Tài liệu Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –---------- BK TP.HCM TRƯƠNG MINH HÙNG TỐI ƯU CẢM BIẾN PHỔ TẦN HỢP TÁC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ : 60520208 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6/2015 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. Cán bộ chấm nhận xét 1: .………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. Cán bộ chấm nhận xét 2: .……………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………….. Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 14 tháng 7 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. TS. ĐỖ HỒNG TUẤN. 2. TS. HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG. 3. TS. NGUYỄN MINH HOÀNG. 4. TS. VÕ QUẾ SƠN. 5. TS. MAI LINH. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRƯƠNG MINH HÙNG MSHV: 13460531 Ngày, tháng, năm sinh: 8/6/1985 Nơi sinh: TP.Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông .................................... Mã số : 60520208 ..... I. TÊN ĐỀ TÀI: TỐI ƯU CẢM BIẾN PHỔ TẦN HỢP TÁC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức để cực tiểu xác suất lỗi của hệ thống; đề xuất một số giải pháp để cảm biến phổ tần nhanh và chính xác trong kênh truyền AWGN và Rayleigh khi có nhiều người dùng ..................................................................................................... III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) ............................ IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) ............. V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên) : …………………………..PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG .......................................... Tp. HCM, ngày tháng 7 năm 2015 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….……… (Họ tên và chữ ký) LỜI CẢM ƠN Chân thành bày tỏ lòng biết ơn PGS.TS Hồ Văn Khương đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện Luận Văn này. Chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô chuyên ngành Kỹ Thuật Viễn Thông Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã hết lòng giảng dạy, truyền đạt kiến thức và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập tại Trường. Chân thành cám ơn Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt cho tôi về trang thiết bị và tài liệu học tập trong suốt khóa học. Chân thành cám ơn các bạn học viên cao học K2013 và gia đình đã ủng hộ, giúp đỡ tôi trong học tập và thực hiện Luận Văn này. TP.HCM, ngày 14 tháng 7 năm 2015 KS. Trương Minh Hùng Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG ABSTRACT Cooperative spectrum sensing (CSS) has been shown to be an effective method to improve the detection performance by exploiting spatial diversity. Conventional cooperation scheme assumes that the cooperative secondary users (SUs) report their local sensing data to a fusion center sequentially. This causes a reporting delay which increases with the number of the cooperative SUs, ultimately affecting the performance of CSS. This thesis considers optimization of cooperative spectrum sensing with energy detection to minimize the total error rate [6]. The thesis also derives the optimal voting rule for any detector applied to cooperative spectrum sensing and optimizes the detection threshold when energy detection is employed. Finally, I propose a fast spectrum sensing algorithm for a large network which requires fewer than the total number of cognitive radios in cooperative spectrum sensing while satisfying a given error bound. TÓM TẮT Cảm biến phổ tần hợp tác đã được chứng minh là một phương pháp hiệu quả để cải thiện hiệu suất phát hiện bằng cách khai thác sự đa dạng về mặt không gian. Trong mô hình hợp tác thường giả định rằng các người dùng vô tuyến nhận thức gửi kết quả cảm biến cục bộ tới trung tâm tổng hợp một cách tuần tự. Điều này gây ra sự chậm trễ trong việc báo cáo kết quả cảm biến khi tăng số lượng người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức và cuối cùng ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến phổ tần hợp tác. Luận văn này hướng tới việc tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác sử dụng kỹ thuật phát hiện năng lượng để cực tiểu xác suất lỗi của hệ thống. Luận văn cũng rút ra qui tắc bầu chọn tối ưu cho bất kỳ bộ thu nào sử dụng trong cảm biến phổ tần hợp tác và tối ưu ngưỡng phát hiện khi sử dụng kỹ thuật phát hiện năng lượng. Cuối cùng, tôi đề xuất các giải pháp để cảm biến phổ tần nhanh trong một mạng lớn mà vẫn đạt được xác suất lỗi của hệ thống chấp nhận được. HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang v Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là sản phẩm do chính tôi tự thực hiện, không có sự sao chép kết quả trong các bất cứ tài liệu hay bài báo nào đã công bố trước đây. