Đề án tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng

Chia sẻ: Cảnh Phương Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:59

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề án "Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng" nhằm tìm hiểu truyền dữ liệu trong mạng thứ cấp bao gồm: Mô hình kênh truyền và mô hình khoảng cách, mô hình truyền sử dụng Noma, các phương pháp chọn lựa người dùng, CDF của các độ lợi kênh và xác suất dừng của mạng thứ cấp. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề án tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và chọn lựa người dùng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- TRẦN VĂN PHÚ NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ĐƯỜNG XUỐNG NGẪU NHIÊN SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHI TRỰC GIAO VÀ CHỌN LỰA NGƯỜI DÙNG ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- TRẦN VĂN PHÚ NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC ĐƯỜNG XUỐNG NGẪU NHIÊN SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHI TRỰC GIAO VÀ CHỌN LỰA NGƯỜI DÙNG CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 8.52.02.08 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TỪ LÂM THANH THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong đề án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2023 Học viên thực hiện đề án Trần Văn Phú
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Từ Lâm Thanh, Thầy đã định hướng, hỗ trợ và chỉ bảo cho tôi hoàn thành quyển đề án này. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban lãnh đạo Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn thông, Ban chủ nhiệm Khoa viễn thông 2 đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia khóa học này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy thuộc các khoa Cơ Bản 2, Công Nghệ Thông Tin 2, Điện tử 2, Viễn thông 2 đã truyền dạy những kiến thức và truyền tải những kinh nghiệm quý báu cho tôi. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô thuộc Phòng Đào tạo và Khoa học Công nghệ và Khoa Đào tạo Sau đại học đã hết lòng hỗ trợ cho khóa học của chúng tôi được tiến hành suôn sẻ, trọn vẹn. Nhân dịp này, em cũng xin cám ơn Quỹ Nafosted đã hỗ trợ trong suốt thời gian em thực hiện Đề án, thông qua Đề tài “Nâng cao độ tin cậy truyền tin và bảo mật thông tin cho các mạng vô tuyến quảng bá sử dụng mã Fountain“ với mã số 102.04- 2021.57. Trong quyển đề án này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và quý bạn đọc để đề án này được hoàn thiện hơn. TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2023 Học viên thực hiện đề án Trần Văn Phú
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 mạng vô tuyến ...................................................................................... 3 1.1.1. Lịch sử phát triển ................................................................................................. 3 1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm....................................................................................... 5 1.2.3. Ứng dụng ............................................................................................................. 6 1.2. Kênh truyền vô tuyến .................................................................................................. 9 1.2.1. Mô hình truyền tín hiệu ..................................................................................... 11 1.2.2. Hiệu năng mạng vô tuyến .................................................................................. 12 1.2.3. Mô phỏng Monte Carlo...................................................................................... 13 1.3. Mạng vô tuyến ngẫu nhiên và chọn lựa người dùng................................................. 14 1.4. Đa truy nhập phi trực giao (NOMA) ........................................................................ 15 1.5. Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) ..................................................................... 20 1.6. Kết luận chương 1 ..................................................................................................... 23 1.6.1. Lý do chọn đề án ................................................................................................ 23 1.6.2. Các nghiên cứu liên quan ................................................................................... 24 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ HIỆU NĂNG XÁC SUẤT DỪNG ....... 25 2.1. Mô hình nghiên cứu .................................................................................................. 25 2.2. Xác suất dừng của mạng sơ cấp ................................................................................ 26 2.3. Tìm công suất phát của SS ........................................................................................ 28 2.4. Truyền dữ liệu trong mạng thứ cấp........................................................................... 29 2.4.1. Mô hình kênh truyền và mô hình khoảng cách .................................................. 29 2.4.2. Mô hình truyền sử dụng NOMA ........................................................................ 31 2.4.3. Các phương pháp chọn lựa người dùng ............................................................. 32 2.4.4. CDF của các độ lợi kênh .................................................................................... 34 2.4.5. Xác suất dừng mạng thứ cấp .............................................................................. 37
iv CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH .............................................. 41 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 48 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 49
