HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

MAI VĂN MÃI

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG NGẪU NHIÊN
SỬ DỤNG KỸ THUẬT CHỌN LỰA ANTEN PHÁT
DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA SUY HAO PHẦN CỨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

MAI VĂN MÃI

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG NGẪU NHIÊN
SỬ DỤNG KỸ THUẬT CHỌN LỰA ANTEN PHÁT
DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA SUY HAO PHẦN CỨNG

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN TRUNG DUY

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2016

kiến thức quý báo cho chúng em trong suốt thời gian học cũng như đã hướng dẫn
tận tình, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn. Thầy đã
truyền cho em nguồn cảm hứng và lòng đam mê nghiên cứu khoa học của mình. Để
sau này có thể vận dụng vào trong công việc và cuộc sống của mình.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quỹ phát triển khoa học và công
nghệ quốc gia (Nafosted, 102.01 - 2014.33) đã tài trợ và tạo điều kiện để em có thể
hoàn thành tốt luận văn này.
Và em cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân, bạn bè, các anh chị
đồng nghiệp và các bạn học chung khóa cao học 2014 đã động viên, giúp đở, tạo
điều điện để cho em hoàn thành tốt khóa học.
Tp.HCM, ngày 06 tháng 06 năm 2016
Học viên thực hiện
(ký và ghi rõ họ tên)

Mai Văn Mãi


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... ii
MỤC LỤC .............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ........................................... v
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................... vi
LỜI MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
CHƯƠNG I - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ............................................................ 3
1.1

Mạng vô tuyến và vô tuyến nhận thức ........................................................ 3


Phân tập không gian ............................................................................. 7

1.3

Mạng ngẫu nhiên ........................................................................................ 9

1.4

Suy hao phần cứng .................................................................................. 10

1.5

Các nghiên cứu liên quan ......................................................................... 10

Kết Luận Chương I ................................................................................................ 12
CHƯƠNG II - MÔ HÌNH HỆ THỐNG ................................................................. 13
2.1

Mô hình thông tin vô tuyến thông thường ................................................. 13

2.2

Mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền ...................................................... 15

2.3

Mô hình nghiên cứu ................................................................................. 16

2.3.1

Mô hình mạng ngẫu nhiên vô tuyến nhận thức ......................................... 27

3.2.1

Giao thức RAND ............................................................................... 27

3.2.2

Giao thức BEST ................................................................................. 29

Kết Luận Chương III ............................................................................................. 31
CHƯƠNG IV - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .................................... 32
4.1

Mô hình mạng ngẫu nhiên thông thường .................................................. 32

4.2

Mô hình mạng ngẫu nhiên vô tuyến nhận thức ......................................... 36

Kết Luận Chương IV ............................................................................................. 41
CHƯƠNG V - KẾT LUẬN ................................................................................... 42
5.1

Các kết quả đạt được ................................................................................ 42

5.2

Hướng phát triển đề tài ............................................................................. 42



CDF

Cumulative Density Function

Hàm phân phối tích lũy

CR

Cognitive Radio

Vô tuyến nhận thức

FM

Frequency modulation

Điều chỉnh tần số

MIMO

Multi - input Multi - output

Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra

OP

Outage Probability

Xác suất dừng


SNR

Signal to noise ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SU

Secondary user

Người dùng sơ cấp

SDR

Software Defined Radio

Phần mềm

TAS

Transmit Antenna Selection

Kỹ thuật lựa chọn anten phá

Tx

Transmit

Phát

của tỷ lệ công suất phát trên nhiễu   P / N0 (dB) với các tham số R  1.5 ,

 th  0.5 ,   0.1 và   4 ........................................................................ 34
Hình 4.3. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo sự biến thiên
của ngưỡng dừng  th với các tham số   5 (dB), R  1, M  3 ,   0.1 và

  4 . ......................................................................................................... 35
Hình 4.4. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo sự biến thiên
của mức độ suy hao phần cứng  với các tham số   0 (dB), R  1,