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam đoan nói trên. TPHCM, ngày 14 tháng 7 năm 2015 Học viên thực hiện Ký tên Trương Minh Hùng HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang vi Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG MỤC LỤC ABSTRACT ......................................................................................................... v DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ........................................................................... ix DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................... xii DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................xiii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI .................................................................. 1 1.1 Đặt vấn đề: ...................................................................................................... 1 1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................... 3 1.3 Mục đích nghiên cứu ....................................................................................... 3 1.4 Đóng góp của đề tài ......................................................................................... 3 1.5 Cấu trúc của luận văn ...................................................................................... 4 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ........................................................................ 5 2.1 Các cơ sở lý thuyết: ......................................................................................... 5 2.1.1 Fading tầm rộng và fading tầm hẹp: .......................................................... 5 2.1.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền: ............................ 6 2.1.2.1 Hiện tượng đa đường: ........................................................................ 6 2.1.2.2 Hiệu ứng Doppler:............................................................................. 7 2.1.2.3 Suy hao trên đường truyền: ............................................................... 8 2.1.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing):...................................................... 8 2.1.3 Các dạng kênh truyền: ............................................................................... 8 2.1.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số: .. 9 2.1.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian: .................................................................................................................. 10 2.1.4 Các mô hình kênh truyền cơ bản: ............................................................ 10 2.1.4.1 Kênh truyền AWGN: ...................................................................... 10 2.1.4.2 Kênh truyền Rayleigh fading: .......................................................... 11 2.1.4.3 Kênh truyền Rician: ........................................................................ 12 HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang vii Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 2.1.5 Phân phối thống kê : ................................................................................ 13 2.1.5.1 Phân phối Ki bình phương :............................................................. 13 2.1.5.2 Tổng của hai biến ngẫu nhiên : ........................................................ 14 2.2 Khái niệm về vô tuyến nhận thức :................................................................. 15 2.3 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức :............................................................... 16 2.4 Hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức : ..................................................... 18 2.5 Các bước chia sẻ phổ tần trong mạng vô tuyến nhận thức: ............................. 20 2.6 Cảm biến phổ tần và các vấn đề, thách thức trong cảm biến phổ tần: ............. 21 2.6.1 Cảm biến phổ tần là gì? ........................................................................... 21 2.6.2 Các vấn đề và thách thức trong cảm biến phổ tần: ................................... 21 2.6.2.1 Kênh truyền không ổn định: ............................................................ 21 2.6.2.2 Nhiễu không ổn định: ...................................................................... 