MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, đặc biệt trong lĩnh vực truyền thông nói chung và truyền thông không dây nói riêng. Bên cạnh đó, các ứng dụng công nghệ có xu hướng phát triển trên nền tảng tích hợp cao của các hệ thống kết nối số. Điều này dẫn tới số lượng người dùng rất lớn. Trong khi đó, phổ tần số trong các hệ thống truyền thông không dây bị giới hạn và được quản lý bởi các tổ chức viễn thông trong nước (như Cục quản lý tần số) và ngoài nước như Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU: International Telecommunication Union), Viện tiêu chuẩn Viễn thông Châu âu (ETSI: European Telecommunications Standards Institute), Hội Kỹ sư và Điện tử (IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers) hay Nhóm đặc nhiệm Kỹ thuật Internet (IETF: Internet Engineering Task Force).
Điều này đồng nghĩa với sự khan hiếm về phổ tần mà người dùng mạng truyền thông không dây gặp phải. Tuy nhiên, khảo sát của các tổ chức quản lý tần số nêu trên đã cho thấy hiệu suất phổ tần được sử dụng chưa thật sự hiệu quả [1–4]. Trên cơ sở đó, công nghệ vô tuyến nhận thức (CR: cognitive radio) là giải pháp hiệu quả trong việc sử dụng phổ tần và được giới thiệu bởi Giáo sư Mitola [5]. Công nghệ này cho phép người dùng nhận thức có thể truy cập mạng để hoạt động mặc dù những người dùng này vẫn 1 chưa có bản quyền sử dụng các dải tần.
Điều này cải thiện đáng kể khả năng đáp ứng với sự gia tăng về số lượng người dùng. Hơn nữa, các “dải tần trống" trong các kênh quảng bá cũng sẽ được tận dụng bởi mạng vô tuyến nhận thức với các ràng buộc về công suất phát nhằm đảm bảo chất lượng cho các mạng hiện có. Nói cách khác, người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức phải điều chỉnh công suất phát ở mức thấp để không gây can nhiễu đáng kể đến người dùng chính. Điều này dẫn đến vùng phủ sóng cho hoạt động truyền phát của nhiều người dùng nhận thức bị giới hạn [6–9].
Hạn chế của vô tuyến nhận thức về vùng phủ sóng sẽ được khắc phục khi kết hợp với mạng chuyển tiếp [7–9]. Cụ thể hơn, các mạng truyền thông cộng tác hay truyền thông đa chặng được xem là giải pháp hữu hiệu để mở rộng phạm vi hoạt động cho người dùng nhận thức. Mặt khác, chất lượng dịch vụ trong truyền thông không dây cũng được quan tâm khi các điều kiện thiết kế hệ thống không còn được giả sử là lý tưởng [10–15]. Các công trình nghiên cứu trước đây cho thấy ảnh hưởng đáng kể của các tác nhân gây ra can nhiễu lên hiệu năng hệ thống.
Các tác nhân này bao gồm các thành phần phi tuyến, tương quan kênh truyền hay khiếm khuyết phần cứng lần lượt được phân tích và đánh giá trong các mô hình riêng [16]. Với lý do đáp ứng sự gia tăng số lượng người dùng và đảm bảo chất lượng liên kết giữa các kết nối mạng, luận án hướng tới nghiên cứu và phân tích các kỹ thuật giảm tác động của các can nhiễu đồng kênh trong mạng truyền thông không dây. Trước tiên, các mô hình hệ thống được đề xuất và sau đó giải pháp cho từng mô hình được đưa ra, phân tích và đánh giá.2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Mục đích nghiên cứu Luận án trước tiên đề xuất các mô hình truyền thông không dây nhằm mở rộng vùng phủ sóng có xem xét chất lượng dịch vụ của người dùng và các tác nhân gây can nhiễu 2 đồng kênh. Kế đó, các giải pháp giảm ảnh hưởng của các tác nhân gây can nhiễu đồng kênh cho từng mô hình được đề xuất, phân tích và đánh giá.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Với mục đích nghiên cứu đề ra, luận án hướng tới từng đối tượng và phạm vi nghiên cứu sẽ được thực hiện cho các mô hình đề xuất, cụ thể như sau: - Các mô hình sẽ được thực hiện trên kênh truyền Rayleigh fading.
- Các kỹ thuật kết hợp: kỹ thuật kết hợp chọn lựa, kỹ thuật kết hợp tỷ số cực đại. - Nút chuyển tiếp xử lý tín hiệu theo các giao thức: giải mã và chuyển tiếp, khuếch đại và chuyển tiếp, ngẫu nhiên và chuyển tiếp. - Các kỹ thuật chọn nút chuyển tiếp hiệu quả trong mạng chuyển tiếp. - Mạng truyền thông không dây, mạng chuyển tiếp, vô tuyến nhận thức.
Các đối tượng trên được nghiên cứu và phân tích qua thông số hiệu năng hệ thống cụ thể như xác suất dừng hệ thống, xác suất chặn,. Theo lý thuyết thông tin, xác suất dừng hệ thống của một kênh truyền thông tin được định nghĩa là xác suất mà tốc độ thông tin nhỏ hơn tốc độ thông tin ngưỡng yêu cầu [17]. Thông số này cho thấy một hệ thống đề xuất có khả năng hoạt động được hay là phải dừng hoạt động truyền thông. Ngoài ra, với mô hình đề xuất nào đó nếu xảy ra vấn đề nghe trộm thông tin, thì thông số xác suất chặn có thể là thông số được phân tích nhằm đánh giá hiệu năng hệ thống.
