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

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/314951999 NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG NGẪU NHIÊN SỬ DỤNG KỸ THUẬT CHỌN LỰA ANTEN PHÁT DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA SUY HAO... Thesis · August 2016 CITATION READS 1 34 1 author: Luan Van Ptit Vina phone, Ha Noi, Viet Nam. 16 PUBLICATIONS 2 CITATIONS SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: PTIT Project View project All content following this page was uploaded by Luan Van Ptit on 14 March 2017. The user has requested enhancement of the downloaded file. 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 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn: “Nghiên cứu hiệu năng mạng ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật chọn lựa anten phát dưới sự tác động của suy hao phần cứng” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là trung thực, một phần được tham khảo từ những bài báo được công bố trên tạp chí khoa học chuyên ngành, hội nghị khoa học trong nước và quốc tế. Phần còn lại chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Tp.HCM, ngày 06 tháng 06 năm 2016 Học viên Mai Văn Mãi ii LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập tại lớp Cao Học 2014 của Trường Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, em đã được học và tiếp thu nhiều kiến thức mới từ sự chỉ bảo tận tình và giúp đỡ của quý Thầy, Cô. Cho em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc tới các quý Thầy, Cô của Trường Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông. Đặc biệt, với lòng biết ơn sâu sắc nhất em xin chân thành gửi đến Thầy TS.Trần Trung Duy đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn 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 cuối cùng, em xin được chân thành cảm ơn 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 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 1.1.1. Giới thiệu chung ..................................................................................3 1.1.2. Truy cập phổ vô tuyến..........................................................................3 1.1.3. Mạng vô tuyến nhận thức.....................................................................4 1.2. Phương pháp phân tập phát ........................................................................6 1.2.1. Giới thiệu.............................................................................................6 1.2.2. Phân tập thời gian ...............................................................................7 1.2.3. Phân tập tần số ....................................................................................7 1.2.4. 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 thông thường............................................ 17 2.3.2. Mô hình mạng ngẫu nhiên vô tuyến nhận thức dạng nền.................... 18 2.3.3. Các phương pháp chọn lựa anten phát............................................... 19 iv Kết Luận Chương II .............................................................................................. 20 CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG ........................................21 3.1. Mô hình mạng ngẫu nhiên thông thường .................................................. 22 3.1.1. Giao thức RAND................................................................................ 22 3.1.2. Giao thức BEST ................................................................................. 24 3.2. 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 44 v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AM Amplitude modulation Biến đổi biên độ BS Base station Trạm gốc BER Bit error ratio Tỷ lệ lỗi bit 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 PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PU Primary user Người dùng thứ cấp Rx Receive Thu RF Ratio Frequency Tần số vô tuyến SC Selection Combining Kỹ thuật kết hợp lựa chọn 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 TV Television Tivi US User Người dùng vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Mạng vô tuyến nhận thức dạng nền. ..............................................6 Hình 1.2: Kỹ thuật phân tập anten thu. ..........................................................8 Hình 1.3: Kỹ thuật lựa chọn anten phát. ........................................................9 Hình 1.4: Mô hình mạng ngẫu nhiên.............................................................9 Hình 2.1: Mô hình kênh truyền cơ bản........................................................ 13 Hình 2.2: Mạng vô tuyến nhận thức dạng nền. ............................................ 15 Hình 2.3: Mô hình kênh truyền trong mạng ngẫu nhiên. ............................. 16 Hình 2.4: Mô hình mạng ngẫu nhiên vô tuyến nhận thức dạng nền. ............ 18 Hình 4.1: Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo sự biến thiên của tỷ lệ công suất phát trên nhiễu   P / N 0 (dB) với các tham số R  1.5 , M  2 ,  th  0.5 ,   0.1 và   4 ........................................................... 