22 2.6.2.3 Giới hạn nhiễu cảm biến:................................................................. 22 2.7 Các kỹ thuật cảm biến phổ tần: ...................................................................... 23 2.7.1 Energy Detection:.................................................................................... 23 2.7.2 Matched Filter Detection: ........................................................................ 28 2.7.3 Cyclostationary Feature Detection: .......................................................... 32 2.7.4 So sánh độ chính xác của các kỹ thuật cảm biến phổ tần: ........................ 34 2.8 Truy cập phổ tần động trong mạng vô tuyến nhận thức:................................. 35 CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN PHỔ TẦN HỢP TÁC. ........................................... 38 3.1 Cảm biến phổ tần hợp tác: ............................................................................. 38 3.2 Phân loại và mô hình vật lý của cảm biến hợp tác: ........................................ 41 3.2.1 Phân loại cảm biến hợp tác: ..................................................................... 41 3.2.2 Mô hình vật lý của cảm biến hợp tác: ...................................................... 43 3.3 Qui tắc quyết định tổng hợp:.......................................................................... 44 3.3.1 Qui tắc quyết định cứng (Hard Decision Fusion): .................................... 45 3.3.2 Qui tắc quyết định mềm (Soft Decision Fusion): ..................................... 48 CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU CẢM BIẾN PHỔ TẦN HỢP TÁC ĐỂ CỰC TIỂU TỶ LỆ LỖI CỦA HỆ THỐNG. ......................................... 50 HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang viii Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG 4.1 Tối ưu qui tắc biểu quyết: .............................................................................. 53 4.2/ Tối ưu ngưỡng phát hiện năng lượng: ........................................................... 55 4.3 Tối ưu số lượng người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức: ........................ 58 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢM BIẾN PHỔ TẦN NHANH ..................................................................................... 61 5.1 Kết quả tính toán theo phương pháp tối ưu qui tắc bầu chọn: ......................... 61 5.2 Kết quả tính toán theo phương pháp tối ưu ngưỡng phát hiện năng lượng:..... 64 5.3 Kết quả tính toán theo phương pháp tối ưu số lượng người dùng của mạng vô tuyến nhận thức: ...................................................................................................... 64 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………… HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG 68 Trang ix Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Các tần số vô tuyến đang được dùng ở Mỹ ................................................. 1 Hình 2.1 : Các loại fading tầm hẹp............................................................................. 6 Hình 2.2: Hiện tượng truyền sóng đa đường .............................................................. 7 Hình 2.3: Hiệu ứng Doppler ...................................................................................... 8 Hình 2.4a: Kênh truyền chọn lọc tần số (f0 W)............................................. 9 Hình 2.5: Tín hiệu cộng với nhiễu AWGN .............................................................. 11 Hình 2.6: Hàm mật độ xác suất Rayleigh ................................................................. 11 Hình 2.7 : Hàm mật độ xác suất của phân bố Rician. ............................................... 13 Hình 2.8: Khái niệm phổ tần trống hình thành nên ý tưởng về vô tuyến nhận thức .. 15 Hình 2.9: Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức .......................................................... 17 Hình 2.10: Sự tương nhượng giữa thời gian cảm biến phổ tần và tốc độ người dùng 21 Hình 2.11: Các kỹ thuật cảm biến phổ tần phổ biến ................................................. 23 Hình 2.12: Sơ đồ khối của phương pháp Energy Detector........................................ 23 Hình 2.13: Lưu đồ của kỹ thuật ED. ........................................................................ 27 Hình 2.14: Mô hình của bộ lọc phù hợp ................................................................... 28 Hình 2.15: Lưu đồ của kỹ thuật MF ......................................................................... 