MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI (BỐI CẢNH NGHIÊN CỨU) Như chúng ta đã biết, dải tần số của sóng vô tuyến được xem như là một tài nguyên thiên nhiên được quản lý bởi các tổ chức viễn thông của chính phủ. Như vậy, bất cứ hệ thống vô tuyến nào muốn sử dụng tần số đều phải được các tổ chức (Cục quản lý tần số) đó cấp phép. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là trong lĩnh vực điện tử viễn thông, thì tần số càng trở nên chật hẹp và khan hiếm bởi sự gia tăng số lượng các hệ thống vô tuyến và các chuẩn giao tiếp như Wifi, WiMax, LTE [1, 2]. Trong khi đó hiệu suất sử dụng tài nguyên phổ lại rất thấp, chỉ khoảng từ 15% đến 85% [3].
Công nghệ vô tuyến nhận thức (cognitive radio - CR) ra đời giúp cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần bởi nó cho phép các dịch vụ vô tuyến có thể sử dụng chung dải phổ [4, 5]. Ý tưởng chính của công nghệ này là cho phép các hệ thống vô tuyến mới ứng dụng công nghệ vô tuyến nhận thức có thể truy cập động (dynamically access) hoặc sử dụng chung khoảng tần số đã được cấp phép nhưng hoạt động của hệ thống vô tuyến mới này không được gây ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống vô tuyến có sở hữu hoặc có đăng ký phổ tần. Bên cạnh vô tuyến nhận thức, truyền thông đa chặng là một công nghệ vô tuyến cho phép dữ liệu được truyền từ nút nguồn đến nút đích thông qua các nút chuyển tiếp [6-8]. Với cùng một công suất phát, truyền thông đa chặng cho phép hệ thống mở rộng vùng phủ sóng cũng như cải thiện chất lượng tín hiệu trong vùng phủ sóng đó.
Tuy nhiên, nhược điểm của truyền thông đa chặng là hiệu suất sử dụng phổ tần thấp do ràng buộc về việc sử dụng kênh trực giao giữa các chặng. Để giải quyết vấn đề này, công nghệ vô tuyến nhận thức là một sự lựa chọn tốt khi nó cho phép các nút mạng thứ cấp (không có giấy phép sử dụng tần số) sử dụng tần số của mạng sơ cấp (có giấy phép sử dụng tần số). Đến nay, rải rác một số công trình nghiên cứu đề cập đến mạng chuyển tiếp đa chặng ứng dụng công nghệ vô tuyến nhận thức từ nhiều góc độ khác nhau. Các kết quả cho thấy rằng sự kết hợp của truyền thông đa chặng và 2 công nghệ vô tuyến nhận thức tỏ ra là sự lựa chọn hấp dẫn để giải quyết vấn đề hiệu suất phổ tần mà vẫn bảo đảm chất lượng dịch vụ mà mạng cung cấp (QoS) [9].
Theo giáo sư Goldsmith, trong mạng vô tuyến nhận thức, có ba phương thức truyền bao gồm: dạng nền, dạng chồng chập và dạng đan xen [10]. Trong ba phương thức, dạng nền nhận được sự quan tâm rất lớn của các nhà khoa học hiện này vì có ưu điểm là cho phép mạng sơ cấp và mạng thứ cấp có thể đồng thời truyền nhận dữ liệu miễn là can nhiễu của mạng thứ cấp không được lớn hơn mức chịu đựng của máy thu sơ cấp. Để thực hiện điều này, máy phát thứ cấp thường phải điều chỉnh công suất phụ thuộc vào độ lợi kênh truyền can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến máy thu sơ cấp dẫn đến vùng phủ sóng của mạng thứ cấp thường giới hạn và việc đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS của hệ thống thứ cấp là một vấn đề thử thách [11-13]. Do đó, luận án định hướng giải quyết bài toán nâng cao hiệu năng của mạng thứ cấp trong khi vẫn đảm bảo mức can nhiễu cho mạng sơ cấp bằng cách sử dụng các kỹ thuật tiên tiến ở lớp vật lý như: truyền chuyển tiếp, truyền kết hợp, truyền thích nghi và mã hóa không gian.
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu: Luận án gồm hai mục tiêu nghiên cứu: - Xây dựng các mô hình mạng truyền thông kết hợp và chuyển tiếp hiệu quả cho mạng thứ cấp: đảm bảo QoS và mở rộng vùng phủ sóng. Đề xuất các phương pháp mới cho phép phân tích hiệu năng của các mô hình mạng đề xuất. - Áp dụng các kỹ thuật cải thiện hiệu năng ở lớp vật lý: mã không gian thời gian, truyền thích nghi để cải thiện hiệu năng của mạng thứ cấp trong khi vẫn đảm bảo thông tin của mạng sơ cấp. 3 Đối tượng nghiên cứu Các kỹ thuật kết hợp: selection combining và maximal-ratio combining; Các kỹ thuật truyền thích nghi giảm ảnh hưởng can nhiễu lên hệ thống sơ cấp; Kênh truyền fading: Rayleigh; Các mô hình truyền thông kết hợp: truyền lựa chọn, truyền lặp lại, truyền gia tăng; Các giao thức xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp: amplify-and-forward, decode- and-forward, và coded cooperation; Các kỹ thuật chọn nút chuyển tiếp trong mạng truyền thông kết hợp; Kỹ thuật truyền đa chặng sử dụng công nghệ MIMO.
