Xem mẫu
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
Chuyên ngành : Khoa học máy tính
Mã số : 62.48.01.01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng, Năm 2018
Công trình được hoàn thành tại:
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN LÊ HÙNG
PGS.TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO
Phản biện 1. PGS. TS. NGUYỄN TUẤN ĐỨC
Phản biện 2: PGS. TS. HOÀNG MẠNH THẮNG
Phản biện 3: PGS. TS. NGUYỄN VĂN CƯỜNG
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Đà Nẵng họp tại:
Đại học Đà Nẵng
Vào hồi 14 giờ 00 ngày 4 tháng 11 năm 2017
* Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng
1
MỞ ĐẦU
1. Bối cảnh nghiên cứu
Ngày nay, công nghệ truyền thông không dây đã trở thành một phần
thiết yếu của cuộc sống hàng ngày ở hầu hết các quốc gia trên thế giới.
Các hệ thống truyền thông không dây phát triển rất nhanh nhằm đáp ứng
những yêu cầu, đòi hỏi ngày càng cao và khắt khe hơn của người dụng
như: sử dụng hiệu quả năng lượng và phổ tần; mở rộng phạm vi vùng
phủ; gia tăng tốc độ truyền dẫn; cải thiện phẩm chất tín hiệu; nâng cao
độ tin cậy và vững chắc các đường liên kết; giảm chi phí giá thành trong
thiết kế và triển khai mạng.
Tuy nhiên, tài nguyên phổ tần số vô tuyến ngày càng trở lên khan
hiếm và đã được phân bổ, cấp phép cho các dịch vụ khác nhau, việc chia
sẻ các dải phổ này là không được phép [1]1. Vô tuyến nhận thức
(Cognitive radio) cần sử dụng một chính sách phổ cởi mở hơn [5, 6].
Mạng vô tuyến nhận thức cho phép một người dùng không được cấp
phép sử dụng tần số, người dùng thứ cấp Secondary User (SU) có thể
truy nhập một hố phổ trống của một người dùng có phép sử dụng tần số,
người dùng sơ cấp Primary User (PU). Nhờ vào đó, hiệu suất sử dụng
phổ có thể được cải thiện đáng kể trong khi giảm được khoảng phổ
trắng [3-13].
Mặt khác, chất lượng của các hệ thống truyền thông không dây lại
phụ thuộc bởi môi trường kênh truyền. Trong đó, hiện tượng pha-đinh,
đặc biệt là hiện tượng pha-đinh đa đường gây ảnh hưởng nghiêm trọng
đến chất lượng hệ thống. Để khắc phục những vấn đề này, kỹ thuật phân
tập không gian truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input
Multiple-Output) đã được chứng minh là giải pháp mạnh mẽ, đầy tiềm
năng [12], [ 21-28]. Với ưu điểm đó, MIMO được chọn lựa làm nền
1
Số trích dẫn tài liệu tham khảo là số thứ tự trong Mục Tài liệu tham khảo của luận án.
2
tảng cho nhiều chuẩn vô tuyến như Wireless Local Area Network
(WLAN) IEEE 802.11, WiMAX IEEE 802.16, các chuẩn thông tin di
động 3G, 4G như 3GPP LTE (Long Term Evolution)/LTE Advanced,
3GPP2 UMB (Ultra Mobile Broadband). Chuẩn WLAN 802.11n đã
được phê chuẩn và thương mại hóa [30].
