MỞ ĐẦU 1.1 Mục đích Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần cứng, thông tin vô tuyến ngày càng thể hiện vai trò không thể thiếu trong cuộc sống xã hội. Tuy nhiên, một trong những vấn đề của thông tin vô tuyến hiện nay là sự giới hạn của tài nguyên phổ tần. Trong những năm gần đây, công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio – CR) được xem như là một giải pháp tiềm năng để cải thiện độ chiếm dụng phổ tần, bị giới hạn bởi chính sách phân bố phổ tần cố định [1]. Ý tưởng cơ bản của vô tuyến nhận thức là cho phép các người dùng không đăng ký sử dụng tần số (unlicensed users) tận dụng các băng tần đã được cấp phép miễn là nó không gây ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu của các người dùng đã đăng ký tần số (lisenced users) [2].
CR đã mở ra một cách thức mới trong việc dò tìm và sử dụng các nguồn tài nguyên quý giá về phổ tần vô tuyến. Hệ thống CR có thể được xem như là một hệ thống vô tuyến có khả năng tự động cấu hình lại các thông số hoạt động sao cho thích ứng với môi trường xung quanh. Việc sử dụng các thiết bị CR cho phép truy cập vùng phổ một cách linh hoạt và nhanh chóng, do đó nâng cao hiệu quả trong việc sử dụng phổ tần một cách đáng kể. Đặc biệt, CR được xem là chìa khóa để giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần.
Tùy theo phương pháp truy nhập phổ của hệ thống SU, các nghiên cứu mô hình vô tuyến được phân chia thành hai mô hình chính là mô hình dạng nền (underlay) và mô hình dạng chồng chập (overlay) [3]. Xét về khía cạnh hiệu suất sử dụng phổ, mô hình dạng nền cho kết quả tốt hơn so với mô hình còn lại vì đặc tính cho phép hai hệ thống hoạt động đồng thời tại một thời điểm. Trong các bài toán khảo sát hiệu năng hoạt động của hệ thống SU, điều kiện ràng buộc về công suất can nhiễu gây ra bởi hệ thống SU ảnh hưởng đến hệ thống PU sẽ làm cho công suất phát của các thiết bị SU bị giới hạn để không gây can nhiễu cho PU. Từ đó, dẫn đến chất lượng hệ thống kênh truyền của SU bị giảm khi khoảng cách giữa các thiết bị thu phát trong hệ thống SU đủ xa.
Nói cách khác, hệ thống SU bị giới hạn 1 phạm vi vùng phủ sóng để đảm bảo chất lượng dịch vụ (quality of service – QoS) cho toàn bộ hệ thống PU và SU. Để giải quyết bài toán mở rộng vùng phủ sóng cho hệ thống SU, hướng nghiên cứu phối hợp công nghệ truyền thông chuyển tiếp vào trong mạng CR đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm của nhà nghiên cứu trong những năm gần đây. Trong đó, các thiết bị chuyển tiếp có thể sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hoặc giải mã và chuyển tiếp (DF). Trong hai kỹ thuật này, xét về khía cạnh hiệu năng hoạt động của toàn hệ thống, kỹ thuật DF cho kết quả tốt hơn AF vì lý do không khuếch đại tín hiệu nhiễu.
Ngoài ra, hiệu năng của mạng truyền thông hợp tác/ đa chặng trong điều kiện ràng buộc mức can nhiễu ở nút sơ cấp vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Theo các phân tích trên, mục đích của luận án là tìm giải pháp thỏa mãn cho bài toán đồng thời vừa mở rộng vùng phủ sóng, vừa tăng hiệu suất sử dụng phổ trong hệ thống thứ cấp thông qua việc thiết kế mô hình mạng và phân tích hiệu năng của mô hình đề xuất.2 Mục tiêu nghiên cứu Một cách cụ thể, luận án sẽ tập trung thiết kế các mạng truyền thông đa chặng trong điều kiện ràng buộc mức can nhiễu ở nút sơ cấp với các tiêu chí: - Giảm ảnh hưởng can nhiễu gây ra bởi hệ thống thứ cấp tại máy thu sơ cấp, - Cải thiện chất lượng hệ thống thứ cấp, - Cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần hệ thống thứ cấp. Luận án này, với mục đích khảo sát và tìm giải pháp nhằm tăng hiệu suất sử dụng phổ và chất lượng hoạt động của hệ thống SU, đề xuất áp dụng kỹ thuật truyền thích nghi biến đổi chòm sao điều chế vào hệ thống mạng chuyển tiếp nhận thức.3 Phạm vi nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu 1.1 Phạm vi nghiên cứu Các nghiên cứu tập trung vào thông tin vô tuyến, mạng truyền thông hợp tác/đa chặng, kỹ thuật vô tuyến nhận thức, phương pháp truy nhập phổ dạng nền, kỹ thuật điều chế thích nghi. Trong luận án này, các giả sử được áp dụng cho tất cả các mô hình nghiên cứu bao gồm: - Chế độ truyền trong hệ thống thứ cấp là bán song công.
- Mỗi thiết bị trong hệ thống thứ cấp được trang bị một ăng-ten. - Công suất phát của các thiết bị thứ cấp được điều chỉnh thay đổi theo chất lượng kênh truyền tức thời, cụ thể là theo giá trị thông tin kênh truyền can nhiễu tức thời (Channel State Information – CSI), thay vì cố định giá trị công suất phát là một hằng số như hệ thống truyền thống. - Khoảng cách giữa thiết bị thứ cấp nguồn và thứ cấp đích luôn được chuẩn hóa bằng một, và thiết bị thứ cấp nguồn luôn được đặt tại gốc tọa độ 0xy.2 Đối tượng nghiên cứu - Kỹ thuật điều chế và giải điều chế trong thông tin vô tuyến có thể áp dụng cho mạng truyền thông kết hợp. - Các kỹ thuật kết hợp: selection combining.
