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

NGUYỄN ĐẠI THẮNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH
TRUYỀN THÔNG CỘNG TÁC TĂNG CƯỜNG TRONG
MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI ĐA
TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO

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

TP.HCM - 2018


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

NGUYỄN ĐẠI THẮNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH
TRUYỀN THÔNG CỘNG TÁC TĂNG CƯỜNG TRONG
MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI ĐA
TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO
Chuyên Ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã Số: 8520208

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


Em xin chân thành cảm ơn!
TP.HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Đại Thắng


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ...........................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... v
DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 -

LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ................................................................. 3

1.1. Tổng quan về truyền thông vô tuyến ............................................................................... 3
1.2. Tổng quan về truyền thông cộng tác và truyền thông cộng tác tăng cường ................ 4
1.2.1. Giới thiệu truyền thông cộng tác .............................................................................. 4
1.2.2. Truyền thông cộng tác tăng cường ........................................................................... 6
1.3. Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức và vô tuyến nhận thức dạng nền.................. 7
1.3.1. Khái niệm chung về vô tuyến nhận thức .................................................................. 7
1.3.2. Các mô hình trong vô tuyến nhận thức .................................................................... 9
1.3.3. Vô tuyến nhận thức dạng nền ................................................................................. 11
1.4. Tổng quan về NOMA và SIC ......................................................................................... 12
1.4.1. Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA............................................................ 12


CHƯƠNG 4 -

KẾT LUẬN ........................................................................................... 46

4.1. Các kết quả đạt được ...................................................................................................... 46
4.2. Hướng phát triển đề tài .................................................................................................. 46

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 48


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

3G

Third Generation

Mạng di động thế hệ thứ 3

4G

Fourth Generation


Giải mã và chuyển tiếp

DSP

Digital Signal Processor

Bộ xử lý tín hiệu số

ECC

Error Control Coding

Mã hóa sửa sai

IEEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

LOS

Line of Sight

LTE

Long Term Evolution

MIMO



Successive Interference

Cơ chế loại bỏ nhiễu một cách

Cancellation

tuần tự

SN

Secondary Networks

Mạng thứ cấp

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiện trên nhiễu

UE

User Equiment

Thiết bị người dung

UWB

Ultra-wideband

và  th  1. ..................................................................................................................43
Hình 3.6 : Thông lượng vẽ theo 1 với Q  7.5 (dB), M  3, xP  0.5, yP  0.25 và
 th  1. .......................................................................................................................43

Hình 3.7 : Thông lượng vẽ theo xR với Q  5 (dB), M  4, 1  0.75, xP  0.5,
yP  0.25 và  th  1. ..................................................................................................44


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, mạng truyền thông vô tuyến đang phát triển mạnh mẽ, trong đó kỹ
thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA) là một kỹ thuật mới được đề xuất cho
mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) giúp tăng tốc độ truyền tải người dùng cùng một lúc,
mã và tần số, nhưng với các mức năng lượng khác nhau . Ý tưỏng của NOMA chính
là việc ghép một cách tuyến tính các dữ liệu lại với nhau rồi gửi đồng thời tín hiệu
được ghép này đến nơi nhận. Ở nơi nhận, các dữ liệu lần lượt được giải mã theo cơ
chế loại bỏ nhiễu một cách tuần tự (Successive Interference Cancellation (SIC)). Do
đó, cùng một lúc nơi nhận có thể nhận được nhiều dữ liệu khác nhau, vì thế sẽ nâng
cao tốc độ truyền dữ liệu cho hệ thống.
Một trong những vấn đề cấp bách được quan tâm nhiều hiện nay đó là vấn đề
cạn kiệt phổ tần. Trong hoàn cảnh đó, vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) đã ra đời
nhằm giải quyết vấn đề này. Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, người dùng
thứ cấp có thể sử dụng phổ tần cùng lúc với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu tạo
ra từ những hoạt động của người dùng thứ cấp đến người dùng sơ cấp phải nhỏ hơn
một mức giới hạn cho phép. Do công suất phát của những người dùng thứ cấp bị giới
hạn nên chất lượng dịch vụ của mạng thứ cấp sẽ bị giảm đi đáng kể. Đó là lý do Học
viên mong muốn áp dụng kỹ thuật NOMA cho mạng vô tuyến nhận thức dạng nền
nhằm nâng cao thông lượng cho các mạng vô tuyến nhận thức.
Để nâng cao hiệu năng cho mạng vô tuyến nhận thức, các giao thức truyền

