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

DƯƠNG HUỲNH QUANG PHÚC

NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG THỨ CẤP
TRONG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN
VỚI SỰ XUẤT HIỆN CỦA NÚT NGHE LÉN THỨ CẤP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2017


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

DƯƠNG HUỲNH QUANG PHÚC

NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG THỨ CẤP
TRONG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN
VỚI SỰ XUẤT HIỆN CỦA NÚT NGHE LÉN THỨ CẤP
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 60.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN TRUNG DUY

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2017


iii

MỤC LỤC
Lời cam đoan ................................................................................................................ i
Lời cảm ơn ..................................................................................................................ii
Mục lục ...................................................................................................................... iii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ....................................................................... v
Danh mục các hình ..................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
Chương 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ................................................................. 3
1.1 Mạng vô tuyến nhận thức ................................................................................... 3
1.1.1 Khái niệm chung về vô tuyến nhận thức...................................................... 3
1.1.2 Các mô hình trong vô tuyến nhận thức ........................................................ 5
1.1.3 Các kỹ thuật được sử dụng trong vô tuyến nhận thức ................................. 6
1.1.3.1 Phương pháp thăm dò phổ (spectrum sensing) ....................................... 7
1.1.3.2 Phương pháp thăm dò năng lượng (energy detection) .......................... 11
1.1.3.3 Kỹ thuật chia sẻ phổ tần overlay (spectrum overlay) ........................... 16
1.1.3.4 Kỹ thuật chia sẻ phổ tần underlay (spectrum underlay) ....................... 17
1.2 Bảo mật lớp vật lý ............................................................................................ 18
1.2.1 Khái niệm và ưu điểm của bảo mật lớp vật lý ........................................... 18
1.2.2 Các phương pháp chuyển tiếp được sử dụng trong bảo mật lớp vật lý ..... 20
1.2.2.1 Khuếch đại và chuyển tiếp af (amplify-and-forward) ........................... 21
1.2.2.2 Giải mã và chuyển tiếp df (decode-and-forward) ................................. 21
1.2.2.3 Ngẫu nhiên và chuyển tiếp rf (randomize-and-forward) ...................... 22
1.3 Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 22
1.4 Cấu trúc của luận văn ....................................................................................... 24
Chương 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG ......................................................................... 25
2.1 Mô hình nghiên cứu ......................................................................................... 25
Chương 3 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG ............................................... 35

AF

Amplify and Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

BS

Base Station

Trạm gốc

CDF

Cumulative Distribution Function

Hàm phân bố tích lũy

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh
truyền

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

Hình 1.1: Các khoảng phổ có thể sử dụng được biểu diễn trên miền thời gian và
miền tần số. .......................................................................................................... 4
Hình 1.2: Những khoảng truy cập động được biểu diễn trên miền thời gian và
miền tần số. .......................................................................................................... 5
Hình 1.3: Sử dụng phổ tần của ba mô hình chính trong vô tuyến nhận thức. ..... 6
Hình 1.4: Chu kỳ cảm biến Tp và ảnh hưởng đến người dùng sơ cấp. ............... 7
Hình 1.5: Khoảng cách cho phép để người dùng thứ cấp có thể cùng phát trên
một phổ tần với người dùng sơ cấp. .................................................................... 8
Hình 1.6: Sự kết hợp giữa các người dùng thứ cấp với nhau. ........................... 10
Hình 1.7: Phương pháp chia sẻ phổ tần ............................................................. 11
Hình 1.8: Những khoảng phổ trống được biểu diễn trong cả miền thời gian và
tần số. ................................................................................................................. 12
Hình 1.9: Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập. ........................... 16
Hình 1.10: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Overlay. ..................................... 17
Hình 1.11: Chia sẻ phổ tần dựa trên kỹ thuật Underlay. ................................... 18
Hình 1.12: Mô hình bảo mật lớp vật lý cơ bản .................................................. 20
Hình 2.1: Mô hình được nghiên cứu trong luận văn. ........................................ 25
Hiǹ h 4.1: Môi trường mô phỏng. ....................................................................... 44
Hình 4.2: Xác suất dừng (OP) là hàm số của I th (dB) khi M  1,3,5 ,
I th   10dB,15dB ,  th  0.75, xR  0.3, xP  0.5, yP  0.5, yE  0.3,  D  0.1,
 E  0.1 và  P  0. .............................................................................................. 46