Phạm vi nghiên cứu: Mạng truyền thông, đa chặng, kết hợp và kỹ thuật vô tuyến nhận thức. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Nhiệm vụ nghiên cứu Trong luận án này, tôi tập trung nghiên cứu các nội dung sau: Làm rõ các khái niệm liên quan đến luận án như: vô tuyến nhận thức, truyền thông kết hợp, truyền thông kết hợp trong môi trường vô tuyến nhận thức, kỹ thuật phân tập, kỹ thuật mã hóa không gian - thời gian, điều chế thích nghi; Nhiệm vụ 1: Xây dựng và nghiên cứu đánh giá hiệu năng mô hình hệ thống truyền thông kết hợp trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền trên kênh fading trong các trường hợp AF và DF; 4 Nhiệm vụ 2: Xây dựng mô hình từ đó tối ưu hiệu năng của mô hình hệ thống truyền thông chuyển tiếp trong môi trường vô tuyến nhận thức chuyển tiếp DF dạng nền trên kênh fading Rayleigh; Nhiệm vụ 3: Nghiên cứu ứng dụng mã hóa không gian thời gian Alamouti vào hệ thống vô tuyến nhận thức dạng nền và đề xuất phương pháp đánh giá hiệu năng của hệ thống trên kênh truyền fading. Khảo sát với hệ thống một chặng và nhiều chặng. Nhiệm vụ 4: Nghiên cứu ứng dụng điều chế thích nghi trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền.
Xây dựng và giải bài toán tối ưu hiệu suất phổ tần, các kết quả biểu diễn dưới dạng đóng cho kênh truyền fading Rayleigh. Các nghiên cứu liên quan Nhiệm vụ 1 Cho đến nay, đã có một số nghiên cứu liên quan đến truyền thông kết hợp dạng nền. Cụ thể, bài báo [14] đã phân tích xác suất dừng cho mạng chuyển tiếp DF dạng nền cho kênh truyền Nakagami-m với mức can nhiễu tối đa tại máy thu sơ cấp. Bài báo [15] đã đề xuất một phương pháp tổng quát để tính toán xác suất dừng và độ lợi phân tập cho mạng kết hợp dạng nền bao gồm chuyển tiếp DF cố định, chuyển tiếp DF lựa chọn và chuyển tiếp DF gia tăng.
Gần đây, Luo [16] and Lee [17] đã đề xuất phương pháp phân tích xác suất dừng của mạng chuyển tiếp DF có lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất xem xét công suất phát tối đa tại máy phát thứ cấp. Tuy nhiên, các kết quả trình bày ở [16] [17] vẫn chưa chính xác do chưa xem xét sự tương quan của các kênh truyền ở mạng thứ cấp do có cùng kênh truyền can nhiễu từ nút nguồn thứ cấp đến máy thu sơ cấp. Gần đây, bài báo [18] đã chỉnh lại kết quả ở [16] [17] bằng cách phân tích chặng trên và chặng dưới của xác suất dừng hệ thống. Tuy nhiên, các chặng này không chặt đặc biệt khi số lượng nút chuyển tiếp lớn.
Gần đây, Yan và cộng sự ở [19] đã phân tích dạng đóng chính xác của xác suất dừng cho hệ thống lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất dạng nền ở kênh truyền fading Rayleigh; tuy nhiên các 5 kết quả này chỉ giới hạn cho kênh fading độc lập và đồng dạng, không phù hợp với mạng trong thực tế. Trong nhiệm vụ này, nghiên cứu sinh đề xuất một mô hình lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất dạng nền có kết hợp kênh trực tiếp và đề xuất một phương pháp phân tích mới cho phép tính toán xác suất dừng của hệ thống lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất dạng nền ở kênh truyền fading Rayleigh độc lập, không đồng nhất. Các kết quả đạt được có tính tổng quát và xem các kết quả ở [19] như là một trường hợp đặc biệt. Nhiệm vụ 2 Cho đến nay, có ba phương pháp chính để thiết kế mạng vô tuyến nhận tức đó là: underlay, overlay và interweave [20].
Trong ba phương pháp này, underlay là phương pháp nhận được sự quan tâm nhiều của các nhà 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 hoạt động truyền phát song song với nhau. Nhược điểm của phương pháp này là để đảm bảo điều kiện can nhiễu nhận được tại 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 thường bị giới hạn. Để mở rộng vùng phủ sóng, truyền thông đa chặng là một giải pháp đơn giản và đã được chấp nhận sử dụng trong nhiều chuẩn vô tuyến hiện nay cũng như chuẩn vô tuyến thế hệ mới, ví dụ [21-24]. Trong mạng truyền thông đa chặng, hiệu năng của toàn mạng sẽ phụ thuộc vào hiệu năng của chặng yếu nhất [6, 25-27], do đó bài toán tối ưu vị trí hay phân bổ công suất cho các nút chuyển tiếp của mạng thường có vai trò rất quan trọng và cho phép cải thiện đáng kể hiệu năng của mạng mà không cần sử dụng thêm tài nguyên mạng.
Cho đến nay, đã có một số nghiên cứu xem xét bài toán tối ưu hiệu năng của mạng chuyển tiếp trong môi trường vô tuyến nhận thức, ví dụ [28-31]. Cụ thể, nghiên cứu [28] đã xem xét bài toán tối ưu công suất của mạng truyền thông kết hợp trong môi trường vô tuyến nhận thức sử dụng phương pháp nhân tử Lagrange với giả sử 6 mức ràng buộc can nhiễu trung bình. Trong nghiên cứu [29] xem xét bài toán phân bổ công suất tối ưu giữa mạng sơ cấp và mạng thứ cấp trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng xen kẽ.