởng rất lớn đến chất lƣợng mạng. Ngoài ra, trong [3]

tác giả đã phân tích hiệu quả của mạng vô tuyến nhận thức với thông tin kênh
truyền đầy đủ. Trong [6],[13] tác giả đã phân tích xác suất mất mát, dung lƣợng và
đề xuất các giải pháp cải thiện dung lƣợng của mạng relay vô tuyến nhận thức nền
với thông tin kênh truyền đầy đủ. Trong [6],[7] tác giả phân tích xác suất CR user
gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng cho phép của mạng relay vô tuyến nhận thức.
Tuy nhiên trong thực tế, thông tin kênh truyền cần phải đƣợc ƣớc lƣợng và hầu hết
các giải thuật ƣớc lƣợng kênh truyền đều tạo ra sai số, dẫn đến thông tin kênh
Chƣơng 1: Giới thiệu

3

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

truyền khơng đầy đủ ở phía thu. Do đó, việc đánh giá hiệu quả mạng relay giải mã
và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền khơng đầy đủ rất cần thiết.
1.2. Mục đích nghiên cứu
Luận văn này sẽ phân tích hiệu quả mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận
thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ, nhằm làm rõ ƣu điểm và khuyết
điểm của sự kết hợp kỹ thuật relay và mạng vơ tuyến nhận thức nền. Phân tích ảnh
hƣởng của các thông số mạng đối với chất lƣợng mạng và xác suất CR user gây
nhiễu cho PU vƣợt quá mức ngƣỡng cho phép. Đƣa ra các khuyến cáo về giới hạn
chất lƣợng của mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền. Từ kết quả phân
tích, đề xuất các giải pháp lựa chọn các thông số hệ thống cho phù hợp nhằm cải
thiện chất lƣợng mạng và giảm xác suất CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá mức
ngƣỡng cho phép.

1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu chính là mạng vơ tuyến nhận thức nền kết hợp với kỹ
thuật relay.
- Kỹ thuật truy cập phổ: underlay.
- Phƣơng pháp xử lý tín hiệu tại relay: giải mã và chuyển tiếp (DF).
- Mơ hình kênh truyền dùng để đánh giá: kênh truyền Rayleigh với thông tin
kênh truyền khơng đầy đủ.
- Phân tích và đánh giá ảnh hƣởng của các thông số mạng đối với chất lƣợng
mạng và xác suất các user mạng CR gây nhiễu cho PU vƣợt ngƣỡng cho
phép. Đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện chất lƣợng lƣợng và giảm xuất
suất CR user gây nhiễu vƣợt quá mức ngƣỡng cho phép.
- Kỹ thuật Relay: giải mã và chuyển tiếp (DF) với mô hình multihop.
1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu, bài báo kỹ thuật liên quan đến mạng vô tuyến nhận thức, kỹ
thuật relay, kênh truyền vô tuyến, các thƣớc đo đánh giá hiệu quả hệ thống.
Chƣơng 1: Giới thiệu

4

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

- Nghiên cứu các mơ hình thông tin kênh truyền không đầy đủ và phƣơng pháp
ƣớc lƣợng kênh truyền.
- Phân tích và mơ phỏng mạng relay nhận thức nền với thông tin kênh truyền
không đầy đủ để đánh giá chất lƣợng mạng theo nhiều thông số khác nhau.