Hình 4.3: Xác suất dừng (OP) là hàm số của M

khi M  1,10 , I th  0dB,

 th  0.5, 0.75,1 , xR  0.5, xP  0.5, yP  0.5, yE  0.5,  D  0.1,  E  0.1

và


 IP   0.1,0.9 . ................................................................................................... 51
Hình 4.8: Xác suất dừng (OP) là hàm số của I th (dB) khi M  1, 2, 6 ,
I th   0dB,15dB ,  th  1,

xR  0.4,

xP  0.5,

yP  0.5,

yE  0.2,

 D  0.08,

 E  0.08 và  P  0.05 . ....................................................................................... 53

Hình 4.9: Xác suất chặn (IP) là hàm số của I th (dB) khi M  1, 2, 6 ,
I th   0dB,15dB ,  th  1,

xR  0.4,

xP  0.5,

yP  0.5,

yE  0.2,

 D  0.08,

 E  0.08 và  P  0.05 . ....................................................................................... 54

giả sử rằng phần cứng của các thiết bị là hoàn hảo. Nhưng trong thực tế thì phần cứng
của các thiết bị là không hoàn hảo bởi sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q và sự
không tuyến tính trong bộ khuếch đại. Sự không hoàn hảo này sẽ gây ra can nhiễu
đến các tín hiệu phát và tín hiệu thu, và vì thế sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của các hệ
thống vô tuyến.
Trong luận văn này, sẽ nghiên cứu vấn đề bảo mật lớp vật lý, trong đó chú
trọng đến thông số hiệu năng Intercept Probability (IP). Hơn nữa, luận văn tập trung


2

nghiên cứu mô hình chuyển tiếp trong mạng thứ cấp (Secondary Network) sử dụng
kỹ thuật truy cập dạng nền (Underlay) trong truyền thông vô tuyến nhận thức
(Cognitive Radio).
Luận văn được trình bày theo bốn chương, cụ thể như sau:


Chương 1 – Lý thuyết tổng quan



Chương 2 – Mô hình hệ thống



Chương 3 – Đánh giá hiệu năng bảo mật



Chương 4 – Kết quả mô phỏng

nhận thức như sau:
Vô tuyến nhận thức là một hệ thống thu/phát được thiết kế để phát hiện
nhạy bén các khoảng phổ trống của phổ vô tuyến và nhảy vào (hoặc thoát ra nếu cần
thiết) các khoảng phổ này, mà không làm ảnh hưởng, gây nhiễu cho các hệ thống
được cấp phép khác.
Đây là một công nghệ rất tiềm năng trong chính sách quy hoạch tần số tĩnh
hiện nay, công nghệ giúp tận dụng các tần số nhàn rỗi không được sử dụng đến bởi


4

người dùng sơ cấp, tăng cao hiệu suất sử dụng phổ tần của mạng vô tuyến. Qua các
định nghĩa cốt lõi trên ta có thể tóm tắt lại:
Vô tuyến nhận thức là một hệ thống có khả năng thay đổi các thông số
truyền, dựa vào thực tế và tương tác môi trường xung quanh.
Về bản chất các CR là các SDR với trí tuệ nhân tạo, có khả năng cảm nhận
và phản ứng với môi trường. Từ đó cấp phát tài nguyên vô tuyến và các dịch vụ không
dây phù hợp với nhu cầu sử dụng. Công nghệ mới này dựa trên một nền tảng thông
minh giúp cho việc cấp phát phổ tối ưu hơn, làm tăng thêm đáng kể lượng phổ hiện
có của các nhà cung cấp dịch vụ, vận hành mạng.

Hình 1.1: Các khoảng phổ có thể sử dụng được biểu diễn trên miền thời gian và
miền tần số

Vô tuyến nhận thức được nghiên cứu để cho phép một đầu cuối vô tuyến
có thể cảm nhận và sử dụng bất kỳ phổ tần số vô tuyến nào có trong thời điểm hiện
tại, nhảy vào sử dụng vùng phổ rỗi và thoát ra ngay khi vùng phổ này cần sử dụng.