M  3 ,  th  1 và   3 . ........................................................................... 36
Hình 4.5. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo sự biến thiên
của giá trị Q đơn vị dB với các tham số R  1,   0.5 ,  th  1,   4 và

xP  yP  0.5 . ............................................................................................. 37


vii

Hình 4.6. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo sự biến thiên
của giá trị Q đơn vị dB với các tham số R  1,   0.5 , M  2 ,  th  1,

  4 và xP  yP  0.5 . .............................................................................. 38
Hình 4.7. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo các vị trí khác
nhau của nút sơ cấp P với các tham số R  1.5,   0.1 , M  3 ,  th  1 và

  4 . ......................................................................................................... 39
Hình 4.8. Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo mức độ suy
hao phần cứng  , với R  1, Q  5 dB, M  5 ,  th  1,   3 , xP  0.3 và


Với kỹ thuật chọn lựa anten phát (TAS) là một kỹ thuật đơn giản và đang
được nghiên cứu nhiều trong thời gian gần đây. Đây là lý do mà tôi chọn phương
pháp TAS để nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu năng của mạng vô tuyến.


2

Để đóng góp giải quyết những vấn đề này, em xin chọn đề tài là “Nghiên
cứu hiệu năng mạng ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật chọn lựa anten phát dưới sự
tác động của suy hao phần cứng” mục đích là đưa ra các công thức toán học tính
toán tỉ lệ tính hiệu trên nhiễu (SNR) và/hoặc xác suất dừng (OP) và/hoặc tỉ lệ lỗi bit
(BER)…nhằm đánh giá hiệu năng của hệ thống. Cấu trúc của luận văn tập trung chủ
yếu đến những nội dung cơ bản sau:
Luận văn gồm 5 chương với nội dung tóm tắt như sau:
Chương I: Lý thuyết tổng quan. Chương này giới thiệu tổng quan về những
vấn đề nghiên cứu trong luận văn như: khái quát những khái niệm của mạng vô
tuyến và vô tuyến nhận thức, tìm hiểu về các phương pháp phân tạp phát (gồm phân
tập thời gian, phân tâp tần số, phân tập không gian), giới thiệu về mạng ngẫu nhiên
và các nghiên cứu liên quan.
Chương II: Mô hình hệ thống. Trong chương này tôi đưa ra ý tưởng mới về
mô hình kênh truyền và mô hình đề xuất để tính toán các tham số như tỉ lệ tín hiệu
trên nhiễu (SNR), xác suất dừng, tỉ lệ lỗi bit….nhằm để đánh giá hiệu năng của mô
hình đề xuất bằng cách đưa ra các biểu thức toán học.
Chương III: Đánh giá hiệu năng hệ thống: Ở chương này dựa vào mô hình
đề suất để tính toán và đưa ra kết quả tường minh chính xác về hiệu năng xác suất
dừng của mô hình trên.
Chương IV: Mô phỏng và đánh giá kết quả. Phần này sử dụng mô phỏng
Monte Carlo để kiểm chứng các công thức toán. So sánh kết quả lý thuyết và mô
phỏng được trình bày để kiểm chứng lẫn nhau. Sau đó đánh giá kết quả của hai kết
quả này dựa trên công thức đưa ra ở phần lý thuyết và kết quả mô phỏng thu được.

tốt hơn và hiệu quả hơn. Một trong những giải pháp khả thi đó là dùng công nghệ
vô tuyến nhận thức.

1.1.2 Truy cập phổ vô tuyến
Truy cập phổ vô tuyến hiện nay bị giới hạn bởi các cơ quan quản lý phổ của
quốc gia. Phần lớn phổ dành cho các dịch vụ vô tuyến được cấp phép. Truy cập mở
đối với hầu hết phổ chỉ được cho phép với công suất truyền rất nhỏ.