- Nhận xét các kết quả nhằm đƣa ra các khuyến nghị và giải pháp cải thiện chất
lƣợng hệ thống mạng.
- Kết quả phân tích sẽ đƣợc kiểm chứng với kết quả mô phỏng lý thuyết.
1.5. Kết quả và đóng góp của luận văn
 Kết quả luận văn:
- Luận văn đã phân tích và đánh giá mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận
thức nền với thông tin kênh truyền khơng đầy đủ. Đƣa ra đƣợc biểu thức tính
tỷ lệ lỗi bit (BER) của mạng CR và xác suất CR user gây nhiễu cho PU vƣợt
quá ngƣỡng cho phép.
- Dựa vào kết quả phân tích, luận văn đã đƣa ra đƣợc kết quả mơ phỏng, phân
tích và đánh giá ảnh hƣởng của các thông số đến chất lƣợng mạng. Kết quả, tỷ
lệ lỗi bit BER phụ thuộc rất lớn vào các thông số của mạng nhƣ: mức ngƣỡng
CR user đƣợc phép gây nhiễu cho PU, công suất CR user đƣợc phép phát tối
đa, mơ hình và phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh truyền, vị trí và số lƣợng relay,
số lƣợng pilot symbol, hệ số suy hao trong không gian. Từ kết quả phân tích,
luận văn đã đƣa ra các khuyến nghị và giải pháp cải thiện chất lƣợng hệ thống
mạng.
- Ngồi ra, luận văn cũng phân tích xác suất gây nhiễu vƣợt quá ngƣỡng cho
phép. Xác suất CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng cho phép là rất
lớn nên cần có giải pháp để giảm xác suất gây nhiễu vƣợt quá ngƣỡng. Luận
văn đề xuất giải pháp giảm xác suất gây nhiễu vƣợt mức ngƣỡng cho phép
thông qua hệ số điều khiển cơng suất back-off.


Kết quả đóng góp: Tác giả đã phân tích và xác định biểu thức tính xác suất
các CR user gây nhiễu cho PU vƣợt mức ngƣỡng cho phép. Qua kết quả phân

Chƣơng 1: Giới thiệu

5

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

tích tác giả đề xuất giải pháp giảm công suất phát của CR user nhằm giảm xác
suất gây nhiễu vƣợt ngƣỡng cho phép thông qua hệ số điều khiển cơng suất
back-off ρ và phân tích ảnh hƣởng của ρ đối với chất lƣợng mạng.
1.6. Bố cục của luận văn
Bố cục luận văn gồm có bảy chƣơng:
 Chƣơng 1: Giới thiệu
 Chƣơng 2: Tổng quan mạng vô tuyến nhận thức và kỹ thuật relay. Chƣơng
này giới thiệu về mạng vô tuyến nhận thức và kỹ thuật relay.
 Chƣơng 3: Lý thuyết thông tin vô tuyến. Chƣơng này trình bày cơ sở lý
thuyết về thơng tin vơ tuyến nhƣ: kênh truyền vô tuyến, phƣơng pháp ƣớc
lƣợng kênh truyền, lý thuyết điều chế và giải điều chế số.
 Chƣơng 4: Phân tích chất lƣợng mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức
nền. Chƣơng này phân tích và xây dựng biểu thức tính tỷ lệ lỗi bit BER của
mạng CR.
 Chƣơng 5: Xác suất mạng relay vô tuyến nhận thức nền gây nhiễu vƣợt
ngƣỡng cho phép. Chƣơng này phân tích và xây dựng biểu thức tính xác suất
các CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng cho phép. Từ kết quả phân
tích, chƣơng này trình bày giải pháp nhằm giảm xác suất gây nhiễu vƣợt quá
mức ngƣỡng cho phép.
 Chƣơng 6: Kết quả mơ phỏng. Chƣơng này trình bày các kết quả mô phỏng
và đánh giá hiệu quả của mạng relay vô tuyến nhận thức nền. Đƣa ra các
khuyến nghị và giải pháp nhằm cải thiện chất lƣợng mạng và giảm xác suất

gây nhiễu vƣợt quá ngƣỡng cho phép.
 Chƣơng 7: Kết luận và hƣớng phát triển.