33 Hình 4.2: Xác suất dừng trung bình (OP) được biểu diễn theo sự biến thiên của tỷ lệ công suất phát trên nhiễu   P / N 0 (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 yP  0.4. .....................................................................................................40 1 LỜI MỞ ĐẦU Trong thời đại phát triển bùng nổ của các hệ thống thông tin vô tuyến, nhu cầu về chất lượng, dung lượng, các dịch vụ đa phương tiện và tính đa dạng trong các hệ thống thông tin không dây như thông tin di động, internet đang tăng lên một cách nhanh chóng trên phạm vi toàn thế giới. Nó trở nên quen thuộc, phổ biến và trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống của con người. Tuy nhiên phổ tần vô tuyến là hữu hạn, muốn tăng dung lượng bắt buộc phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số. Vì vậy việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ kỹ thuật tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này luôn là một đòi hỏi cấp thiết. Một trong những kỹ thuật có thể giúp cải thiện, làm hạn chế vấn đề khang hiếm phổ như ngày nay đó là dùng công nghệ vô tuyến nhận thức. Vô tuyến nhận thức sẽ là một trong những kỹ thuật tiềm năng cho mạng truyền thông vô tuyến thế hệ tiếp theo. Đặc biệt, kỹ thuật vô tuyến nhận thức dạng nền được các nhà nghiên cứu ghi nhận là một kỹ thuật hiệu quả để đảm bảo tính liên tục trong tiến trình truyền dữ liệu ở mạng thứ cấp. Do đó, học viên sẽ nghiên cứu thêm về chủ đề mạng vô tuyến nhận thức dạng nền. Ngoài ra, việc xác định khoảng cách giữa các user đến các trạm gốc rất quan trọng trong mạng ngẫu nhiên. Mạng ngẫu nhiên là một mô hình thực tế, khi những người dùng có thể xuất hiện một cách ngẫu nhiên. Đây cũng là một hướng nghiên cứu mới, nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Bên cạnh đó, trên thực tế các phần cứng của thiết bị đều không lý tưởng, chúng ảnh hưởng tới hiệu năng của hệ thống. Do đó, đề tài cũng sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của sự không hoàn hảo của phần cứng lên hiệu năng của mạng vô tuyến. Cụ thể, đề tài đánh giá sự ảnh hưởng của mức độ suy hao phần cứng  X,Y lên các hiệu năng của mạng. 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. Chương V: Kết luận . Trình bày tóm tắt các kết quả đạt được của luận văn và nêu ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài, cũng như những nghiên cứu dự kiến sẽ thực hiện trong tương lai. 3 CHƯƠNG I - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Mạng vô tuyến và vô tuyến nhận thức 1.1.1 Giới thiệu chung Truyền thông vô tuyến [1] là một phần của hệ thống truyền dẫn số, trong đó tập hợp các phương tiện (bao gồm các thiết bị phần cứng và phần mềm) được sử dụng để truyền tín hiệu số từ lối ra của thiết bị tạo khuôn ở phần phát tới đầu vào thiết bị tái tạo khuôn thông tin ở phần thu hệ thống thông tin số. Truyền thông vô tuyến sử dụng khoảng không gian làm môi trường truyền dẫn. Phương pháp thông tin trong truyền thông vô tuyến là máy phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng điện từ và bên máy thu tiếp nhận sóng điện từ từ máy phát, qua không gian và tách lấy tín hiệu gốc. Ưu điểm của mạng thông tin vô tuyến so với mạng hữu tuyến là sự di động, dễ lắp đặt và dễ nâng cấp. Trong vài thập kỹ gần đây, các hệ thống vô tuyến đã trở nên phổ biến trong cuộc sống hàng ngày, giúp cho con người có thể liên lạc với nhau bất kể vị trí nào của họ ở đâu. Vì vậy truyền thông vô tuyến có tốc độ phát triển nhanh chóng, được phủ sóng khắp mọi nơi để đáp ứng nhu cầu cho người dùng. Đồng nghĩa với việc mở rộng vùng phủ sóng vô tuyến thì phải cần đáp ứng rất lớn về phổ tần. Tuy nhiên, giống như hầu hết các nguồn tài nguyên khác, tài nguyên phổ tần cũng hữu hạn, ít nhất là đối với các công nghệ hiện có ngày nay và các công nghệ được dự đoán sẽ xuất hiện trong tương lại. Do đó không còn sự lựa chọn nào khác là sử dụng chúng 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 Radio) sẽ là một phần tử quan trọng trong hệ thống vô tuyến nhận thức. Sau đó thì vô tuyến này bao gồm một tần số vô tuyến (RF:Radio Frequency) và một Tunner được điều khiển bởi phần mềm. Các tín hiệu băng gốc được đưa vào một bộ chuyển đổi tương tự-số, tại đó được lượng tử hóa, sau đó được giải điều chế trong một thiết bị có thể tự cấu hình. Với khả năng cấu hình của sơ đồ điều chế nên nó đúng với tên gọi Vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm. Vì các tham số của thiết bị SDR được thay đổi một cách linh động bằng phần mềm mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng. Mục đích của vô tuyến nhận thức là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt động trên các dải tần còn trống tạm thời mà không gây can nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn 5 hoạt động trên dải tần đó. Để cho phép tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần như trên, vô tuyến nhận thức phải có những tính năng cơ bản sau:  Điều chỉnh tần số hoạt động của hệ thống một cách tức thì từ một băng tần này đến một băng tần khác (còn trống) trên dải tần cho phép. Được sử dụng cho cả truy cập phổ cơ hội và chia sẽ phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức (CR), hổ trợ cho việc sắp đặt kênh cũng như hạn chế công suất nhiễu nhằm bảo vệ cho người dùng sơ cấp.  