4

Chỉ một phần nhỏ của phổ vô tuyến dành cho băng tần không cần cấp phép.
Bởi vì phần phổ này rất nhỏ nên sẽ không sẵn có cho các phổ không cần cấp phép
mới. Sự chuyển đổi từ phổ được cấp phép sang phổ không cần cấp phép thực sự khó
khăn và mất thời gian dài. Nó đòi hỏi sự kết hợp giữa tổ chức quản lý phổ chính
phủ, nhà phát triển công nghệ, nhà cung cấp dịch vụ.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật nói chung và lĩnh vực
điện tử - viễn thông nói riêng, dải tần số đang dần trở nên chật hẹp bởi sự gia tăng
số lượng các hệ thống vô tuyến cũng như các chuẩn giao tiếp như FM, AM, TV,
Mobile network,Wifi,Wimax...
Trước tiên, cần phải cải tiến ngay từ việc quản lý phổ tần số. Hiện nay, mỗi
một dải băng tần muốn được sử dụng đều phải được sự cho phép của một tổ chức
quản lí tần số của chính phủ. Người được cấp phép sử dụng dải tần số được gọi là
primary user (PU) hay còn gọi là licenced user và chỉ được phép sử dụng dải tần đó
cũng như các người sử dụng khác không được phép sử dụng dải tần này.

1.1.3 Mạng vô tuyến nhận thức
Hệ thống vô tuyến nhận thức là hệ thống mà các phần tử của nó có khả năng
thay đổi các tham số (công suất,tần số) trên cơ sở tương tác với môi trường hoạt
động. Theo đó, thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR (Sotware Defined

thể của môi trường vô tuyến, mà ở đó tồn tại nhiều loại hình dịch vụ vô
tuyến cùng chiếm dụng.
 Thực hiện thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ đồ mã hóa sửa
lỗi để cho phép đạt được thông lượng tốt nhất có thể.
 Tạo búp sóng và điều khiển búp sóng thích ứng theo đối tượng truyền thông
nhằm giảm thiểu nhiễu đồng kênh và tối đa cường độ tín hiệu thu.
Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) [2] là một kỹ thuật tiềm năng được sử
dụng để giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần số trong mạng truyền thông vô tuyến.
Trong vô tuyến nhận thức, mạng sơ cấp (mạng được cấp phép sử dụng tần số) và
mạng thứ cấp (mạng không được cấp phép sử dụng tần số) có thể sử dụng chung
băng tần, để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ. Một trong những phương pháp phổ


6

biến trong vô tuyến nhận thức đó là mô hình dạng nền Underlay [3], [4]. Trong mô
hình này, mạng sơ cấp cho phép mạng thứ cấp được sử dụng băng tần với điều kiện
giao thoa từ mạng thứ cấp lên mạng sơ cấp phải nhỏ hơn một ngưỡng được quy
định trước. Ràng buộc này đưa ra nhằm mục đích đảm bảo chất lượng dịch vụ của
mạng sơ cấp.

Hình 1.1: Mạng vô tuyến nhận thức dạng nền

Chúng ta xem xét một mô hình mạng mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền
được minh hoạ như trong Hình 1.1, trong đó mạng sơ cấp được biểu thị bằng nút P,
mạng thứ cấp bao gồm nút nguồn SS và nút đích SD. Dưới sự ràng buộc về mức
giao thoa tối đa I P được quy định bởi nút P, công suất phát tối đa của nút nguồn thứ
cấp SS phải được điều chỉnh để thoả mãn định mức giao thoa này.

1.2

để xử lý tín hiệu.

1.2.3 Phân tập tần số
Trong phân tập tần số (tín hiệu được truyền trên nhiều tần số khác nhau hoặc
trên một dãy phổ tần rộng) người ta sử dụng các thành phần tần số khác nhau để
phát cùng một thông tin. Các tần số cần được phân chia để đảm bảo các tín hiệu
truyền sẽ bị ảnh hưởng của fading một cách độc lập nhau. Khoảng cách giữa các tần
số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán để đảm bảo rằng fading trên các tần số
khác nhau là không tương quan với nhau. Nhược điểm là sẽ làm tiêu tốn phổ tần.