v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết Tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit Cumulative Distribution CDF Hàm phân phối tích lũy Function Đa truy nhập phân chia theo CDMA Code Division Multiple Access mã EC Ergodic Capacity Dung lượng kênh trung bình Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo FDMA Access tần số Institute of Electrical and IEEE Viện kỹ thuật điện và điện tử Electronics Engineers Non-Orthogonal Multiple NOMA Đa truy nhập phi trực giao Access OP Outage Probability Xác suất dừng PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PT Primary Transmitter Thiết bị phát sơ cấp PR Primary Receiver Thiết bị thu sơ cấp Successive Interference SIC Khử giao thoa tuần tự Cancellation Signal to Interference plus Noise Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu giao SINR Ratio thoa và nhiễu nền Vô tuyến được định nghĩa SDR Software Defined Radio bằng phần mềm ST Secondary Transmitter Thiết bị phát thứ cấp SR Secondary Receiver Thiết bị thu thứ cấp SS Secondary Station Trạm thứ cấp SU Secondary User Người dùng thứ cấp Đa truy nhập phân chia theo TDMA Time Division Multiple Access thời gian
vi DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ kết nối mạng 5G .......................................................................................... 6 Hình 1.2: Kết nối các thiết bị trong mạng WLAN................................................................. 7 Hình 1.3: Kiến trúc mạng cảm biến không dây ..................................................................... 8 Hình 1.4: Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh......................................................................................... 9 Hình 1.5: Hiện tượng fading đa đường .................................................................................. 9 Hình 1.6: Chất lượng tín hiệu biến thiên theo thời gian do hiện tượng fading kênh truyền. ............................................................................................................................................. 10 Hình 1.7: Sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh. ...................................................... 11 Hình 1.8: Mô hình mạng ngẫu nhiên. .................................................................................. 15 Hình 1.9: Kỹ thuật FDMA. .................................................................................................. 16 Hình 1.10: Kỹ thuật TDMA. ................................................................................................ 16 Hình 1.11: Kỹ thuật CDMA. ............................................................................................... 16 Hình 1.12: Kỹ thuật NOMA. ............................................................................................... 17 Hình 1.13: Mô hình NOMA đường xuống (downlink) với 02 người dùng. ........................ 19 Hình 1.14: Các mô hình trong vô tuyến nhận thức. ............................................................. 22 Hình 1.15: Mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền. ............................................................. 22 Hình 2.1: Mô hình nghiên cứu. ............................................................................................ 25 Hình 3.1: Môi trường mô phỏng. ......................................................................................... 41 Hình 3.2: Xác suất dừng của mạng sơ cấp vẽ theo PPT (dB). ............................................. 42 Hình 3.3: Công suất phát của SS vẽ theo PPT (dB). ............................................................ 43 Hình 3.4: Xác suất dừng vẽ theo PPT (dB) với  OP  0.05 , U =1, V=3, P=1, Q=3, a2  0.8 , K  5 .................................................................................................................. 44 Hình 3.5: Xác suất dừng vẽ theo PPT (dB) với  OP  0.05 , U =3, V=5, P=1, Q=2, a2  0.85 , K  6 . .............................................................................................................. 45 Hình 3.6: Xác suất dừng vẽ theo a 2 với PPT = 10 (dB),  OP  0.05 , U =1, V=2, P=1, Q=2, K  5 . ................................................................................................................................. 46 Hình 3.7: Xác suất dừng vẽ theo K với PPT = 8 (dB),  OP  0.05 , U =1, V=2, P=1, Q=2, 2  0.85 . ........................................................................................................................... 47
1 MỞ ĐẦU Trong thông tin vô tuyến (Wireless Communications), không gian tự do được sử dụng làm môi trường truyền dẫn, và thông tin được truyền đi từ máy phát đến máy thu bằng sóng điện từ. Truyền thông vô tuyến với tính năng linh hoạt và di động, giúp cho các kỹ thuật này nhận được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu. Trong vài thập kỷ gần đây, tốc độ phát triển của thông tin vô tuyến đã tăng trưởng nhanh chóng, đặc biệt là nhu cầu về truyền thông di động băng rộng. Có thể nói các ứng dụng thông tin vô tuyến ngày càng thiết yếu và gần như không thể thiếu trong các hoạt động thường nhật của con người. Do phổ tần vô tuyến là hữu hạn, muốn tăng dung lượng, cần phải nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số. Vì vậy việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ kỹ thuật tiên tiến là cần thiết. Một trong những kỹ thuật có thể giúp cải thiện, làm hạn chế vấn đề khan hiếm phổ như ngày nay đó là dùng công nghệ vô tuyến nhận thức. 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. Để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần tất cả các công nghệ truyền thông vô tuyến hiện tại đều sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập trực giao. Đó là FDMA, TDMA và CDMA. Khi số lượng người dùng/thiết bị tăng lên, công nghệ đa truy nhập phi trực giao NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) đã được giới thiệu để đảm bảo tốc độ và hiệu quả phổ tần. Do đó, Bên cạnh vô tuyến nhận thức, NOMA là một công cụ quan trọng để nâng cao tốc độ truyền dẫn và thông lượng mạng. Tuy nhiên bởi vì sự giới hạn công suất phát của các thiết bị thứ cấp trong mạng vô tuyến nhận thức, việc áp dụng các kỹ thuật chọn lựa người dùng sẽ nâng cao độ tin cậy của việc truyền dữ liệu dưới sự tác động của fading kênh truyền. Cuối cùng, trong các mạng truyền thông vô tuyến thực tế như mạng thông tin di động, mạng mobile adhoc, các mạng cảm biến, v.v. các thiết bị có vị trí xuất hiện không xác định.