Trong những năm gần đây truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển
vượt bậc và được dự đoán sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa. Sự ra đời và phát triển
các dịch vụ thoại, internet di động, các dịch vụ giá trị gia tăng, truyền dữ liệu băng
thông rộng, truyền hình di động… làm cho nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu ngày
càng tăng, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin di động. Các hệ thống thông tin di
động tế bào đã phát triển lên thế hệ thứ 3 (3G) và thế hệ thứ 4 (4G LTE) đã được triển
khai tại nhiều nước trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Ngoài ra việc nghiên cứu
phát triển và thử nghiệm triển khai các công nghệ mới không ngừng diễn ra. Các thử
nghiệm kỹ thuật cho công nghệ di động 5G đã được tiến hành và đạt được những
thành tựu lớn. Các tập đoàn công nghệ hàng đầu đã trình diễn và thử nghiệm mạng
di động 5G đạt tới tốc độ 7.2 Gbps. Dự kiến tới năm 2020 mạng 5G sẽ được triển
khai trên thực tế.
Cùng với sự phát triển của các kỹ thuật giúp tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu
như các kỹ thuật điều chế, mã hóa, các kỹ thuật phân tập, các hệ thống MIMO… thì
một trong những thách thức lớn nhất của các nhà nghiên cứu là sự cạn kiệt về tài
nguyên tần số. Tài nguyên tần số là có hạn và được quy hoạch sử dụng cho nhiều mục
đích khác nhau: thoại, phát thanh, truyền hình, quân sự, thông tin vệ tinh, truyền dữ
liệu… Ngoài ra, việc truyền thông trong môi trường không dây phải đối mặt với
những hạn chế cơ bản do sự suy yếu tín hiệu gây ra bởi kênh truyền vô tuyến. Khi tín
hiệu đi từ nguồn đến đích, việc truyền sóng điện từ phải chịu ảnh hưởng của các yếu
tố như phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Thêm vào đó, truyền đa đường gây nên sự thăng
giáng nhanh chóng biên độ, pha, làm trễ và thường dẫn đến hiện tượng Fading. Những
sự suy yếu trên có thể bù đắp bằng nhiều cách như tăng công suất phát, mở rộng băng
thông hay sử dụng các loại mã hóa sửa sai ECC (Error Control Coding). Tuy nhiên,
công suất và băng thông là những tài nguyên vô tuyến có giới hạn và ngày càng trở


4

nên khan hiếm trong khi việc sử dụng các loại mã hóa sửa sai sẽ làm hạn chế tốc độ


Đó chính là ý tưởng chính của khái niệm truyền thông cộng tác [1], [2]
(Cooperative Communication), tạo nên phân tập không gian bằng một phương thức
mới hay còn gọi là hệ thống các anten phân tập không gian “ảo” (hay hệ thống MIMO
ảo). Có nghĩa là các thiết bị di động chỉ có một anten, nhưng chúng có thể “chia sẻ”
anten của mình với các thiết bị khác để tạo thành hệ thống anten phân tập không gian.
Khi đó, dữ liệu của mỗi người dùng (user) được truyền không chỉ bởi chính thiết bị
của người đó mà còn được truyền bởi những thiết bị di động khác. Vì thế đương nhiên
là trên quan điểm thống kê thì việc nhận diện tín hiệu truyền đi ở phía thu sẽ trở nên
đáng tin cậy hơn. Và quan trọng là nếu so với Multi-Input Multi-Output (MIMO)
truyền thông cộng tác không cần phải quan tâm đến vấn đề tích hợp nhiều anten vào
các thiết bị di động, vốn là một vấn đề đòi hỏi chi phí, kích thước thiết bị và sự phức
tạp về công nghệ và phần cứng. Nhờ vậy, các ứng dụng của truyền thông cộng tác
vào các mạng vô tuyến như mạng thông tin di động là cực kì hứa hẹn.
Trong truyền thông cộng tác vô tuyến, liên quan đến mạng vô tuyến di động
hoặc mạng tùy biến không dây, tại đây các nút người dùng có thể nâng cao chất lượng
hiệu quả dịch vụ (tỷ lệ lỗi bit, tỷ lệ lỗi khối, xác suất dừng) thông qua hợp tác các
phần tử khác trong mạng. Có thể dễ dàng nhận ra một người dùng trong mạng vừa là
người dùng vừa là nút chuyển tiếp.