Cảm biến phổ (SS: Spectrum Sensing) là phát hiện các thành phần phổ chưa được sử dụng và chia sẻ nó mà không làm ảnh hưởng đến người sử dụng khác. Đây cũng là một yêu cầu quan trọng của mạng vô tuyến nhận thức 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.  Linh động phổ: vô tuyến nhận thức (CR) sử dụng công nghệ truy cập phổ tần động, đều đó có nghĩa là CR phải hoạt động trên băng tần tốt nhất, để tìm được các khoảng phổ trống tốt nhất, CR cần phải thu thập các phổ trống lại.  Chia sẻ kênh tần số, phổ và điều khiển công suất thích ứng theo điều kiên cụ 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 Phương pháp phân tập phát 1.2.1 Giới thiệu Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế ảnh hưởng của fading. Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông. Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân tập không gian (hay phân tập anten). Trong đó kỹ thuật phân tập anten hiện đang được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhở khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong 7 nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số (một yếu tố rất quan trọng trong khi nguồn tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm). Có nhiều cách để đạt được phân tập. Phân tập thời gian có thể thu được qua mã hóa (coding) và xen kênh, phân tập tần số có thể thu được nếu đặc tính của kênh truyền là chọn lọc tần số, phân tập không gian sử dụng nhiều anten phát hoặc thu đặt cách nhau với khoảng cách đủ lớn. 1.2.2 Phân tập thời gian Kỹ thuật phân tập thời gian (tín hiệu được truyền đi ở những thời điểm khác nhau) là kỹ thuật sử dụng đối với kênh truyền biến đổi theo thời gian, điều này thường xảy ra đối với các trường hợp máy thu hay máy phát đang chuyển động tương đối với nhau. Lúc này các tín hiệu mang cùng loại thông tin sẽ được phát ở nhiều điểm khác nhau để ảnh hưởng của fading lên các tín hiệu này sẽ độc lập với nhau về mặt thời gian. Nhược điểm là ở bên phía thu phải chờ một khoảng thời gian 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 US Hình 1.2: Kỹ thuật phân tập anten thu Trong phân tập anten thu như hình 1.2, giả sử trạm gốc chỉ có một anten phát và nhiều anten được sử dụng ở đầu thu để nhận các dữ liệu của tín hiệu phát một cách độc lập. Các dữ liệu của tín hiệu thu được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt ảnh hưởng của hiệu ứng fading đa đường. Trong kỹ thuật phân tập thu, các đường truyền fading độc lập của các anten thu được liên kết với nhau để đạt tín hiệu thu thông qua bộ giải điều chế nhằm làm giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading. Việc kết hợp tín hiệu thu có thể được thực hiện bằng nhiều các khác nhau với độ phức tạp và hiệu năng của hệ thống tương ứng cũng khác nhau. Tín hiệu thu được sau khi phân tập bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các dữ liệu tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn so với từng dữ liệu riêng lẽ. Trong phân tập anten phát như trong hình vẽ 1.3, nút nguồn là một trạm gốc (Base Station (BS)) được trang bị nhiều anten phát và có thể áp dụng các kỹ thuật phân tập phát để nâng cao độ lợi phân tập. 9 Kỹ thuật chọn lựa anten phát tốt nhất (Transmit Antenna Selection (TAS)) [5]-[6] là một kỹ thuật đơn giản nhằm đạt được độ lợi phân tập phát. Trong kỹ thuật này, nút nguồn với nhiều anten sẽ chọn 1 anten có độ lợi kênh truyền tốt nhất để truyền dữ liệu đến nút đích. US 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 trạm gốc BS là R (đường kính D=2R). Một người dùng US với một anten thu và di chuyển ngẫu nhiên trong phạm vi bán kính R. Thông thường người dùng US sẽ không có vị trí cố định trong mạng lưới (mặc dù trạm gốc BS thường phải được đặt cố định ở một vị trí nào đó), US sẽ di chuyển xung quanh trạm BS với bán kính R. Do đó, khoảng cách giữa BS và US sẽ thay đổi theo thời gian, hay khoảng cách giữa hai nút này sẽ là một biến ngẫu nhiên. Những mạng như vậy có tên gọi là mạng vô tuyến ngẫu nhiên (Random Wireless Networks) [7]-[8]. 1.4 Suy hao phần cứng Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu liên quan đến truyền thông vô tuyến đều giả sử rằng phần cứng của các thiết bị là hoàn hảo. Trong thực tế, phần cứng của các thiết bị, đặc biệt là các thiết bị rẻ tiền, là không hoàn hảo bởi sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q và sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại [9]-[11]. 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. Do đó chúng ta cần đưa sự suy hao phần cứng vào trong việc đánh giá hiệu năng của các mô hình này. 1.5 Các nghiên cứu liên quan Hướng nghiên cứu của đề tài là đánh giá hiệu năng mạng truyền thông vô tuyến sử dụng kỹ thuật anten phát (TAS: Transmit Antenna Selection). Đây là một trong những phương pháp hiệu quả để đạt được độ lợi phân tập với độ phức tạp thấp. Gần đây kỹ thuật TAS kết hợp với công nghệ vô tuyến nhận thức đã đem lại hiệu quả đáng kể trong việc nâng cao hiệu năng của hệ thống đồng thời giải quyết vấn đề khan hiếm phổ như hiện nay.