1.2.4 Phân tập không gian
Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trong truyền thông vô tuyến.
Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten trong hệ thống MIMO (Multi - input
Multi - output) là kỹ thuật được quan tâm nhiều nhất hiện nay. Kỹ thuật phân tập
này sử dụng nhiều anten được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu


8

để phát và thu tín hiệu. Trong phân tập không gian, các dữ liệu của tín hiệu phát
được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian. Không giống
như phân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất
băng thông của hệ thống. Đây là đặc tính rất quan trọng trong các hệ thống truyền
thông không dây tốc độ cao trong tương lai.
Trong phân tập không gian, người ta hay sử dụng phân tập anten, chẳng hạn
như phân tập phát và phân tập thu là hai phân tập trên nhiều anten ở đầu phát và đầu
thu được dùng phổ biến nhất.

BS


BS

Hình 1.3: Kỹ thuật lựa chọn anten phát

1.3

Mạng ngẫu nhiên

N

BS

US D  2 R

Hình 1.4: Mô hình mạng ngẫu nhiên

Trong mạng không dây, việc xác định được khoảng cách giữa các người
dùng US đến các trạm gốc BS rất quan trọng. Vì khoảng cách giữa các user tác
động mạnh tới tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và nhiễu. Nếu biết trước về khoảng
cách các user sẽ cần thiết cho việc phân tích hiệu suất và thiết kế các giao thức hiệu
quả hơn. Các user có thể được giả định là rải rác ngẫu nhiên trên một diện tích hoặc
một thể tích, sự phân bố khoảng cách theo một quá trình ngẫu nhiên theo không


10

gian chi phối vị trí của các user. Vì vậy vấn đề cần đặt ra làm cách nào để tính được
giá trị phân phối khoảng cách của mô hình hệ thống cho trước.
Lấy hình vẽ 1.4 làm ví dụ, ta thấy rằng mô hình hệ thống gồm một trạm gốc
BS, giả sử được đặt cố định và trang bị với N anten phát. Bán kính hoạt động của



11

Vô tuyến nhận thức là công nghệ cho phép tận dụng các khoảng tần số nhàn
rỗi tạo ra do chính sách quy hoạch tần số tĩnh. Hiện nay, công nghệ vô tuyến nhận
thức đang thu hút mạnh mẽ sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học khắp nơi trên
thế giới. Các node mạng sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức có khả năng hoạt
động song song với mạng sơ cấp (primary networks: là mạng có bản quyền sử dụng
tần số) với điều kiện ràng buộc là hoạt động truyền phát dữ liệu của mạng thứ cấp
(secondary networks) không gây can nhiễu cho mạng sơ cấp.
Trong đề tài cũng sẽ nghiên cứu mạng ngẫu nhiên, với BS là trạm gốc có bán
kính R, US là người sử dụng xuất hiện ngẫu nhiên trong bán kính R. Vì vậy khoảng
cách từ US đến BS là biến ngẫu nhiên. Nếu biết trước về khoảng cách các user sẽ
cần thiết cho việc phân tích hiệu suất và thiết kế giao thức hiệu quả hơn. Do đó, vấn
đề đặt ra làm cách nào để tính được khoảng cách của US đến BS trong hệ thống.
Đây là một mô hình thực tế và cũng là một hướng nghiên cứu mới nhận được nhiều
sự quan tâm của các nhà nghiên cứu thế giới.
Ngoài ra thường trong các nghiên cứu có đặc điểm chung là đều giả sử phần
cứng ở đầu thu/phát là lý tưởng. Tuy nhiên các phần cứng thu/phát trong thực tế
không lý tưởng. Đặc biệt là đối với các thiết bị rẻ tiền, chất lượng kém thì phần
cứng càng không lý tưởng, cụ thể như bộ khuếch đại không tuyến tính, mất cân
bằng I/Q. Điều này sẽ làm ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu năng của hệ thống. Giống
như bài báo [12] và [13] lần lượt đánh giá ảnh hưởng của phần cứng không lý
tưởng lên hiệu năng của hệ thống anten và hệ thống chuyển tiếp, hay trong bài báo
[14] đánh giá hiệu năng của hệ thống chuyển tiếp hai chiều trong điều kiện phần
cứng không lý tưởng hoặc trong bài báo [15] đánh giá ảnh hưởng của phần cứng
không lý tưởng lên mạng vô tuyến nhận thức dạng nền hai chặng giải mã và chuyển
tiếp. Kết quả phân tích ở các nghiên cứu đề cập đã chỉ ra rằng, phần cứng không lý
tưởng gây nên suy giảm hiệu năng đáng kể cho hệ thống.