6

Hình 1.1: Sự khác biệt giữa mô hình truyền thông trực tiếp và truyền thông cộng tác,
mở rộng phạm vi truyền của truyền thông hợp tác

1.2.2. Truyền thông cộng tác tăng cường
Nhược điểm mô hình truyền thông cộng tác thông thường đó là việc sử dụng
02 khe thời gian cho việc truyền dữ liệu từ nguồn đến đích. Điều này có thể làm giảm
tốc độ truyền dữ liệu của mạng. Đề giải quyết vấn đề này, truyền thông cộng tác tăng

như FPGA, bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor - DSP), hoặc máy tính cá
nhân (PC). Với khả năng cấu hình của sơ đồ điều chế nên nó đúng với tên gọi vô
tuyến được định nghĩa bằng phần mềm. Vào năm 1998 trong một kỳ hội thảo tại KTH
(Royal Institute of Technology - Stockholm), những ý tưởng về vô tuyến nhận thức
(CR) đã được manh nha. Và sau đó được công bố trong một bài viết của J. Mitola và
Gerald Q. Maguire, Jr. vào năm 1999. Lúc đó là một phương pháp mới trong truyền
thông vô tuyến, và được J. Mitola định nghĩa như sau:
Vô tuyến nhận thức là một bước tiến của SDR, nó có thể thiết lập các thông
số như băng tần, giao diện, giao thức vô tuyến, trong môi trường biến đổi theo không
gian và thời gian, nhằm tối ưu việc sử dụng phổ vô tuyến.
Kế đến, viện các kỹ sư điện, điện tử Hoa Kỳ (IEEE) đã định nghĩa vô tuyến
nhận thức như sau:


8

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
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

của người dùng sơ cấp để sử dụng những tần số trống một cách hiệu quả và không
can nhiễu tới người dùng sơ cấp.
- Mô hình chia sẻ tần số (Overlay): nút phát thứ cấp đóng vai trò như những
bộ chuyển tiếp tín hiệu sơ cấp cho những nút sơ cấp. Nhờ sự cộng tác này,
hiệu năng của mạng sơ cấp tăng lên, trong khi đó những nút phát thứ cấp tìm
thấy những cơ hội để truyền những tín hiệu của chúng đến những bộ thu thứ
cấp mong muốn.
- Mô hình dạng nền (Underlay): trong mô hình này thì người sử dụng thứ cấp
có thể sử dụng chung tần số với người dùng sơ cấp, miễn là can nhiễu của
người dùng thứ cấp tới người dùng sơ cấp ở mức giới hạn cho phép. Để làm
được điều này thì công suất phát của người dùng thứ cấp bị hạn chế, đồng thời
hiệu năng của mạng thứ cấp cũng giảm theo.
Trong ba phương pháp này thì phương pháp Underlay nhận được nhiều sự
quan tâm của các nhà khoa học nghiên cứu gần đây khi mà ưu điểm của nó là cho
phép các mạng sơ cấp và mạng thứ cấp có thể tiến hành song song hai hoạt động
truyền và phát.
Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là để đảm bảo điều kiện can
nhiễu nhận được tại phía máy thu sơ cấp, công suất phát của các máy phát thứ cấp
phải được điều chỉnh phụ thuộc vào độ lợi kênh truyền can nhiễu và kết quả là vùng
phủ sóng của mạng thứ cấp bị giới hạn.


11

Hình 1.4: Sử dụng phổ tần của ba mô hình chính trong vô tuyến nhận thức

1.3.3. Vô tuyến nhận thức dạng nền
Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, các nút phát thứ cấp phải điều
chỉnh công suất phát sao cho thoả mãn mức giao thoa định mức tối đa được quy định
bởi mạng sơ cấp (xem hình 1.5).

Things. Do hiệu quả quang phổ vượt trội, NOMA cũng đã được đưa vào 3GPP LTE
Advanced gần đây, dưới cái tên "Multi-User Chồng truyền". Vấn đề đặc biệt này sẽ
cung cấp một diễn đàn cho các nghiên cứu mới nhất và đổi mới trong công nghệ
NOMA cũng như các ứng dụng của họ, và sẽ thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và
thực hành trong các thiết kế của 5G.

1.4.2. Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC (Successive
Interference Cancellation)
Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC [13], [15] được sử dụng
trong NOMA để giải mã tín hiệu của từng UE. Trong NOMA, công suất lớn được


13

phân bổ cho UE nằm xa BS nhất và công suất nhỏ dành cho UE gần BS nhất. Trong
mạng, tất cả các UE đều nhận được cùng một tín hiệu mang thông tin cho tất cả
người dùng. Mỗi UE sẽ giải mã tín hiệu mạnh nhất trước, và sau đó trừ đi tín hiệu
giải mã từ tín hiệu nhận được. SIC sẽ nhận và lặp lại phép trừ cho đến khi nó tìm
thấy tín hiệu riêng của nó. UE nằm gần với BS có thể loại bỏ tín hiệu của UE xa.

