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: 60.70 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012 Công trình đƣợc hoàn 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. (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. Hoàng Đình Chiến – Chủ Tịch 2.
Võ Nguyễn Quốc Bảo – Phản biện 1 3. Đặng Thành Tín – Phản biện 2 4. Hồ Văn Khƣơng - Ủy viên 5. 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 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc KHOA NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trần Quốc Thái. Ngày, tháng, năm sinh: 13/10/1982. Nơi sinh: Trà Vinh. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử.
TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền với thông tin kênh truyền không đầy đủ. 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. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012.
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS. Hồ Văn Khƣơng. 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 lòng tận tình chỉ bảo và dẫn dắt tôi 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. Tôi 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, tôi xin cảm ơn cha mẹ và gia đình tôi, những người đã luôn 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 TÓM TẮT LUẬN VĂN Mạng vô 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 công 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 không gian, mức ngƣỡng cho phép CR user gây nhiễu cho PU, công suất CR user đƣợc phép phát tối đa. Ngoài ra, luận văn đã đƣa ra đƣợc công 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 mô phỏng theo lý thuyết. ii HVTH: Trần Quốc Thái ` CBHD: TS.
Hồ Văn Khƣơng MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN. iii DANH MỤC HÌNH. vii DANH MỤC BẢNG. ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.
x CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU. Lý do chọn đề tài. Mục đích nghiên cứu. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
Phƣơng pháp nghiên cứu. Kết quả và đóng góp của luận văn. Bố cục của luận văn. 6 CHƢƠNG II: TỔNG QUAN MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VÀ KỸ THUẬT RELAY.
Mạng vô tuyến nhận thức. Giới thiệu về mạng vô tuyến nhận thức. Kiến trúc hệ thống mạng vô tuyến nhận thức. Cấu trúc của mạng vô tuyến nhận thức.
Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức trong môi trƣờng OSI. Nguyên tắc hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức. Kỹ thuật truy cập phổ. Kỹ thuật relay.
Chức năng của relay. Mô hình và phân loại relay. 17 CHƢƠNG III: LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÔ TUYẾN. Môi trƣờng kênh truyền vô tuyến.
20 iii HVTH: Trần Quốc Thái ` CBHD: TS. Hồ Văn Khƣơng 3. Kênh truyền vô tuyến. Hiện tƣợng fading.
Kênh truyền Rayleigh, kênh truyền Rice và kênh truyền Nakagami-m. Điều chế và giải điều chế tín hiệu số. Điều chế tín hiệu số. Giải điều chế.
Ƣớc lƣợng kênh truyền. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng MMSE. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng LMMSE. 34 CHƢƠNG IV: PHÂN TÍCH CHẤT LƢỢNG MẠNG RELAY GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP NHẬN THỨC NỀN.
Mô hình hệ thống mạng relay giải mã và chuyển tiếp nhận thức nền. Mô hình kênh truyền mạng CR với thông tin kênh truyền không đầy đủ. Công suất phát của CR user với thông tin kênh truyền không đầy đủ. Phân tích tỷ lệ lỗi bit BER của mạng CR với thông tin kênh truyền không đầy đủ.
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. Phân tích xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu cho PU vƣợt ngƣỡng cho phép trong trƣờng hợp không có điều kiện Pm. Xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu cho PU vƣợt quá ngƣỡng cho phép.
Hệ số điều khiển công suất back-off ρ. Phân tích ảnh hƣởng của hệ số điều khiển công suất back-off đối với chất lƣợng mạng. Phân tích xác suất công suất phát của CR user gây nhiễu đến mạng primary vƣợt ngƣỡng cho phép trong trƣờng hợp có điều kiện Pm. 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.
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. 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 MÔ PHỎNG.
Mô hình hệ thống. Mô phỏng và đánh giá sự thay đổi của BER theo các thông số mạng trong trƣờng hợp không có điều kiện công suất phát tối đa Pm. Mô phỏng BER theo tỷ số IT/N0 ứng với điều chế 2-QAM và 4-QAM. Mô phỏng BER theo IT/N0 ứng với vị trí và số lƣợng relay khác nhau.
Mô phỏng BER theo số lƣợng pilot symbol. Mô phỏng BER theo theo hệ số suy hao trong không gian α. Mô phỏng BER theo số lƣợng relay. Mô phỏng và đánh giá BER theo các thông số mạng CR trong trƣờng hợp có điều kiện công suất phát tối đa Pm.
Mô phỏng và đánh giá BER theo tỷ số IT/N0. So sánh sự thay đổi BER theo IT/N0 trong trƣờng hợp có và không có điều kiện công suất phát tối đa Pm. Mô phỏng BER theo Pm/N0. Mô phỏng BER theo số lƣợng pilot symbol.
Mô phỏng BER theo hệ số suy hao trong không gian α. Mô phỏng xác suất công suất phát của các user mạng CR gây nhiễu cho mạng primary vƣợt quá ngƣỡng cho phép (Pr). Mô phỏng Pr theo IT/N0 trong trƣờng hợp không có điều kiện P m. Mô phỏng Pr theo IT/N0 và hệ số điều khiển công suất back-off ρ.
Mô phỏng BER theo IT/N0 ứng với trƣờng hợp ρ khác nhau. Mô phỏng Pr theo IT/N0 ứng với ρ thay đổi trong trƣờng hợp có điều kiện công suất phát tối đa Pm. Mô phỏng Pr theo IN/N0 và Pm/N0. Mô phỏng Pr theo Pm/N0 ứng với ρ thay đổi.
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. Kết luận chung.
91 CHƢƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN. 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 .2: Sơ đồ mạng relay vô tuyến nhận thức .1: Các khoảng trống của phổ .2: Kiến trúc hạ tầng cơ sở của mạng vô tuyến nhận thức .3: Kiến trúc mạng CR trong môi trƣờng OSI.