2 Do đó, việc đánh giá hiệu năng của mạng theo khoảng cách ngẫu nhiên sẽ đạt được những kết quả phù hợp với hiệu năng thực tế của các mô hình này hơn. Đề án này tập trung vào việc đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và lựa chọn người dùng. Học viên sử dụng mô hình lý thuyết và mô phỏng bằng Matlab để đánh giá hiệu năng của mạng. Đề án gồm 3 chương với nội dung tóm tắt như sau: CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN Chương này giới thiệu tổng quan về các vấn đề nghiên cứu trong đề án như: Khái niệm mạng vô tuyến ngẫu nhiên và chọn lựa người dùng, giới thiệu mạng đa truy nhập phi trực giao, giới thiệu mạng vô tuyến nhận thức. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ HIỆU NĂNG XÁC SUẤT DỪNG Chương này trình bày mô hình nghiên cứu, xác suất dừng của mạng sơ cấp, công suất phát của trạm phát thứ cấp. Đồng thời là tìm hiểu truyền dữ liệu trong mạng thứ cấp bao gồm: Mô hình kênh truyền và mô hình khoảng cách, mô hình truyền sử dụng Noma, các phương pháp chọn lựa người dùng, CDF của các độ lợi kênh và xác suất dừng của mạng thứ cấp. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH Sử dụng mô phỏng Monte Carlo và mô phỏng kết quả lý thuyết trên phần mềm Matlab để kiểm chứng tính chính xác của các biểu thức toán học đưa ra bao gồm: Xác suất dừng của hệ thống sơ cấp, xác suất dừng tại SU v trong mô hình CSI, xác suất dừng tại SU u trong mô hình CSI, xác suất dừng tại người dùng thứ cấp SU q trong mô hình DIS, và xác suất dừng tại người dùng thứ cấp SU p trong mô hình DIS.
3 CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về mạng vô tuyến 1.1.1. Lịch sử phát triển Truyền thông vô tuyến đã được nghiên cứu và phát triển hết sức mạnh mẽ trong những năm gần đây, nó đã đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tốc độ cũng như nhiều ứng dụng thời gian thực: game online, phẩu thuật từ xa, xe tự hành, giao hàng bằng robot… Khác với mạng hữu tuyến sử dụng các đường truyền cáp đồng hoặc cáp quang để kết nối các điểm cố định với nhau, mạng vô tuyến sử dụng bức xạ sóng điện từ ở anten phía phát và được truyền trong không gian tự do đến phía thu. Đầu thu sẽ thực hiện thu, giải mã và khôi phục tín hiệu mong muốn. Một số cột mốc phát triển của mạng truyền thông vô tuyến:  Năm 1838: Samuel Morse đã phát minh ra tín hiệu vô tuyến điện, báo hiệu một bước tiến mới của kỷ nguyên truyền thông.  Năm 1864: J.C Maxwell đã xây dựng và đưa ra lý thuyết trường điện từ, chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ và có thể truyền trong không gian tự do.  Năm 1901: Marconi đã thực nghiệm thành công việc truyền sóng radio xuyên qua Đại Tây Dương, đã đánh dấu sự phát triển vượt bậc khi có thể truyền sóng qua cự ly dài.  Năm 1915: Hê thống truyền tín hiệu thoại không dây được thiết lập để truyền thoại giữa San Francisco và New York. Sau 30 năm, các dịch vụ điện thoại di động công cộng đã được giới thiệu ở 25 thành phố của Mỹ.  Năm 1947: Mạng điện thoại tế bào đã được phát triển bởi phòng thí nghiệm Bell. Trong mạng này, người dùng có thể liên lạc trong khi di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác.  Năm 1963: Hội kỹ sư điện và điện tử (IEEE) được thành lập. IEEE đã phát triển tiêu chuẩn 802 cho LAN và được phổ biến mọi nơi.