5

phổ tần động giúp vô tuyến nhận thức hoạt động trên phổ tần có sẵn tốt nhất. Vô
tuyến nhận thức có các tính năng quan trọng sau đây:


Điều khiển công suất: được sử dụng cho cả truy cập phổ cơ hội và chia

sẻ phổ trong hệ thống CR, để tìm các mức sụt SNR, hỗ trợ cho việc sắp đặt kênh cũng
như hạn chế công suất nhiễu nhằm bảo vệ cho người dùng sơ cấp.


Spectrum Sensing (SS): phát hiện các phần phổ sẵn có (chưa được sử

dụng) và chia sẻ nó mà không làm ảnh hưởng đến những người sử dụng khác, đây là
một yêu cầu quan trọng của mạng CR để cảm nhận được vùng phổ trống. Tìm kiếm
những người dùng sơ cấp là phương pháp hiệu quả nhất để tìm ra vùng phổ trống.


Wideband Spectrum Sensing (WSS): về cơ bản là giống với SS trên

một vùng phổ rộng, điển hình như một vùng phổ hàng trăm MHz hoặc vài GHz. Hiện
tại thì công nghệ truy cập phổ tần động không hỗ trợ tỷ lệ lấy mẫu cao, hiệu quả,
WSS yêu cầu một công nghệ mang tính cách mạng hơn, ví dụ như: Compressive
Sensing và sub-Nyquist sampling.


Quản lý phổ: lựa chọn phổ có sẵn tốt nhất.


7


được dựa trên chu kỳ cảm biến Tp này, nếu khoảng Tp này lớn thì thời gian có thể
xảy ra nhiễu cho người dùng sơ cấp cũng tỷ lệ thuận.


8

Ví dụ trên hình cho ta thấy, khoảng Tp là 10 ms, đây cũng là khoảng thời
gian mà người dùng sơ cấp bị người dùng thứ cấp chiếm giữ phổ dài nhất. Để đảm
bảo sự cân bằng, khoảng Tp càng thấp thì khoảng thời gian bị nhiễu càng thấp, và
đương nhiên khoảng Tp này sẽ được giảm ở phía người dùng thứ cấp. Tùy thuộc vào
độ can nhiễu giới hạn ở máy thu của người dùng sơ cấp, mà cả người dùng thứ cấp
và sơ cấp có thể truyền dữ liệu của họ cùng một lúc. Phạm vi can nhiễu được định
nghĩa là khoảng cách nhỏ nhất mà máy phát của người dùng thứ cấp phải cách xa để
nó không gây nhiễu (ở mức có thể chấp nhận được) đến nguồn thu của người dùng
thứ cấp.

Hình 1.5: Khoảng cách cho phép để người dùng thứ cấp có thể cùng phát trên một
phổ tần với người dùng sơ cấp

Khoảng cách đó dựa vào các tiêu chí sau:


Kênh không chắc chắn: kênh không chắc chắn phát sinh do biến động

trong kênh fading và shadowing có điều kiện. Tín hiệu năng lượng nhận được từ một
máy phát sơ cấp có thể thấp hơn so với độ nhạy cảm biến, tùy vào "deep fade" khi
mà máy thu thứ cấp ở trong phạm vi can nhiễu của một người dùng thứ cấp.
 Nhiễu không chắc chắn: để tính toán độ nhạy cảm biến của một người
dùng thứ cấp, thì công suất nhiễu là cần thiết, tuy thông thường không được tính đến.
Sự không chắc chắn trong công suất nhiễu này sẽ ảnh hưởng đến việc ước lượng độ

trong cảm biến phổ tần của mạng vô tuyến nhận thức, thì có thể sử dụng sự kết hợp
trong cảm biến phổ tần. Cảm biến phổ tần kết hợp cho ra nhiều lợi ích, giúp cải thiện
khả năng cảm biến của người dùng thứ cấp. Trong trường hợp này, nhiều người sử
dụng thứ cấp hợp tác cảm biến phổ tần nhắm tới và chia sẻ các kết quả, phổ cảm biến
được với nhau. Một ưu điểm lớn của cảm biến phổ kết hợp được thể hiện ở hình 1.6


