Nghiên cứu mạng truyền thông hợp tác di động băng rộng - Nguyễn Hồng Giang - Đại học Đà Nẵng 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN HỒNG GIANG NGHIÊN CỨU MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC DI ĐỘNG BĂNG RỘNG VỚI ĐIỀU KIỆN THÔNG TIN TRẠNG THÁI KÊNH TRUYỀN KHÔNG HOÀN HẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - 2017 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN HỒNG GIANG NGHIÊN CỨU MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC DI ĐỘNG BĂNG RỘNG VỚI ĐIỀU KIỆN THÔNG TIN TRẠNG THÁI KÊNH TRUYỀN KHÔNG HOÀN HẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 62.01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. NGUYỄN LÊ HÙNG PGS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO ĐÀ NẴNG - 2017 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong Luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây.

Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Đà Nẵng, ngày 20 tháng 9 năm 2017 Tác giả Nguyễn Hồng Giang Luận án tiến sĩ Kĩ thuật LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án này, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới hai thầy PGS. Nguyễn Lê Hùng và PGS.

Võ Nguyễn Quốc Bảo đã giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn khoa Công nghệ Thông tin, trường ĐHBK- ĐHĐN đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành Luận án. Tác giả cũng xin cảm ơn Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đã hỗ trợ một phần cho nghiên cứu của Luận án này. Nhân dịp này, tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới trường Đại học Thông tin Liên lạc, là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho phép tác giả có thể tham gia nghiên cứu trong những năm làm nghiên cứu sinh.

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng chí, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua các khó khăn để hoàn thành Luận án này. Đà nẵng, ngày 20 tháng 9 năm 2017 Tác giả Nguyễn Hồng Giang Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - - MỤC LỤC MỤC LỤC. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. v DANH MỤC HÌNH VẼ.

viii DANH MỤC BẢNG. xii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC. xiii MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 14 1.

Phân loại mạng không dây. Mạng cá nhân không dây WPAN. Mạng cục bộ không dây WLAN. Mạng không dây đô thị WMAN.

Mạng diện rộng không dây WWAN. Kênh truyền không dây. Ảnh hưởng của phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ. Suy hao đường truyền.

Băng thông liên kết. Hiệu ứng Doppler. Mô hình kênh truyền. 24 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật -i- 1.

Thông tin trạng thái kênh truyền. Đánh giá hiệu năng mạng. Tỉ số tín hiệu trên tạp âm. Tỉ số BER.

Tỉ số SER. Dung lượng lượng kênh. Xác suất dừng hệ thống. Các kỹ thuật phân tập và kết hợp tín hiệu.

Các kỹ thuật phân tập. Các kỹ thuật kết hợp tín hiệu tại nút đích. Mạng truyền thông hợp tác. Ý tưởng về truyền thông hợp tác.

Giải pháp đã được đề xuất. Mạng chuyển tiếp hợp tác. Kết luận chương. HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC MIMO VÀ MẠNG CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC ĐA CHẶNG 54 2.

Mạng truyền thông hợp tác MIMO. Nghiên cứu liên quan. Mô hình hệ thống. Phân tích hiệu năng hệ thống.

Kết quả mô phỏng. 61 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - ii - 2. Mạng chuyển tiếp hợp tác đa chặng. Nghiên cứu liên quan.

Mô hình hệ thống. Xác suất dừng hệ thống. Xác suất dừng của hệ thống ở miền SNR cao. Tỉ lệ lỗi bit (BER).

Kết quả mô phỏng. Kết luận chương. SỬ DỤNG KỸ THUẬT KẾT HỢP TÍN HIỆU THU NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC. So sánh kỹ thuật kết hợp tín hiệu thu MRC và SC.

Mô hình hệ thống. Xác suất dừng hệ thống. Kết quả mô phỏng. Hiệu năng mạng truyền thông hợp tác với mô hình kênh pha-đinh Nakagami-m.

Mô hình hệ thống. Khảo sát hiệu năng hệ thống. Kết quả mô phỏng. 100 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - iii - 3.

Hiệu năng hệ thống truyền thông hợp tác trong môi trường vô tuyến nhận thức có ràng buộc can nhiễu. Các nghiên cứu liên quan. Xác suất đứt chặng của mạng thứ cấp. Kết quả mô phỏng.

Kết luận chương. LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC. Lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng truyền thông hợp tác với mô hình kênh Rayleigh. Mô hình hệ thống.

Xác suất bị can nhiễu của máy thu sơ cấp gây ra bởi máy phát trong mạng thứ cấp. Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp. Xác suất dừng của hệ thống thứ cấp ở miền SNR cao. Tỷ lệ lỗi symbol (Symbol Error Rate - SER).

Dung lượng Shannon. Mô phỏng và đánh giá kết quả. Hiệu năng hệ thống truyền thông hợp tác trong môi trường pha-đinh không đồng nhất. Mô hình hệ thống.

140 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - iv - 4. Xác suất dừng hệ thống. Kết quả mô phỏng. Kết luận chương.

149 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI. 150 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Chứng minh công thức tính ζ.