Bên cạnh đó, phương thức truyền dẫn truyền thông hợp tác 2 [18,
32- 38], đang là giải pháp khả thi cho các bài toán mở rộng vùng phủ,
nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cũng như tính bền vững của hệ
thống. Gần đây, sự kết hợp giữa kỹ thuật chuyển tiếp hợp tác và vô
tuyến nhận thức cho phép tạo nên các hệ thống truyền thông hợp tác
khác nhau và đây cũng đang là một xu thế nghiên cứu của các nhà khoa
học nhằm phát huy các lợi thế vốn có của các kỹ thuật này [9], [12],
[51-54]. Với những đặc tính ưu việt đã nêu, các hệ thống truyền thông
hợp tác đang là một trong những chủ đề "nóng", thu hút được sự quan
tâm của cộng đồng nghiên cứu trong và ngoài nước từ nhiều khía cạnh
khác nhau nhằm cải tiến cho hệ thống truyền thông hợp tác, chẳng hạn
như: kết hợp với mã không gian thời gian [55-58]; kết hợp với mã hóa
[59- 61]; lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất [9, 20, 62, 63]; mở rộng cho
nhiều nút dạng lặp lại, đa chặng [38, 64-66]; mở rộng cho kiểu điều chế
vi sai [27, 54]; đơn giản hóa phần cứng bằng cách sử dụng các bộ kết
hợp có độ phức tạp thấp [18, 19]; phân tích chất lượng hệ thống trong
các kênh truyền khác như Rice, Nakagami-m [17, 26, 67].
Qua việc khảo cứu ở trên, Nghiên cứu sinh nhận thấy: các nhóm
nghiên cứu về truyền thông hợp tác trong nước và thế giới đại đa số đều
giả định rằng thông tin trạng thái kênh truyền Channel State Information
(CSI) là hoàn hảo ở phía máy thu (máy đích) với mục đích dễ dàng cho
việc nghiên cứu và phân tích. Tuy nhiên trong thực tế, thông tin kênh
truyền mà máy đích có được (qua quá trình huấn luyện) thường có một
2
Trong luận án này, hệ thống truyền thông hợp tác là hệ thống có đường liên kết trực tiếp nguồn-đích.
3
độ trễ và độ sai khác nhất định với thông tin kênh truyền thực tế. Độ trễ
và độ sai khác này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hệ thống, hay nói
cụ thể hơn, ảnh hưởng đến kỹ thuật chuyển tiếp, kỹ thuật lựa chọn nút
chuyển tiếp và kỹ thuật kết hợp tại nút đích.
Do mô hình toán phức tạp, nên cho đến nay chỉ có một số rất ít
nghiên cứu tập trung nghiên cứu về hướng này, ví dụ như: [10, 73-77].
Tuy nhiên, đặc điểm chung của các nghiên cứu chỉ ra ở trên là chỉ giới
hạn ở mô hình kênh đơn giản và chưa đi sâu và chỉ khảo sát đơn lẽ ảnh
hưởng của độ trễ hoặc của độ sai lệch của thông tin kênh truyền và chưa
cung cấp một nhìn tổng quan cũng như phương pháp phân tích tổng quát
cho vấn đề này. Bên cạnh đó, chất lượng hệ thống và các thông số quyết
định chất lượng mạng vẫn là một câu hỏi chưa có câu trả lời. Xuất phát
từ tính chất thời sự và khả năng ứng dụng rộng rãi mạng truyền thông
hợp tác cùng với các vấn đề nghiên cứu mở đã chỉ ra ở trên, nghiên cứu
sinh quyết định lựa chọn và thực hiện đề tài "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 định hướng giải quyết bài toán truyền thông hợp tác trong
môi trường vô tuyến nhận thức với điều kiện kênh truyền đường can
nhiễu không hoàn hảo nhằm nâng cao hiệu năng của mạng thứ cấp trong
khi vẫn đảm bảo mức can nhiễu cho mạng sơ cấp bằng cách sử dụng các
kỹ thuật tiên tiến ở lớp vật lý, cũng như đề xuất các phương pháp tối ưu
hệ thống.
2. Đóng góp của luận án
Một số đóng góp chính của luận án có thể được tóm tắt như sau.