4  Năm 1971: Hệ thống mạng dữ liệu gói không dây (packet radio), tên ALOHANET ra đời tại trường đại học Hawaii, cho phép kết nối các máy tính ở các cơ sở của trường trên bốn đảo về trung tâm tại Oahu thông qua truyền thông vô tuyến. Tuy nhiên, tốc độ còn thấp (vào khoảng 20 Kb/s) và hiệu suất không thực sự hiệu quả.  Năm 1985: FCC phát triển LAN không dây dựa vào tiêu chuẩn IEEE 802.11 đã cho hiệu suất tốt hơn, mặc dù tốc độ dữ liệu đã tăng lên (vài chục Mb/s) nhưng vùng phủ sóng nhỏ (vào khoảng 150 m).  Vào những năm 1990: Hệ thống di động thế hệ thứ 2 (2G) ra đời. Việc chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số đã giúp tốc độ và hiệu suất được cải thiện. Mạng 2G đã phục vụ tốt các dịch vụ như: thoại, nhắn tin ngắn.  Năm 2001: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) ra đời như CDMA2000 tại Hàn Quốc, UMTS thử nghiệm ở châu Âu cho phép truyền tải dữ liệu thoại và cả những dữ liệu khác như email, hình ảnh, âm thanh, video, .... với tốc độ cao. Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 14Mbps.  Đến năm 2010: Xuất hiện mạng 4G, tiêu chuẩn LTE và hoạt động ở các dải tần 700 MHz, 850 MHz, 1.9 GHz và 2.1 GHz. Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 100 Mbps.  Tháng 10/2014: FCC ban hành một ghi chú về việc sử dụng bước sóng milimet (tần số cao trên 2.4 GHz) để sử dụng cho công nghệ thế hệ thứ 5 (5G). Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 10 Gbps.  Gần đây, một số hệ thống truyền thông không dây mới bùng nổ như mạng không dây ad-hoc (Wireless Ad-hoc), mạng cảm biến không dây (WSN: Wireless Sensor Networks), mạng IoT (Internet of Things), mạng vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio), v.v.
5 1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm Ưu điểm: Do môi trường truyền là vô tuyến nên sẽ có nhiều điểm thuận lợi hơn các hệ thống khác.  Tiện lợi: Người dùng đầu cuối thiết lập kết nối vô mạng một cách dễ dàng, nhanh chóng và bất kỳ đâu miễn là nằm trong vùng phủ sóng của trạm gốc. … Các thiết bị đầu cuối ngày càng rẻ và giá thành các gói cước di động ngày càng cạnh tranh, do đó có thể tiếp cận được nhiều khách hàng hơn.  Tính di động: Đây là ưu điểm nổi bật nhất mà các hệ thống thông tin hữu tuyến không có được. Người dùng di động luôn được kết nối vào mạng dù đang ở trong nhà, ngoài đường, đi bộ, đi xe máy, hay thậm chí duy chuyển trên cao tốc, tàu điện ngầm với tốc độ cao.  Dễ thiết kế và triển khai mở rộng: Triển khai trạm gốc vô tuyến sẽ dễ dàng và nhanh hơn nhiều so với mạng hữu tuyến. Khi số lượng người dùng tăng lên, chỉ cần phát sóng thêm trạm gốc mới, hoặc mở rộng cấu hình của trạm gốc cũ cũng dễ dàng được thực hiện. Ngoài ra chi phí triển khai của mạng không dây cũng rẻ hơn mạng có dây. Thời gian triển khai mạng không dây cũng nhanh hơn nhiều so với mạng có dây.  Bền vững: Do triển khai nhiều trạm gốc để phục vụ người dùng, khi một trạm có sự cố xảy ra, các trạm lân cận vẫn có thể đảm bảo được vùng phủ sóng. Nhược điểm:  An toàn và bảo mật: Vì môi trường truyền sóng là không gian tự do nên việc bị nghe lén là không thể tránh khỏi, do đó tính bảo mật của mạng vô tuyến là kém hơn mạng hữu tuyến. Vì vậy khi xây dựng mang vô tuyến thì vấn đề bảo mật phải hết sức được quan tâm.  Nhiễu (suy hao): Tín hiệu truyền trong không gian thường xuyên bị ảnh hưởng bởi các hiện tượng như fading, sự khúc xạ, tán xạ, bị che chắn,
6 … Làm cho tín hiệu thu được bị thăng giáng dẫn đến chất lượng tín hiệu thu được không đảm bảo.  Chất lượng dịch vụ: Do thường xuyên chịu tác động các yếu tố bên ngoài lên đường truyền như nhiễu, fading, … nên chất lượng không được ổn định, phụ thuộc vào vị trí của người dùng và trạm gốc cũng như mật độ người dùng.  Giới hạn phạm vi hoạt động: Các thiết bị chỉ hoạt động trong phạm vi phủ sóng của mạng, khi ra khỏi khu vực này sẽ không hoạt động được. 1.2.3. Ứng dụng a. Mạng thông tin di động Khi nói đến truyền thông không dây, đầu tiên phải nói đến là mạng thông tin di động. Sự ra đời của mạng thông tin di động đã cung cấp cho người dùng sự tiện lợi, đáp ứng hầu hết các nhu cầu của người dùng như: xem film, nghe nhạc, video call, học tập trực tuyến, …. Mạng di động hiện tại đã trãi qua 5 thế hệ, các phòng thí nghiệm và công ty lớn trên thế giới đang chạy đua nghiên cứu mạng thế hệ thứ 6. Nếu mạng 1G,2G đã đáp ứng tốt nhu cầu về thoại, sms. Qua các thế hệ tiếp theo, tốc độ truyền tải dữ liệu đã tăng lên nhanh chóng. Đặt biệt khi mạng 5G được triển khai đã cung cấp các dịch vụ mà gần như không có độ trễ như phẫu thuật từ xa, xe tự hành, cho phép kết nối vạn vật. Hình 1.1: Sơ đồ kết nối mạng 5G
7 Hình 1.1 mô tả sơ đồ kết nối trạm gốc và core trong mạng 5G  Next generation eNodeB (ng-eNB): Nút xuất hiện trong mạng truy cập LTE từ 3GPP Rel 15 trở lên, cung cấp các đầu cuối giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng EUTRAN đối với UE và được kết nối qua giao diện NG tới 5GC.  Next generation NodeB (gNB): Nút xuất hiện trong mạng truy cập 5G từ 3GPP Rel 15 trở lên, cung cấp các đầu cuối giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng NR (New Radio) đối với UE và được kết nối qua giao diện NG tới 5GC.  NG: Giao diện kết nối trạm gốc và AMF/UPF  Xn: Giao diện kết nối các trạm gốc.  AMF/UPF: Chịu trách nhiệm về các chức năng như xác minh danh tính UE, xác thực, đăng ký, quản lý di chuyển, và quản lý kết nối. b. Mạng Wireless LAN Mạng không dây nội bộ (Wireless Lan) là mạng sử dụng công nghệ cho phép hai hay nhiều thiết bị kết nối với nhau trong khu vực mạng nội bộ bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn (IEEE 802.11x) mà không cần những kết nối bằng dây mạng. Các thiết bị trong WLAN chủ yếu giao tiếp với nhau bằng sóng Wifi. Hiện tại chuẩn Wifi 6 có thể hỗ trợ tốc độ lên đến 10Gbps. Hình 1.2: Kết nối các thiết bị trong mạng WLAN
8 c. Mạng cảm biến không dây Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào kể cả các môi trường nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay vệ tinh. Các nút cảm biến không dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên dụng như điều khiển giám sát và an ninh, tạo ra không gian sống thông minh, kiểm tra giám sát môi trường, giám sát hoạt động sản xuất nông nghiệp, theo dõi sức khỏe y tế,... Hình 1.3: Kiến trúc mạng cảm biến không dây d. Truyền thông tin vệ tinh Đặc điểm thông tin vệ tinh  Có khả năng đa truy cập  Vùng phủ rộng, chỉ cần 3 vệ tinh có thể phủ sóng toàn cầu  Ổn định cao, băng thông lớn