Chứng minh công thức (4. Chương trình Matlab cho PDF của phân bố Rayleigh. Chương trình Matlab cho CDF của phân bố Rayleigh. Chương trình Matlab cho PDF của phân bố Rician.

Chương trình Matlab cho CDF của phân bố Rician. Chương trình Matlab cho PDF của phân bố Nakagami. Chương trình Matlab cho CDF của phân bố Nakagami. 180 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật -v- DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt 4G The fourth Generation Thế hệ thứ 4 5G The fifth Generation Thế hệ thứ 5 AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CDF Cumulative distribution Hàm phân phối tích lũy function DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp EGC Equal Gain Combining Kết hợp đồng độ lợi PDF Probability density func- Hàm mật độ xác suất tion ICI Inter-Channel Interference Nhiễu liên kênh ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu liên symbol i.

independent and identi- Độc lập và phân bố đồng cally distributed nhất LMS Least Mean-Square Bình phương trung bình nhỏ nhất Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - vi - MIMO Multiple-Input Multiple- Đa đầu vào đa đầu ra Output MMSE Minimum Mean-Square Sai số bình phương trung Error bình cực tiểu MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỉ số cực đại MSE Mean-Square Error Sai số bình phương trung bình OFDM Orthogonal Frequency Di- Ghép kênh phân chia tần vision Multiplexing số trực giao OR Opportunistic Relaying Chuyển tiếp cơ hội QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu Modulation phương QoS Quality-of-Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadrature Phase Shift Khóa dịch pha cầu phương Keying RS Relay Selection Lựa chọn nút chuyển tiếp RS-RDO Relay Selection-and-Relay Lựa chọn nút chuyển tiếp Destination Optimization với tối ưu các nút chuyển tiếp và đích SDM Spatial Division Multi- Ghép kênh phân chia plexing không gian SINR Signal-to-Interference plus Tỉ số tín hiệu trên nhiễu Noise Ratio cộng tạp âm SISO Single Input Single Output Đơn đầu vào đơn đầu ra Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - vii - SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm STBC Space-Time Block Coding Mã hóa khối không gian- thời gian STC Space-Time Code Mã không gian-thời gian Wi-Fi Wireless Fidelity Chuẩn mạng cục bộ không dây WiMAX Worldwide Interoperabil- Tương thích toàn cầu qua ity via Microwave Access truy nhập vi ba Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - viii - DANH MỤC HÌNH VẼ 1 Mẫu sử dụng phổ tần ở Mỹ .1 Mô hình một kênh truyền vô tuyến đa đường .2 Hàm PDF và CDF của phân bố Rayleigh .3 Hàm PDF và CDF của phân bố Rician .4 Hàm PDF và CDF của phân bố Nakagami-m .5 Mô hình kênh truyền .6 Mô hình hệ thống MIMO .7 So sánh độ lợi phân tập của các phương pháp kết hợp .8 Tổng quan về mạng truyền thông không dây .9 Giao tiếp của các thiết bị di động .10 Đo số các thiết bị lân cận trong vùng .11 Các thực thể có sẵn trên một thiết bị không dây .12 Cách xử lý trang web .13 Mô hình cơ bản của hệ thống truyền thông hợp tác.14 Xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp .15 Mô hình lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng truyền thông hợp tác.1 Mô hình một hệ thống.2 Xác suất dừng của mạng thứ cấp với giới hạn công suất can nhiễu cho phép Q và số lượng ăng-ten khác nhau, η = 0. 61 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật - ix - 2.3 Sự đánh đổi giữa xác suất dừng của mạng thứ cấp và xác suất bị can nhiễu tai mạng sơ cấp khi Q=5 dB và ρ = 0.4 Mô hình một hệ thống chuyển tiếp đa chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức.5 Xác suất dừng của hệ thống theo Q.6 Xác xuất dừng hệ thống thay đổi theo số lượng máy thu sơ cấp.7 Ảnh hưởng của số chặng K tới xác suất dừng của hệ thống.8 BER của hệ thống sơ cấp.1 Mô hình một hệ thống.2 Xác suất dừng hệ thống thứ cấp với những giá trị khác nhau của Q, N , L và M = 3, P = 5 dB.3 Xác suất dừng hệ thống thứ cấp với những giá trị khác nhau của Q, M và N = L = 4, P = 5 dB, η = 0.4 Xác suất dừng hệ thống thứ cấp theo Q, η với N = L = 4, M = 3 .5 Mô hình hệ thống .6 Xác suất máy thu sơ cấp bị can nhiễu bởi máy phát thứ cấp .7 Xác suất dừng hệ thống thứ cấp với các giá trị khác nhau của Q, m1 = m2 = 1, γth = 8 and η = 0.8 Dung lượng Ergodic mạng thứ cấp, γth = 3 and η = 0.9 Tỉ lệ lỗi symbol mạng thứ cấp với η = 0.10 Mô hình hệ thống. 104 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật -x- 3.11 Xác suất đứt chặng của mạng thứ cấp với các giá trị Q và η khác nhau .