Nội dung

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN VĂN CHÍNH VỀ TRUYỀN THÔNG KẾT HỢP TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC: CẢI THIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG THỨ CẤP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN VĂN CHÍNH TRUYỀN THÔNG KẾT HỢP TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC: CẢI THIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG THỨ CẤP Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông Mã số: 62.52.02.08 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo 2. TS. Nguyễn Lương Nhật HÀ NỘI - 2017 -i- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Văn Chính -ii- LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sĩ này được thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS Võ Nguyễn Quốc Bảo và TS. Nguyễn Lương Nhật. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy về định hướng khoa học, liên tục quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành cuốn luận án này. Tôi xin được chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tác giả các công trình công bố đã trích dẫn trong luận án vì đã cung cấp nguồn tư liệu quý báu, những kiến thức liên quan, quan trọng trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Hội đồng Khoa học, Hội đồng Tiến sĩ của Học viện vì đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh được thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình. Tôi xin được chân thành cảm ơn GS. TSKH. Nguyễn Ngọc San, GS.TS Nguyễn Bình vì những chỉ dẫn về học thuật hóa, kết nối giữa lý luận với kết quả thực nghiệm thời gian thực. Xin chân thành cảm ơn Khoa Quốc tế và Đào tạo sau đại học và các nhà khoa học thuộc Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông cũng như các nghiên cứu sinh khác về sự hỗ trợ trên phương diện hành chính, hợp tác có hiệu quả trong suốt quá trình nghiên cứu khoa học của mình. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường sĩ quan thông tin (Trường đại học thông tin liên lạc) và các bạn đồng nghiệp, bạn bè thân hữu, vì đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình và những người bạn thân thiết vì đã liên tục động viên để duy trì nghị lực, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía cạnh của cuộc sống trong cả quá trình để hoàn thành luận án. Hà Nội, tháng năm 2017 Tác giả Nguyễn Văn Chính -iii- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. vii DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ ix DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ xii MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI (BỐI CẢNH NGHIÊN CỨU) ......................................... 1 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU .................................. 2 Mục tiêu nghiên cứu: ..........................................................................................2 Đối tượng nghiên cứu .........................................................................................3 Phạm vi nghiên cứu: ...........................................................................................3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ................................... 3 Nhiệm vụ nghiên cứu .........................................................................................3 Các nghiên cứu liên quan ...................................................................................4 Kết quả đạt được .................................................................................................9 BỐ CỤC LUẬN ÁN ............................................................................................. 10 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VÀ TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP KẾT HỢP ........................................................................12 1.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................ 12 1.2 VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ........................................................................ 12 1.2.1 Sự cần thiết ra đời vô tuyến nhận thức .................................................12 1.2.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức ..............................................................13 -iv- 1.2.3 Mối quan hệ giữa vô tuyến thông minh (Software Defined Radio) và vô tuyến nhận thức ................................................................................................14 1.2.4 Kiến trúc vật lý của vô tuyến nhận thức ...............................................15 1.2.5 Chức năng vô tuyến nhận thức .............................................................17 1.2.6 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức .......................................................19 1.2.7 Cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức .......................................................22 1.3 MÔ HÌNH KÊNH CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TRỰC TIẾP ...... 23 1.3.1 Mô hình cơ bản .....................................................................................23 1.3.2 Các kỹ thuật phân tập sử dụng trong mạng vô tuyến nhận thức...........25 1.3.3 Kỹ thuật MIMO (Multi-Input Multi Output) ........................................25 1.4 TRUYỀN THÔNG KẾT HỢP .................................................................... 26 1.4.1 Truyền thông chuyển tiếp .....................................................................26 1.4.2 Kỹ thuật MIMO ảo (Hay còn gọi là truyền thông kết hợp) ..................28 1.5 TRUYỀN THÔNG KẾT HỢP TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ....................................................................................................... 33 1.5.1 Phân tích ưu và nhược điểm của truyền thông kết hợp ........................33 1.5.3 Mô hình kết hợp truyền thông kết hợp trong môi trường vô tuyến nhận thức. ..................................................................................................................33 1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ............................................................................ 