CHƯƠNG II - MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1

Mô hình thông tin vô tuyến thông thường

s

Tx

Rx

hTx,Rx

P
Hình 2.1: Mô hình kênh truyền cơ bản

Đầu tiên, chúng ta sẽ xét mô hình kênh truyền cơ bản nhất giữa việc truyền
dữ liệu từ nút phát tới nút thu như được minh họa trên hình 2.1. Trong đó, Tx là nút
phát, Rx là nút thu. Ở nút phát Tx sẽ phát tín hiệu với công suất là P tới đầu thu Rx.
Ta ký hiệu s là tín hiệu được phát từ nút Tx và hTx,Rx là kênh truyền giữa Tx và Rx.
Tiến trình truyền dữ liệu này có thể được mô hình hóa tại nút thu Rx bởi biểu thức
như sau:
Giả sử phần cứng là lý tưởng, tín hiệu nhận được tại nút Rx là

yRx  PdTx,Rx
hTx,Rx s  nRx .

(2.1)




PdTx,Rx
| hTx,Rx |2

t,Tx


  r,Rx  PdTx,Rx
| hTx,Rx |2  N 0


dTx,Rx
 Tx,Rx

,

 Tx,Rx dTx,Rx Tx,Rx  1

(2.4)

với vt,Tx là nhiễu gây ra do méo dạng từ phần cứng của nút phát Tx, vr,Rx là nhiễu
gây ra do sự suy hao phần cứng tại nút nhận Rx. Tương tự như trong [9], [11], vt,Tx
và vr,Rx có thể mô hình bằng nhiễu biến ngẫu nhiên có phân bố Gauss với giá trị

| hTx,Rx |2 , với  t,Tx
trung bình bằng 0 và phương sai lần lượt là  t,Tx và  r,Rx Pd Tx,Rx

và  r,Rx biểu thị mức độ suy hao phần cứng tại Tx và Rx. Trong công thức (2.4),



dSP
IP
PSS 
,
1  SS,P  | hSP |2

(2.6)

ở đây,  SS,P là tổng mức suy hao phần cứng, như đã tính trong công thức số (2.4), và

dSP là khoảng cách giữa SS và P. Nhìn vào công thức (2.6), ta thấy rằng, suy hao
phần cứng làm giảm công suất phát của nút SS.
Do đó, tỷ số tín hiệu nhận được tại SD được tính theo công thức sau:


16

SS,SD 



PSSdSD
hSD

2


SS,SD PSSdSD
hSD  N0


Q  I P / N0 / 1  SS,P  , dSD là khoảng cách giữa nguồn thứ cấp SS và đích,

  dSP ,  SD  hSD

2

và SP  hSP

2

là các độ lợi kênh truyền của các liên kết SS-SD

và SS-P. Giả sử, các kênh truyền hSD và hSP là kênh fading Rayleigh, các độ lợi
kênh truyền  SD  hSD

2

và SP  hSP

2

sẽ có phân phối mũ với hàm CDF và PDF

được tính như trong công thức (2.5).

2.3

Mô hình nghiên cứu