Hình 1.6: Phương pháp loại bỏ giao thoa một cách tuần tự SIC với 3 tín hiệu

Để hiểu rõ hơn về SIC, ta xem xét hình 1.6, minh họa nguồn phát 3 tín hiệu
cho 3 UE cùng lúc có cùng tần số và băng thông, tại mỗi UE tín hiệu nhận được gồm
cả 3 tín hiệu trên, UE sẽ giải mã tín hiệu mạnh nhất trước và xem 2 tín hiệu kia là
nhiễu. Khi tín hiệu đầu được giải mã thành công, nó sẽ bị loại trừ ra, lúc này ta còn 2
tín hiệu 2 và 3, quá trình SIC sẽ lặp lại cho đến khi ta giải mã được tín hiệu mong
muốn.

1.5. Lý do chọn đề tài

cấp cùng nhận dữ liệu từ một trạm gốc (Base Station) chung, sử dụng kỹ thuật đa truy
cập không trực giao. Trong luận văn này, mạng chuyển tiếp tăng cường trong vô
tuyến nhận thức dạng nền sử dụng đa truy cập không trực giao sẽ được nghiên cứu.
Hơn nữa, Học viên cũng đề xuất phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp để nâng cao
hiệu quả truyền dữ liệu cho mô hình đề xuất.


15

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG

2.1. Mô hình kênh truyền Fading Rayleigh
Đáp ứng của kênh truyền là một quá trình phụ thuộc vào cả thời gian và biên
độ. Biên độ của hàm truyền tại một tần số nhất định tuân theo phân bố Rayleigh, nếu
kênh truyền không tồn tại LOS (Line of Sight), người ta đã chứng minh được đường
bao của tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyền được
gọi là kênh truyền Fading Rayleigh. Khi đó tín hiệu nhận được ở máy thu là tổng hợp
của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ.
Nói cách khác, Fading Rayleigh là mô hình hợp lý cho việc truyền tín hiệu cả
hai tầng đối lưu và điện ly cũng như cho sự ảnh hưởng của môi trường đô thị đến tín
hiệu vô tuyến. Nó không bao gồm thành phần truyền thẳng LOS.
Trong những kênh truyền vô tuyến, phân bố Rayleigh thường được dùng để
mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được
hay đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Chúng ta biết rằng đường bao
của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh. Khi môi
trường có nhiều thành phần tán xạ ta có thể dùng mô hình Rayleigh với 2 biến Gauss
ngẫu nhiên và phương sai là  2 thì Z  X 2  Y 2 có phân bố Rayleigh và Z 2 có phân
bố hàm mũ. Nếu rI và rQ đều là biến ngẫu nhiên Gauss. Giả sử phương sai là  2
( công suất thành phần đường bao tín hiệu) ta có:
z  t   r  t   rI2  t   rQ2  t  .

e

e
, x  0.
Pr
2 2

(2.3)

Trong luận văn này, tất cả kênh truyền đều giả sử là kênh fading Rayleigh, và
tất cả các độ lợi kênh truyền đều có phân phối mũ.

2.2. Mô hình đề xuất
2.2.1. Mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền

R1

PU
Rb

S

D

RM
Hình 2.1: Mô hình hệ thống

Hình 2.1 mô tả mô hình hệ thống được nghiên cứu trong luận văn. Trong mô
hình này, hai mạng sơ cấp (primary network) và thứ cấp (secondary network) hoạt
động trên cùng một dải tần, trong đó các thiết bị phát thứ cấp truy cập phổ tần theo

PR m 

I th

R

,

(2.5)

mP

với  R mP | hR mP |2 là độ lợi kênh truyền giữa R m và PU, trong đó hR m P là hệ số kênh
truyền.

2.2.2. Mô hình đa truy nhập không trực giao
Tất cả các nút đều được giả sử chỉ có 01 ănten và hoạt động ở chế độ bán song
công (half-duplex). Do đó, sự truyền dữ liệu giữa nguồn và đích (hoặc thông qua nút
chuyển tiếp được chọn) có thể được thực hiện trong 01 khe thời gian hoặc 02 khe thời
gian.
Ở khe thời gian thứ nhất, nút nguồn kết hợp 02 dữ liệu x1 và x2 lại và gửi đến
nút đích. Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền, các nút chuyển tiếp cũng sẽ nhận
được dữ liệu này. Theo kỹ thuật NOMA, 2 dữ liệu x1 và x2 sẽ được cộng một cách
tuyến tính dưới dạng sau:

x  1PS x1   2 PS x2 ,

(2.6)