10

dưới đây. Trong hình, người dùng thứ cấp U1 có thể không cảm biến được sự truyền
từ người dùng sơ cấp L1 do kênh truyền fading. Nếu U1 bắt đầu truyền, ít sẽ can nhiễu
với sự tiếp nhận dữ liệu tại nút L2 được cấp phép. Tuy nhiên nếu người dùng thứ cấp
U2 cảm biến được và báo cáo sự hiện diện của người dùng sơ cấp L1 tới bộ phận điều
khiển, U2 có thể thông báo cho bộ phận điều khiển, thì nó sẽ trì hoãn các sự truyền
dẫn để tránh làm nhiễu đến nút L2 thứ cấp.

Hình 1.6: Sự kết hợp giữa các người dùng thứ cấp với nhau

Khi hoạt động trong một hệ thống vô tuyến nhận thức thì các người dùng
thứ cấp cần phải chia sẻ phổ tần mở. Có nhiều tiêu chí để phân loại các công nghệ
chia sẻ phổ: dựa theo kiến trúc, phương pháp cấp phát phổ tần, hay công nghệ truy
nhập phổ tần.


11

Hình 1.7: Phương pháp chia sẻ phổ tần

1.1.3.2 Phương pháp thăm dò năng lượng (Energy Detection)
Phương pháp thăm dò năng lượng (Energy Detection) là một phương pháp



12



Bộ phát hiện này chỉ làm nhiệm vụ phát hiện, nó không có khả năng

phân biệt được đâu là tín hiệu PU hay SU.
Bộ phát hiện bằng phương pháp năng lượng này thì đơn giản hơn so với
phương pháp matched filter, và nó có thể được thực hiện bởi các dụng cụ phân tích
tín hiệu như FFT (Fast Fourier Transform). FFT chuyển tín hiệu từ miền thời gian
sang miền tần số. Kỹ thuật này xác định công suất của tín hiệu thông qua giá trị mật
độ phổ công suất của tín hiệu đó. Nếu công suất này vượt quá giá trị ngưỡng thì điều
đó thể hiện sự có mặt của PU.

Hình 1.8: Những khoảng phổ trống được biểu diễn trong cả miền thời gian và tần số

Để có được một đánh giá chính xác về năng lượng của tín hiệu tại tần số
mà ta quan tâm, ta phải tính toán để ước lượng giá trị của tín hiệu nhận được. Điều
đó có nghĩa là việc lấy mẫu các giá trị của tín hiệu thì cần thiết để có được kết quả tốt
nhất.
Tuy nhiên, bộ phát hiện năng lượng vẫn còn được sử dụng bởi vì nó đơn
giản và nó được sử dụng làm nền tảng cho việc thiết kế những bộ phát hiện mạnh
hơn. Ngoài ra, có đề nghị rằng sử dụng nó để làm dải tần bảo vệ an toàn để đánh giá
nhiễu của băng tần PU và tăng khả năng nhận biết nhiễu chưa xác định.
Giải thuật của phương pháp này được trình bày như sau: (Theo [7])


13

 €  y

(1.2)

n 1

Giá trị €(y) này được so sánh với giá trị ngưỡng γ để đánh giá sự có mặt
của tín hiệu. Nếu €(y) > γ thì:


Theo giả thiết H1; nghĩa là tồn tại tín hiệu trong kênh tần số này.