32 Hình 2.16: Kỹ thuật Cyclostationary Feature Detection ........................................... 33 Hình 2.17: Lưu đồ của kỹ thuật CFD. ...................................................................... 34 Hình 2.18: Xác suất phát hiện của ba kỹ thuật trong kênh truyền AWGN. ............... 35 Hình 2.19: Xác suất cảnh báo sai của ba kỹ thuật trong kênh truyền Rayleigh. ........ 35 Hình 2.20: a/ Phân bổ tài nguyên vô tuyến cố định .................................................. 36 HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang x Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG Hình 2.20: b/ Phân bồ tài nguyên vô tuyến động ..................................................... 36 Hình 3.1: Cảm biến phổ tần hợp tác ......................................................................... 39 Hình 3.2: Cải thiện độ nhạy bằng cảm biến hợp tác ................................................. 40 Hình 3.3: Phân loại cảm biến phổ tần hợp tác .......................................................... 41 Hình 3.4: Mô hình cảm biến hợp tác tập trung ở lớp vật lý. ..................................... 43 Hình 3.5: Qui tắc quyết định cứng và quyết định mềm. ........................................... 44 Hình 3.6a: Xác suất phát hiện của các qui tắc quyết định cứng (OR, AND và đa số) trong kênh truyền AWGN với SNR = 10dB, có 10 người dùng, time-bandwidth product TW=5 ........................................................................................................ 46 Hình 3.6b: Xác suất phát hiện của qui tắc quyết định cứng (OR, AND và đa số) trong kênh truyền Ricean với SNR =10 dB, 10 người dùng,time-bandwidth product TW=5, hệ số Rician k=5 .................................................................................................... 47 Hình 3.6c: Xác suất phát hiện của qui tắc quyết định cứng (OR, AND và đa số) trong kênh truyền Rayleigh với SNR = 10dB, 10 người dùng, time-bandwidth product TW=5. ..................................................................................................................... 47 Hình 4.1: Cấu trúc cảm biến phổ tần trong mạng vô tuyến nhận thức ..................... 50 Hình 5.1: Tổng tỷ lệ lỗi của cảm biến phổ tần hợp tác trong kênh truyền AWGN với SNR=10dB. Qui tắc bầu chọn tối ưu với n=1, 2…10 và K=10................................. 60 Hình 5.2: Giá trị tối ưu của n khi thay đổi ngưỡng phát hiện năng lượng trong kênh truyền AWGN với SNR=0, 5, 10 dB và K=16 ......................................................... 62 Hình 5.3: Tổng xác suất lỗi của hệ thống khi có 80 người dùng vô tuyến nhận thức trong kênh truyền AWGN với ngưỡng phát hiện năng lượng có giá trị 30, 35, 40 và SNR=10dB. ............................................................................................................. 63 Hình 5.4: Tổng xác suất lỗi của hệ thống khi có 80 người dùng vô tuyến nhận thức trong kênh truyền Rayleigh với SNR có giá trị 5db, 10dB,15dB, 20dB và mức ngưỡng phát hiện năng lượng λ=20 sử dụng qui tắc tối ưu bầu chọn. ....................... 65 HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang xi Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Bốn loại quyết định có thể xảy ra ...................................................... 30 Bảng 5.1: Giá trị tối ưu của n theo qui tắc bầu chọn tối ưu trong trường hợp có 10 người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức; SNR dao động từ 0 dB đến 10 dB còn λ dao động từ 10 đến 50 ............................................................................................. 61 . HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang xii Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS HỒ VĂN KHƯƠNG DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT BS BW Base Station Bandwidth Cyclostationary Feature CFD Detection CR Cognitive radio Cooperative Spectrum CSS Sensing Digital Video DVB-T Broadcasting – Terrestrial ED Energy Detection Federal Communications FCC Commission HDF Hard Decision Fusion MATLAB Matrix Laboratory MFD Matched Filter Detection MRC Maximal Ratio Combining Pd Probability Detection Pf False Detection Pm Missed Detection PU SC Primary User Selection Combining SDR SHF SLC SNR Software Defined Radio Soft Decision Fusion Square Law Combining Signal Noise Ratio SU Secondary User Universal Mobile Telecommunications System UMTS HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trạm gốc Băng thông Kỹ thuật phát hiện dựa trên đặc tính tuần hoàn của tín hiệu Mạng vô tuyến nhận thức Cảm biến phổ tần hợp tác chuẩn quốc tế DVB về phát sóng số mặt đất, dùng trong truyền hình kĩ thuật số Kỹ thuật phát hiện năng lượng Uỷ ban truyền thông liên bang Mỹ Qui tắc quyết định cứng Phần mềm mô phỏng Kỹ thuật phát hiện bằng bộ lọc phù hợp Kết hợp tỷ lệ tối đa Xác suất phát hiện Xác suất cảnh báo sai Xác suất cảnh báo thiếu Người dùng chính hay người dùng có giấy phép Kết hợp chọn lọc phần tử quan trọng trong hệ thống vô tuyến nhận thức Qui tắc quyết định mềm Kết hợp theo bình phương Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Người dùng phụ hay người dùng không có giấy phép Mạng di động 3G Trang xiii Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS. HỒ VĂN KHƯƠNG CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề: Trong thông tin vô tuyến, phổ tần là nguồn tài nguyên vô giá. Trong các dịch vụ vô tuyến, băng tần cụ thể được cấp phát cho các người dùng có giấy phép để ngăn chặn các người dùng không giấy phép truy cập và ăn cắp thông tin. Do sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ vô tuyến trong những năm gần đây nên nhu cầu về phổ tần ngày càng trở nên lớn hơn và điều này đã dẫn đến vấn đề khan hiếm phổ tần. Nhưng hiện tại các dãy phổ tần vô tuyến đang được sử dụng chưa hiệu quả. Hầu hết các nơi trên thế giới, băng tần dành cho điện thoại di động đã sử dụng gần hết trong khi băng tần dùng cho các dịch vụ khác như truyền hình, quân sự, dân sự, radar... chỉ mới được sử dụng một phần. Khảo sát của Ủy ban truyền thông liên bang Mỹ (FCC) đã kết luận rằng hiệu quả sử dụng phổ tần chưa cao [1] Hình 1.1: Các tần số vô tuyến đang được dùng ở Mỹ. HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 1 Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS. HỒ VĂN KHƯƠNG Để giảm tình trạng khan hiếm phổ tần và vấn đề xung đột, công nghệ vô tuyến nhận thức đã ra đời. Với công nghệ vô tuyến nhận thức, các thiết bị vô tuyến nhận thức được sử dụng để cảm biến, nhận diện và sử dụng phổ tần vô tuyến hiệu quả hơn nữa theo thời gian, không gian và tần số. Trong mạng vô tuyến nhận thức, cảm biến phổ tần là một chức năng quan trọng. Nhiệm vụ của cảm biến phổ tần là phát hiện nhanh và chính xác các phổ tần chưa được sử dụng mà không gây ảnh hưởng tới các người dùng có giấy phép. Một số kỹ thuật cảm biến phổ tần cổ điển như Energy Detection, Matched Filter Detection và Cyclostationary Detection …. Tuy nhiên, hiệu suất phát hiện phổ tần trong thực tế không cao do ảnh hưởng của fading đa đường, che chắn và các vấn đề của bộ thu. Cảm biến phổ tần hợp tác được xem là phương pháp hiệu quả để giảm thiểu tác động của các yếu tố kể trên và nâng cao hiệu suất phát hiện phổ tần. Với cảm biến phổ tần hợp tác, các người dùng trong mạng sẽ chia sẻ kết quả cảm biến phổ tần cho nhau để đưa ra một quyết định kết hợp chính xác hơn quyết định của một người dùng. Một trong những thử thách lớn của quá trình cảm biến phổ tần hợp tác là vấn đề người dùng có giấy phép hoạt động ngoài phạm vi của mạng vô tuyến nhận thức dẫn đến kết quả cảm biến bị sai [12]. Vấn đề này được giải quyết bằng cách tăng số lượng người dùng trong mạng và sử dụng cảm biến hợp tác tiếp sức - hỗ trợ một cách đồng thời. Khi số lượng người dùng trong mạng tăng, hiệu suất cảm biến phổ tần sẽ được cải thiện rất nhiều nhưng cũng dẫn đến thời gian xử lý để ra quyết định sẽ lâu hơn. Do đó, số lượng người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức gửi quyết định cảm biến cục bộ tới bộ thu chung bao nhiêu là tối ưu để kết quả cảm biến tổng hợp nhanh và chính xác mà không phải yêu cầu tất cả các người dùng phải gửi kết quả cảm biến. Vấn đề này sẽ được trình bày trong luận văn. Đồng thời, các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng có thể tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác để cực tiểu tỷ lệ lỗi của hệ thống bằng cách tối ưu quy tắc biểu quyết. Mỗi người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức sẽ sử dụng kỹ thuật phát hiện năng lượng để đưa ra quyết định có sự hiện diện của người dùng có giấy phép hay không HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 2 Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS. HỒ VĂN KHƯƠNG từ tín hiệu nhận được. Các quyết định này sẽ được gửi tới trung tâm tổng hợp dữ liệu sau đó sử dụng quy tắc “n-out-of-K” (với K là số người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức; n là số quyết định cục bộ có sự hiện diện của người dùng chính trong mạng và 1≤ n ≤ K) để bộ thu ra quyết định cuối cùng về sự hiện diện của người dùng có giấy phép. Luận văn sẽ trình bày cách tính toán để tìm ra giá trị n tối ưu. Ngoài ra còn một phương pháp khác là tối ưu ngưỡng phát hiện năng lượng. Vậy trong các phương pháp