Chƣơng 1: Giới thiệu

6

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

CHƢƠNG II: TỔNG QUAN MẠNG VÔ
TUYẾN NHẬN THỨC VÀ KỸ THUẬT RELAY
2.1. Mạng vô tuyến nhận thức
2.1.1. Giới thiệu về mạng vô tuyến nhận thức
Nguồn tài nguyên tần số vô tuyến là hữu hạn nên việc sử dụng hiệu quả băng
tần là một yêu cầu quan trọng trong việc thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến. Hầu
hết các ứng dụng không dây sử dụng tần số đều đƣợc cấp phép bởi tổ chức có thẩm
quyền của quốc gia đó. Với yêu cầu ngày càng cao về thơng tin liên lạc bằng vơ
tuyến thì sẽ khơng đủ băng tần trống để cấp phép. Các nghiên cứu, khảo sát đã chỉ
ra rằng đa số phổ tần đƣợc cấp phép trƣớc đó hầu nhƣ khơng đƣợc sử dụng thƣờng
xuyên và hiệu quả.

Hình 2.1: Các khoảng trống của phổ
Tần số (GHz)

0-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-6

Utilization (%)

54.4

35.1

7.6

0.25

0.128

4.6

Bảng 2.1: Hiệu suất sử dụng băng tần
Chƣơng 2: Mạng CR và kỹ thuật relay

7

HVTH: Trần Quốc Thái

CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

Theo bảng 2.1 hiệu suất sử dụng dãy băng tần cao nhất là dãy băng tần [0÷1] GHz
đạt khoảng 54.4%. Khoảng tần số khơng đƣợc sử dụng đƣợc gọi là khoảng trắng
(white space hay spectrum hole).
Mạng CR là một hệ thống liên lạc không dây thông minh, quan tâm đến môi trƣờng
xung quanh, nghiên cứu môi trƣờng và thích nghi với những trạng thái trong mơi
trƣờng đó để có những thay đổi một cách thống kê đối với tín hiệu kích thích RF
(radio frequency) đến bằng việc tạo ra những thay đổi tƣơng ứng đối với các
phƣơng pháp vận hành một cách chắc chắn trong thời gian thực. Hai mục tiêu đầu
tiên là: cung cấp những hệ thống liên lạc tin cậy bất cứ lúc nào cần thiết và sử dụng
phổ vô tuyến hiệu quả. Các user của mạng CR đƣợc xem nhƣ là những vị khách
viếng thăm băng tần đã đƣợc cấp giấy phép. Điều này cần các nhà quản lý phổ hiệu
quả đối với kênh truyền rỗi đang bị chiếm giữ mà không gây can nhiễu với các user
của mạng chính (primary) và trả lại kênh truyền này khi hoạt động của PU đƣợc tìm
thấy. Để thực hiện cơng việc này tuỳ thuộc vào khả năng nhận thức mơi trƣờng
xung quanh của chúng.
Đặc tính quan trọng của CR là khả năng phát hiện khoảng băng tần đang đƣợc sử
dụng [11]. Đây chính là vấn đề quan trọng không chỉ ngăn chặn sự ảnh hƣởng của
nhiễu đến hệ thống hiện hữu mà cịn có khả năng tìm băng tần trống để sử dụng
hiệu quả tần số vô tuyến trong thông tin liên lạc. Nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra
rằng việc cùng hợp tác giữa các user cảm nhận phổ sẽ tăng xác suất tách phổ qua
việc trao đổi tổng hợp thông tin về việc tách sự có mặt hay vắng mặt phổ tần số
mong muốn [12].
FCC đã đƣa ra chuẩn IEEE 802.22 dành cho mạng WRAN (Wireless regional area
network) sử dụng khoảng trắng trong khoảng băng tần truyền hình. Việc phát triển
tiêu chuẩn IEEE 802.22 đƣợc thực thi bởi kỹ thuật CR để cho phép chia sẻ phổ tần

số.
IEEE 802.22 là tiêu chuẩn đƣợc thiết kế để tổ chức, quản lý trong băng tần quảng bá
truyền hình, khơng tạo ra can nhiễu xung quanh các hệ thống truyền hình nhƣ