34 CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG KẾT HỢP HIỆU QUẢ TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN ..................................................................................................35 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG ................................................................................. 35 2.2 MÔ HÌNH #1: TRUYỀN THÔNG KẾT HỢP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP DẠNG NỀN AF TỐT NHẤT ..................................................................... 35 2.2.1 Mô hình hệ thống đề xuất ........................................................................35 2.2.2 Phân tích xác suất dừng hệ thống ............................................................41 -v- 2.2.3 Mô phỏng và đánh giá kết quả ................................................................43 2.3 MÔ HÌNH #2: CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG DF DẠNG NỀN TỐI ƯU ........ 47 2.3.1 Xây dựng và mô tả hệ thống khảo sát .....................................................47 2.3.2 Phân tích xác suất dừng hệ thống ............................................................48 2.3.4 Bài toán tối ưu hiệu năng của hệ thống ...................................................54 2.3.5 Mô phỏng và đánh giá kết quả ................................................................58 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ............................................................................... 64 CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ HÓA KHÔNG GIAN THỜI GIAN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN: MỘT CHẶNG VÀ NHIỀU CHẶNG ................................................................................................65 3.1 MÃ HÓA KHÔNG GIAN THỜI GIAN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN .................................................................. 65 Mô hình hệ thống ..............................................................................................65 Phân tích xác suất dừng hệ thống .....................................................................68 Dung lượng Shannon hệ thống .........................................................................69 Kết quả mô phỏng và thảo luận ........................................................................71 3.2 MÃ HÓA KHÔNG GIAN THỜI GIAN VỚI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG DF DẠNG NỀN.................................................................................................... 76 Giới thiệu ..........................................................................................................76 Mô hình hệ thống ..............................................................................................76 Phân tích xác suất dừng hệ thống .....................................................................78 Kết quả mô phỏng và phân tích kết quả ...........................................................80 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................ 83 CHƯƠNG 4 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN: TỐI ƯU HIỆU SUẤT PHỔ TẦN .............................85 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG ............................................................................. 85 4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐỀ XUẤT VÀ KHẢO SÁT ................................ 85 -vi- 4.3 PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN .......................................................................................................... 89 4.3.1 Xác suất của mỗi chế độ truyền ............................................................89 4.3.2 Xác suất dừng hệ thống ........................................................................89 4.3.3 Hiệu suất phổ tần ..................................................................................90 4.3.4 Tỷ số lỗi bít trung bình .........................................................................90 4.4 TỐI ƯU HIỆU SUẤT PHỔ TẦN ............................................................... 92 4.5 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .................................................. 93 4.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 .......................................................................... 102 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ...........................103 KẾT LUẬN......................................................................................................... 103 ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.................................................... 105 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ....................................107 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................108 -vii- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp AWGN Additive white Gaussian noise Nhiễu trắng Gauss cộng tính BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit CDF Cumulative distribution function Hàm phân bố tích lũy CMN Conventional Multihop Network Mạng truyền thông đa chặng truyền thống CR Cognitive radio Vô tuyến khả tri CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp DT Direct Transmission Truyền trực tiếp LOS Line of Sight Đường truyền thẳng M-PAM Multiple Pulse Amplitude Điều chế biên độ xung đa mức Modulation M-PSK Multiple Phase Shift Key Điều chế pha đa mức M-QAM Multiple Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương đa Modulation mức OP Outage Probability Xác suất dừng hệ thống PDF Probability Density Function Hàm mật độ phân bố xác suất PSK Phase Shift Keying Điều chế pha -viii- PU Primary User Người dùng sơ cấp QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương Modulation SE Spectral Efficiency Hiệu suất phổ tần SER Symbol Error Rate Tỉ lệ lỗi symbol SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu SU Secondary User Người dùng thứ cấp WiMAX Worldwide Interoperability for Hệ thống WiMAX Microwave Access