1. Đề xuất mô hình và phân tích chất lượng hệ thống hợp tác MIMO
trong môi trường vô tuyến nhận thức. Mô hình gồm một máy thu
sơ cấp PU-Rx đơn ăng-ten. Mạng thứ cấp gồm một nút Nguồn,
một nút Chuyển tiếp, và một nút Đích. Tất cả máy thu và máy
nguon tai.lieu . vn
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
Chuyên ngành : Khoa học máy tính
Mã số : 62.48.01.01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng, Năm 2018
Công trình được hoàn thành tại:
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN LÊ HÙNG
PGS.TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO
Phản biện 1. PGS. TS. NGUYỄN TUẤN ĐỨC
Phản biện 2: PGS. TS. HOÀNG MẠNH THẮNG
Phản biện 3: PGS. TS. NGUYỄN VĂN CƯỜNG
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Đại học Đà Nẵng họp tại:
Đại học Đà Nẵng
Vào hồi 14 giờ 00 ngày 4 tháng 11 năm 2017
* Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- Trung tâm Thông tin – Học liệu, Đại học Đà Nẵng
1
MỞ ĐẦU
1. Bối cảnh nghiên cứu
Ngày nay, công nghệ truyền thông không dây đã trở thành một phần
thiết yếu của cuộc sống hàng ngày ở hầu hết các quốc gia trên thế giới.
Các hệ thống truyền thông không dây phát triển rất nhanh nhằm đáp ứng
những yêu cầu, đòi hỏi ngày càng cao và khắt khe hơn của người dụng
như: sử dụng hiệu quả năng lượng và phổ tần; mở rộng phạm vi vùng
phủ; gia tăng tốc độ truyền dẫn; cải thiện phẩm chất tín hiệu; nâng cao
độ tin cậy và vững chắc các đường liên kết; giảm chi phí giá thành trong
thiết kế và triển khai mạng.
Tuy nhiên, tài nguyên phổ tần số vô tuyến ngày càng trở lên khan
hiếm và đã được phân bổ, cấp phép cho các dịch vụ khác nhau, việc chia
sẻ các dải phổ này là không được phép [1]1. Vô tuyến nhận thức
(Cognitive radio) cần sử dụng một chính sách phổ cởi mở hơn [5, 6].
Mạng vô tuyến nhận thức cho phép một người dùng không được cấp
phép sử dụng tần số, người dùng thứ cấp Secondary User (SU) có thể
truy nhập một hố phổ trống của một người dùng có phép sử dụng tần số,
người dùng sơ cấp Primary User (PU). Nhờ vào đó, hiệu suất sử dụng
phổ có thể được cải thiện đáng kể trong khi giảm được khoảng phổ
trắng [3-13].
Mặt khác, chất lượng của các hệ thống truyền thông không dây lại
phụ thuộc bởi môi trường kênh truyền. Trong đó, hiện tượng pha-đinh,
đặc biệt là hiện tượng pha-đinh đa đường gây ảnh hưởng nghiêm trọng
đến chất lượng hệ thống. Để khắc phục những vấn đề này, kỹ thuật phân
tập không gian truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input
Multiple-Output) đã được chứng minh là giải pháp mạnh mẽ, đầy tiềm
năng [12], [ 21-28]. Với ưu điểm đó, MIMO được chọn lựa làm nền
1
Số trích dẫn tài liệu tham khảo là số thứ tự trong Mục Tài liệu tham khảo của luận án.
2
tảng cho nhiều chuẩn vô tuyến như Wireless Local Area Network
(WLAN) IEEE 802.11, WiMAX IEEE 802.16, các chuẩn thông tin di
động 3G, 4G như 3GPP LTE (Long Term Evolution)/LTE Advanced,
3GPP2 UMB (Ultra Mobile Broadband). Chuẩn WLAN 802.11n đã
được phê chuẩn và thương mại hóa [30].