Chƣơng 2: Mạng CR và kỹ thuật relay

8

HVTH: Trần Quốc Thái


CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng

`

truyền hình số, truyền hình quảng bá tƣơng tự và thiết bị dùng công suất thấp nhƣ
máy thu âm không dây.
IEEE 802.22.1 là một tiêu chuẩn đang đƣợc phát triển để nâng cao bảo vệ can nhiễu
cho các thiết bị hoạt động có hợp pháp nhƣng có cơng suất thấp đƣợc tổ chức trong
băng tần quảng bá truyền hình cáp.
IEEE 802.22.2 đang đƣợc xem xét thực tế để cho phép thiết lập và thực thi hệ thống
chuẩn IEEE 802.22. IEEE 802.22 WG là một nhóm nhỏ của chuẩn IEEE 802.22
LAN/MAN, đây tiêu chuẩn chính của tiêu chuẩn 802.22.
2.1.2. Kiến trúc hệ thống mạng vô tuyến nhận thức

Hình 2.2: Kiến trúc hạ tầng cơ sở của mạng vô tuyến nhận thức
Các thành phần kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức đƣợc trình bày nhƣ hình 2.2.
Nhƣ vậy trong cùng một dãy băng tần sẽ có hai mạng vô tuyến hoạt động đồng thời:
mạng vô tuyến thứ 1 gọi là mạng chính (primary) và mạng thứ 2 gọi là mạng vô
tuyến nhận thức (CR), hoạt động của mạng CR dựa trên điều kiện cho phép của

mạng primary.
Chƣơng 2: Mạng CR và kỹ thuật relay

9

HVTH: Trần Quốc Thái


`

CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng



Mạng primary: mạng đã tồn tại sẵn và đã đƣợc quyền truy cập và sử dụng dãy

băng tần riêng. Các thành phần cơ bản của mạng primary bao gồm:
Primary user (PU): có quyền truy cập và hoạt động trên dãy băng tần đƣợc cấp

-

phép, PU đƣợc điều khiển bởi trạm gốc và không bị tác động bởi các nhà khai thác
mạng khác khi hoạt động trên băng tần đó.
-

Trạm gốc primary (primary base station): là một thành phần cơ bản của mạng

primary, có quyền truy cập và hoạt động trên dãy băng tần đã đƣợc cấp phép. Trong
mạng tế bào thì trạm gốc primary chính là BTS, nó có chức năng quản lý và thiết
lập kết nối với PU.



Mạng vô tuyến nhận thức (CR - Cognitive Radio Network): không đƣợc cấp

giấy phép truy cập và hoạt động trong dãy tần mong muốn. Do đó, việc truy cập
trong dãy tần số chỉ đƣợc thực hiện một cách tìm kiếm cơ hội và phải đƣợc sự cho
phép của mạng primay (đã đƣợc cấp phép hoạt động trên dãy tần đó), đồng thời khi
hoạt động mạng CR đảm bảo không gây nhiễu cho các user của mạng primary.
Thành phần của mạng vô tuyến nhận thức bao gồm các thành phần chính sau:
CR User (SU- cognitive radio user): Các CR user hoạt động phải tuân theo các

-

điều kiện của mạng primary. Do đó việc truy cập phổ tần và hoạt động chỉ đƣợc
phép khi có cơ hội. Chức năng của CR user bao gồm cảm biến phổ (spectrum
sensing), quyết định phổ tần (spectrum decision), bàn giao phổ (spectrum handoff)
và các giao thức MAC/ định tuyến / vận chuyển của mạng vơ tuyến nhận thức. CR
user đƣợc giả định có khả năng kết nối với không chỉ trạm cơ sở mà cả các user
khác. Nhƣ hình 2.2 các CR user có thể giao kết nối với nhau và kết nối với các
trạm gốc. Nhƣ vậy, trong kiến trúc mạng CR có 3 loại truy cập khác nhau của các
CR user.


Truy cập mạng vơ tuyến nhận thức: CR user có thể truy cập vào các trạm CR

gốc trong cả miền phổ tần đã đăng ký hoặc chƣa đăng ký. Vì tất cả những tƣơng tác
xảy ra bên trong mạng CR nên những truy cập trung gian trong hệ thống của độc lập
với mạng chính.
Chƣơng 2: Mạng CR và kỹ thuật relay

10

HVTH: Trần Quốc Thái