- Các kỹ thuật truyền thích nghi giảm ảnh hưởng can nhiễu lên hệ thống sơ cấp. - Kênh truyền fading có phân bố: Rayleigh, Nakagami-m. - Các mô hình truyền thông hợp tác: truyền lặp lại. - Các giao thức xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp: AF và DF.4 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án được thực hiện trước hết ở mô hình toán xác suất cho các kênh fading Rayleigh hoặc Nakagami-m, sau đó thực hiện mô phỏng kiểm chứng thông qua phần mềm Matlab.
Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng mạng sẽ được khảo sát, bao gồm: số chặng, vị trí thiết bị chuyển tiếp, kỹ thuật điều chế thích nghi đa tốc độ. Phần nghiên cứu tập trung ở lớp vật lý với các tham số đánh giá hiệu năng như sau: + Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability) + Xác suất lỗi bit (Bit Errror Probability) + Dung lượng dừng hệ thống (Ergodic Capacity) Trong các bài toán thiết kế hệ thống, các nghiên cứu chủ yếu sử dụng hai phương pháp gồm: 1. Phương pháp thứ nhất là chứng minh công thức toán học và sau đó mô phỏng hệ thống để xác nhận tính đúng đắn của công thức đề xuất, ví dụ [4-6]. Đây là phương pháp luận án áp dụng.
Phương pháp thứ hai là nêu ý tưởng, giải thuật thực hiện và dùng phần mềm mô phỏng, ví dụ như [7-9]. Chúng ta nhận thấy ưu điểm của phương pháp một là tính chính xác cao và ưu điểm của phương pháp hai là tính đơn giản. Ngược lại, nhược điểm của phương pháp một là công thức toán học không phải lúc nào cũng chứng minh được, nên việc xuất bản một công trình nghiên cứu sẽ tốn thời gian thực hiện hơn so với phương pháp còn lại.5 Các đóng góp chính Với các tiêu chí đề ra trong mục 1.2, luận án thực hiện nghiên cứu thiết kế bốn mô hình hệ thống và phân tích hiệu năng của các hệ thống này. Trong cả bốn mô hình được đề xuất, công suất phát của các thiết bị phát trong hệ thống thứ cấp luôn được điều chỉnh sao cho đạt giá trị tối đa có thể có dựa trên thông tin kênh truyền tức thời nhận được từ các kênh hồi tiếp, đồng thời đảm bảo ràng buộc can nhiễu gây ra bởi 4 chúng ảnh hưởng lên thiết bị sơ cấp thu không vượt quá một giá trị ngưỡng cho trước.
Việc cho phép thay đổi công suất phát theo từng ký tự truyền thay vì cố định công suất phát của các thiết bị trong hệ thống thứ cấp giúp tăng chất lượng kênh thứ cấp. Nhằm cải thiện hơn nữa hiệu suất sử dụng phổ tần, luận án tập trung nghiên cứu mô hình nhận thức với phương pháp truy nhập phổ dạng nền.1 Sơ đồ các đóng góp của luận văn trong mô hình 1 và 2 Hai Hình 1.2 mô tả các đóng góp từ bốn mô hình và các bài báo được kế thừa, trong đó chữ được đồ đậm là các đóng góp của các bài báo. Trong đó, các bài báo [10-12] nghiên cứu hiệu suất mạng hai chặng dạng nền sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp AF với các đóng góp: công thức tính xác suất dừng xấp xỉ, chính xác lần lượt được đề xuất trong bài báo [10] và [11] với kênh truyền phân bố Rayleigh. Mô hình tương tự hoạt động dưới phân bố kênh tổng quát Nakagami-m được khảo sát trong [12].
Kế thừa từ kết quả nghiên cứu của bài báo [13], mô hình 1 thực hiện xây dựng lại công thức tính xác suất dừng, đề xuất công thức tính xác suất dừng xấp xỉ và khảo sát vị trí điểm chuyển tiếp tối ưu với tiêu chí cực tiểu xác suất dừng. Điểm đóng góp chính trên mô hình này là đã mô hình hóa và giải bài toán khảo sát vị trí điểm chuyển 5 tiếp tối ưu nhằm đạt được giá trị cực tiểu xác suất dừng của hệ thống thứ cấp. Các kết quả nghiên cứu này đã được công bố trong bài báo [14]. Kế tiếp, nhằm cải thiện hơn nữa hiệu suất phổ tần và đặc biệt trong trường hợp thiết bị thứ cấp nguồn ở rất xa thiết bị thứ cấp đích, ví dụ trong trường hợp mạng cảm biến không dây hoặc mạng ad hoc không dây, kênh truyền giữa hai thiết bị này có thể được chia thành nhiều chặng thay vì hai chặng như ở mô hình một.
Mô hình 2 thực hiện xây dựng lại công thức xác suất dừng từ bài báo [15]. Điểm đóng góp chính của nghiên cứu trong mô hình này là khảo sát hiệu năng hệ thống thứ cấp thông qua công thức xấp xỉ xác suất dừng hệ thống thứ cấp, công thức dạng đóng và xấp xỉ tỉ lệ lỗi bit trung bình thứ cấp, và công thức xấp xỉ dung lượng ergodic thứ cấp. Ngoài ra, luận án cũng thực hiện chứng minh hệ thống khảo sát sử dụng kỹ thuật DF cho hiệu năng tốt hơn so với mô hình tương tự sử dụng kỹ thuật AF. Các kết quả nghiên cứu này đã được công bố trong bài báo [16].