Bên cạnh đó, phương thức truyền dẫn truyền thông hợp tác 2 [18,
32- 38], đang là giải pháp khả thi cho các bài toán mở rộng vùng phủ,
nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng cũng như tính bền vững của hệ
thống. Gần đây, sự kết hợp giữa kỹ thuật chuyển tiếp hợp tác và vô
tuyến nhận thức cho phép tạo nên các hệ thống truyền thông hợp tác
khác nhau và đây cũng đang là một xu thế nghiên cứu của các nhà khoa
học nhằm phát huy các lợi thế vốn có của các kỹ thuật này [9], [12],
[51-54]. Với những đặc tính ưu việt đã nêu, các hệ thống truyền thông
hợp tác đang là một trong những chủ đề "nóng", thu hút được sự quan
tâm của cộng đồng nghiên cứu trong và ngoài nước từ nhiều khía cạnh
khác nhau nhằm cải tiến cho hệ thống truyền thông hợp tác, chẳng hạn
như: kết hợp với mã không gian thời gian [55-58]; kết hợp với mã hóa
[59- 61]; lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất [9, 20, 62, 63]; mở rộng cho
nhiều nút dạng lặp lại, đa chặng [38, 64-66]; mở rộng cho kiểu điều chế
vi sai [27, 54]; đơn giản hóa phần cứng bằng cách sử dụng các bộ kết
hợp có độ phức tạp thấp [18, 19]; phân tích chất lượng hệ thống trong
các kênh truyền khác như Rice, Nakagami-m [17, 26, 67].
Qua việc khảo cứu ở trên, Nghiên cứu sinh nhận thấy: các nhóm
nghiên cứu về truyền thông hợp tác trong nước và thế giới đại đa số đều
giả định rằng thông tin trạng thái kênh truyền Channel State Information
(CSI) là hoàn hảo ở phía máy thu (máy đích) với mục đích dễ dàng cho
việc nghiên cứu và phân tích. Tuy nhiên trong thực tế, thông tin kênh
truyền mà máy đích có được (qua quá trình huấn luyện) thường có một
2
Trong luận án này, hệ thống truyền thông hợp tác là hệ thống có đường liên kết trực tiếp nguồn-đích.
3
độ trễ và độ sai khác nhất định với thông tin kênh truyền thực tế. Độ trễ
và độ sai khác này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hệ thống, hay nói
cụ thể hơn, ảnh hưởng đến kỹ thuật chuyển tiếp, kỹ thuật lựa chọn nút
chuyển tiếp và kỹ thuật kết hợp tại nút đích.
Do mô hình toán phức tạp, nên cho đến nay chỉ có một số rất ít
nghiên cứu tập trung nghiên cứu về hướng này, ví dụ như: [10, 73-77].
Tuy nhiên, đặc điểm chung của các nghiên cứu chỉ ra ở trên là chỉ giới
hạn ở mô hình kênh đơn giản và chưa đi sâu và chỉ khảo sát đơn lẽ ảnh
hưởng của độ trễ hoặc của độ sai lệch của thông tin kênh truyền và chưa
cung cấp một nhìn tổng quan cũng như phương pháp phân tích tổng quát
cho vấn đề này. Bên cạnh đó, chất lượng hệ thống và các thông số quyết
định chất lượng mạng vẫn là một câu hỏi chưa có câu trả lời. Xuất phát
từ tính chất thời sự và khả năng ứng dụng rộng rãi mạng truyền thông
hợp tác cùng với các vấn đề nghiên cứu mở đã chỉ ra ở trên, nghiên cứu
sinh quyết định lựa chọn và thực hiện đề tài "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 định hướng giải quyết bài toán truyền thông hợp tác trong
môi trường vô tuyến nhận thức với điều kiện kênh truyền đường can
nhiễu không hoàn hảo nhằm nâng cao hiệu năng của mạng thứ cấp trong
khi vẫn đảm bảo mức can nhiễu cho mạng sơ cấp bằng cách sử dụng các
kỹ thuật tiên tiến ở lớp vật lý, cũng như đề xuất các phương pháp tối ưu
hệ thống.
2. Đóng góp của luận án
Một số đóng góp chính của luận án có thể được tóm tắt như sau.
1. Đề xuất mô hình và phân tích chất lượng hệ thống hợp tác MIMO
trong môi trường vô tuyến nhận thức. Mô hình gồm một máy thu
sơ cấp PU-Rx đơn ăng-ten. Mạng thứ cấp gồm một nút Nguồn,
một nút Chuyển tiếp, và một nút Đích. Tất cả máy thu và máy