Theo giả thiết H0; nghĩa là kết quả phát hiện là sai, trường hợp này là

không có tín hiệu nhưng bộ phát hiện vẫn báo có phát hiện được.
Ngược lại, nếu €(y) < γ thì không hiện diện tín hiệu trong kênh tần số này.
Trong giải thuật này, người ta đưa ra 2 định nghĩa về xác suất phát hiện đúng tín hiệu
Pd và xác suất phát hiện sai của bộ phát hiện Pf:
Pd  P  є  y    | H1  ,

(1.3)

Pfa  P  є  y    | H 0  ,

   N v2 
Pf  P  H1 | H 0   Q  2
 ,


1
2





x

e 2 d .
2

(1.6)

Khi bộ phát hiện của chúng ta được yêu cầu phải thỏa mãn giá trị Pd, Pf và
giá trị tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR cho trước, khi đó số lần lấy mẫu sẽ được xác định
như sau thỏa mãn yêu cầu trên:
N  2 Q 1  Pf   Q 1  Pd  1  2SNR  SNR 2 .
2

(1.7)

Theo công thức trên, ta thấy số lần lấy mẫu N thì tỷ lệ nghịch với bình
phương của SNR. Giải thích một cách đơn giản như sau, với tín hiệu đã được đăng
ký PU mà có tỷ số SNR càng cao thì số lần lấy mẫu sẽ càng thấp mà vẫn đảm bảo
được chất lượng của bộ phát hiện. Và ngược lại, khi tỷ số SNR của tín hiệu PU thấp
thì đòi hỏi ta phải tăng giá trị của số lần lấy mẫu nếu muốn bộ phát hiện hoạt động.
Điều này hàm ý rằng bộ phát hiện bằng năng lượng không phải là lựa chọn tốt khi mà
tín hiệu có chỉ số SNR thấp. Xa hơn nữa, khi mà nhiễu trong môi trường không xác
định mà luôn thay đổi thì bộ phát hiện này được dùng với mục đích khác.


 x ( n )e
n 0

2
 j n

,      .

(1.9)


15

Trong thực tế thì người ta tính mật độ phổ công suất dựa trên FFT với sơ
đồ giải thuật như trên, tín hiệu được đưa vào, sau khi qua bộ chuyển đổi từ tín hiệu
tương tự sang tín hiệu số, quá trình lấy mẫu sẽ được xử lý trong bộ FFT, sau đó bình
phương, lấy trung bình như công thức đã nêu trên. Cuối cùng, kết quả này sẽ được so
sánh với giá trị ngưỡng để quyết định sự có mặt của tín hiệu trong nền nhiễu hay
không. Tuy nhiên, trong bộ FFT này ta cần chú ý đến độ rộng băng thông có phù hợp
với dãi băng mà chúng ta quan tâm hay không. Đồng thời kích thước của FFT cũng
có giới hạn của nó bởi vì một FFT có kích thước lớn thì sẽ đảm bảo chất lượng của
quá trình xử lý nhưng nó lại làm tăng thời gian cảm biến.
Ưu, nhược điểm của phương pháp:


Nhược điểm:
Bộ phát hiện bằng phương pháp năng lượng này thì đơn giản hơn so với

phương pháp matched filter, và nó có thể được thực hiện bởi các dụng cụ phân tích


16

Phương pháp cảm biến dựa vào năng lượng này thường được dùng chủ yếu
để phát hiện tín hiệu với một giá trị nhiễu xác định. Sở dĩ nó được lựa chọn trong kế
hoạch cảm biến phổ của hệ thống Cognitive Radio là vì:


Nó không cần nhiều thông tin của tín hiệu do đó xử lý đơn giản.



Quá trình cài đặt, thực hiện tương đối đơn giản khi sử dụng giải thuật

FFT, giải thuật có thể cảm biến nhanh và dễ dàng phân tích với hệ thống OFDM.


Đánh giá được mật độ phổ công suất (PSD) của tín hiệu nhận được

trong vùng lân cận và sau đó thiết lập được giá trị ngưỡng dựa vào việc xác định
white spaces và gray spaces.

Hình 1.9: Chia sẻ phổ tần dựa trên các công nghệ truy nhập

Trong phạm vi của đề tài, lựa chọn nút chuyển tiếp trong vô tuyến nhận
thức trên nền đa người dùng, ta sẽ tập trung vào phương pháp chia sẻ tần số theo
phương pháp truy nhập phổ tần. Theo công nghệ truy nhập chia sẻ phổ tần có thể chia
thành công nghệ Spectrum Overlay và Spectrum Underlay.

1.1.3.3 Kỹ thuật chia sẻ phổ tần Overlay (Spectrum Overlay)