Xác suất chặn là xác suất mà thông tin lớn hơn mức ngưỡng được định trước. bản chất của xác suất chặn là ngăn khả năng nghe lén thông tin của người dùng đối với người muốn nghe trộm thông tin. Hay nói cách khác, đây chính là khả năng người nghe lén có khả năng giải mã thành công thông tin nghe được.3 Sự cần thiết, ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của xã hội thì truyền thông tin luôn được xem là lĩnh vực tiên phong và đi đầu trong mọi khía cạnh. Cụ thể như các hệ thống truyền thông thế hệ mới đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt về tốc độ nhưng chất lượng dịch vụ vẫn phải đảm bảo.
Để đáp ứng được các nhu cầu càng cao trong khi nguồn tài nguyên hạn hẹp thì các công nghệ truyền thông mới phải nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số cũng như đảm bảo chất lượng dịch vụ và số lượng người dùng. Một số giải pháp được xem là hiệu quả trong việc cải thiện hiệu quả sử dụng phổ như tái sử dụng tần số, công nghệ vô tuyến nhận thức. Ưu điểm của các giải pháp trên là cho phép một lượng lớn người dùng nhưng lại gây ra can nhiễu đồng kênh. Bên cạnh đó, mặc dù công nghệ thiết kế phần cứng ngày càng tiên tiến nhưng những khiếm khuyết trong quá trình thiết kế và sản xuất hàng loạt vẫn tồn tại.
Do vậy, các nguồn can nhiễu đồng kênh luôn hiện diện trong các hệ thống truyền thông không dây trên thực tế. Đây cũng là hệ quả của sự bùng nổ số lượng người dùng trong khi tài nguyên phổ tần số bị giới hạn. Bản chất của các nguồn can nhiễu này sẽ ảnh hưởng đáng kể làm suy giảm hiệu năng của hệ thống trong các mạng truyền thông không dây. Do vậy, sự cần thiết khi sử dụng một số kỹ thuật giảm can nhiễu có thể sử dụng như kết hợp chọn lựa, lựa chọn các nút chuyển tiếp tốt nhất hay chọn đường truyền tốt nhất cho các mô hình đề xuất.
Việc áp dụng các kỹ thuật này thật sự cần thiết khi hiệu quả đem lại cho thấy mức ảnh hưởng do các nguồn can nhiễu gây ra được cải thiện đáng kể. Các kết quả đạt được sẽ mô tả khả năng hoạt động của các mô hình được đề xuất như thế nào. Mặt khác, các kết quả phân tích chính xác được kiểm chứng bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo. Điều này giúp luận án thể hiện các đóng góp đáng tin cậy hơn.
Ngoài ra, các kết quả phân tích và mô phỏng khi đã trùng khớp t việc đánh giá hiệu năng hệ thống dưới ảnh hưởng do can nhiễu đồng kênh gây ra, thì các kết quả phân tích có thể được dùng để tối ưu hiệu năng một cách nhanh chóng. 4 Qua đây cho thấy, việc nghiên cứu và phân tích các kỹ thuật giảm tác động của các can nhiễu đồng kênh trong mạng truyền thông không dây thật sự cần thiết, cũng như mang lại ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn với các kết quả đóng góp đáng tin cậy của luận án đem lại.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước Ngày nay, hiệu suất sử dụng phổ tần số trong hoạt động truyền thông không dây đã được cải thiện đáng kể khi sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức [5–7]. Công nghệ này được xem như là một trong các giải pháp hiệu quả khắc phục sự cạn kiệt tài nguyên phổ tần [18–20]. Trong mạng vô tuyến nhận thức, người dùng thứ cấp (nhận thức) có thể sử dụng phổ tần được cấp phép qua các phương pháp truy cập khác nhau như xen kẽ (interweave), chồng (overlay) hay nền (underlay).
Trong [19], nhóm tác giả dựa trên mô hình Markov để phân tích hiệu năng của người dùng nhận thức dạng chồng khi người này ít có cơ hội chọn lựa kênh truyền cho hoạt động truyền tin. Do vậy, giải pháp về ước lượng độ dài hàng đợi trung bình cho người dùng nhận thức được đưa ra và đạt được tính chính xác khá cao. Ngoài ra, các tiêu chí như độ tin cậy, tính hiệu quả hay tính công bằng trong việc cấp phát phổ tần cho người dùng nhận thức cũng được khảo sát trong [20]. Kết quả của công trình này cho thấy hiệu năng của phương pháp truy cập phổ tần dạng chồng trong mạng vô tuyến nhận thức đạt hiệu quả hơn so với mạng truyền thống.
Bên cạnh đó, kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức trong [20] cũng đáp ứng tốt chất lượng dịch vụ. Hơn nữa, [21] và [22] đã xem xét giải pháp cho mạng vô tuyến nhận thức để giảm đáng kể khối lượng công việc của người dùng mạng và tải của các trạm gốc. Trong [23], nhóm tác giả phân tích xác suất dừng bảo mật trong mạng chuyển tiếp nhận thức dạng xen kẽ khi nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp tỷ số cực đại (MRC: Maximal Ratio Combining) để nâng cao hiệu năng mạng. Hơn nữa, kết quả công 5 trình cho thấy rằng khoảng cách giữa nút nguồn và nút đích thứ cấp ngắn sẽ đảm bảo hiệu năng bảo mật của người dùng thứ cấp tốt hơn so với người dùng chính (sơ cấp).
Trong [24], giải pháp cải thiện hiệu suất phổ tần cho mạng vô tuyến nhận thức được trình bày có xem xét sự bất đồng bộ giữa người dùng chính và người dùng nhận thức. Lấy mẫu rất nhiều mức được thực hiện để khai thác đặc tính bất đồng bộ trong mạng vô tuyến nhận thức.