đã trình bày ở trên phương pháp nào sẽ mang lại hiệu quả cảm biến phổ tần tốt hơn và tỷ lệ lỗi của hệ thống nhỏ nhất? Trong luận văn này, chúng ta sẽ xem xét và đối chiếu ba phương pháp tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác đã nêu ở trên. 1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: + Kênh truyền vô tuyến + Các kỹ thuật cảm biến phổ tần + Cảm biến phổ tần hợp tác + Các phương pháp tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác để cực tiểu xác suất lỗi của hệ thống: tối ưu quy tắc biểu quyết, tối ưu ngưỡng phát hiện năng lượng và tối ưu số lượng người dùng gửi quyết định cảm biến cục bộ tới bộ thu chung. + Mô phỏng bằng phần mềm Matlab. So sánh các phương pháp tối ưu. 1.3 Mục đích nghiên cứu: Luận văn sẽ tập trung trình bày và so sánh đối chiếu các phương pháp tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác như tối ưu quy tắc biểu quyết, tối ưu ngưỡng phát hiện năng lượng và số lượng người dùng trong mạng để xác suất lỗi của hệ thống đạt cực tiểu. Đồng thời, luận văn cũng đề xuất các giải pháp để cảm biến phổ tần nhanh, chính xác trong kênh truyền AWGN và Rayleigh fading; so sánh ưu, khuyết điểm của các kỹ thuật cảm biến phổ tần. 1.4 Đóng góp của đề tài: Đóng góp chính của đề tài là so sánh đánh giá hiệu suất của ba phương pháp tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác là tối ưu ngưỡng phát hiện năng lượng, tối ưu qui tắc HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 3 Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS. HỒ VĂN KHƯƠNG biểu quyết và tối ưu số lượng người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức. Kết quả đạt được cho thấy khi áp dụng các phương pháp tối ưu này thì quá trình cảm biến phổ tần sẽ nhanh, chính xác và có xác suất lỗi hệ thống thấp. 1.5 Cấu trúc của luận văn: Luận văn được tổ chức như sau:  Chương 2 : Giới thiệu các cơ sở lý thuyết, tổng quát về mạng vô tuyến nhận thức, cảm biến phổ tần. So sánh ưu, khuyết điểm ba phương pháp cảm biến phổ tần ED, MF và CFD.  Chương 3 : Giới thiệu cụ thể về cảm biến phổ tần hợp tác và các qui tắc ra quyết định tổng hợp.  Chương 4 : Trình bày ba phương pháp tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác để cực tiểu xác suất lỗi của hệ thống.  Chương 5 : Đánh giá các kết quả thu được từ quá trình mô phỏng bằng Matlab. Đề xuất một số giải pháp cảm biến phổ tần nhanh trong kênh truyền AWGN và Rayleigh fading khi có nhiều người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức.  Chương 6 : Trình bày phần kết luận và hướng phát triển của đề tài. HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 4 Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS. HỒ VĂN KHƯƠNG CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 2.1 Các cơ sở lý thuyết: 2.1.1 Fading tầm rộng và fading tầm hẹp: Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading). Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu. Phía thu bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm của khoảng cách. Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian (timespreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng. HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 5 Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS. HỒ VĂN KHƯƠNG Hình 2.1 : Các loại fading tầm hẹp. 2.1.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền: 2.1.2.1 Hiện tượng đa đường: Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường ít khi được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ các hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation). Do hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau. Tuỳ thuộc vào pha của từng thành phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn. Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau. Hiện tương này gọi là sự phân HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 6 Tối ưu cảm biến phổ tần hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức GVHD: PGS.TS. HỒ VĂN KHƯƠNG tán đáp ứng xung (impulse dispersion). Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộ cân bằng. Hình 2.2: Hiện tượng truyền sóng đa đường. 2.1.2.2 Hiệu ứng Doppler: Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu như trình bày ở hình 2.3. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler. Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là αn, khi đó tần số Doppler của tuyến này là: v f Dn  f 0 cosα n  c (2.1) Trong đó f0, v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu αn = 0 thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là: HVTT: TRƯƠNG MINH HÙNG Trang 7