9  Có thể ứng dụng cho thông tin di động  Thích hợp với dịch vụ truyền hình  Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn, đặc biệt khi liên lạc xuyên lục địa (phục vụ trong lĩnh vực hằng hải) Hình 1.4: Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh 1.2. Kênh truyền vô tuyến Hình 1.5: Hiện tượng fading đa đường Để truyền dữ liệu từ thiết bị phát đến thiết bị thu trên kênh vô tuyến, thông tin số (các bit) tại thiết bị phát cần được điều chế thành tín hiệu tương tự. Sau đó, tín hiệu tương tự này sẽ được gửi đến thiết bị thu. Tín hiệu với bản chất là sóng điện từ, tín
10 hiệu bị suy hao (path-loss), bị phản xạ (Reflection), nhiễu xạ (Diffraction) hoặc tán xạ (Scatering) khi gặp vật cản. Như mô tả trong Hình 1.5, thiết bị phát sẽ gửi các tín hiệu điều chế đến thiết bị thu. Tín hiệu sẽ đi theo nhiều đường khác nhau để đến thiết bị thu. Đường ngắn nhất chính là đường LOS (Line of Sight) giữa thiết bị phát và thiết bị thu, tiếp đến là các đường phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Tín hiệu đi theo các đường phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ sẽ đến thiết bị thu với thời gian trễ và biên độ khác nhau, do quãng đường di chuyển khác nhau và gặp các bề mặt khác nhau. Sau đó, các tín hiệu này sẽ cộng vào nhau, và điều này làm biên độ của tín hiệu thu được tại thiết bị thu sẽ thăng/giáng theo thời gian. Đây chính là hiện tượng fading kênh truyền. Hình 1.6: Chất lượng tín hiệu biến thiên theo thời gian do hiện tượng fading kênh truyền Hình 1.6 vẽ sự thăng giáng của tín hiệu nhận được theo thời gian. Ta có thể thấy rằng chất lượng tín hiệu có lúc được tăng cường, tuy nhiên cũng có lúc bị suy giảm nghiêm trọng. Bởi vì sự biến thiên biên độ tín hiệu là ngẫu nhiên nên ta không thể dự đoán trước khi nào tín hiệu tốt và khi nào tín hiệu xấu. Điều này có thể dẫn đến sự rớt mạng bất cứ lúc nào và đây là điều không mong muốn. Trong thực tế, có nhiều kênh truyền fading phổ biến như kênh fading Rayleigh, fading Nakagami, fading Rician. Đề án này sẽ nghiên cứu về kênh fading Rayleigh. Trong kênh fading Rayleigh, đường truyền LOS giữa thiết bị phát và thiết bị thu không tồn tại. Thật vậy, trong môi trường có nhiều vật cản như nhà cửa, xe cộ, tòa
11 nhà, v.v., thiết bị phát và thiết bị thu thường sẽ bị che khuất bởi các vật chắn giữa chúng nên không có đường LOS giữa thiết bị phát và thu. 1.2.1. Mô hình truyền tín hiệu hSD S D Hình 1.7: Sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh Hình 1.7 miêu tả sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh giữa nguồn S và đích D. Tín hiệu nhận được tại nút đích D là yD  PS hSD x  nD (1.1) Trong công thức (1.1), x là tín hiệu chứa dữ liệu của nút nguồn S, PS ký hiệu công suất phát của nút nguồn S, hSD là hệ số kênh fading Rayleigh giữa nút nguồn S và nút đích D, nD là nhiễu Gauss trắng (AWGN: Additive White Gaussian Noise) tại nút đích D. Nhiễu AWGN nD được biểu diễn bằng biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là  02 , với hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) là: x2 1  1  x2  f nD  x   e 2 N0  exp   2  (1.2) 2 0 2 0  2 0  2 2 trong đó, exp(.) là ký hiệu của hàm mũ cơ số tự nhiên: exp  a   e a . Đối với hệ số kênh truyền fading hSD , đây cũng là một biến ngẫu nhiên và biên độ | hSD | có phân phối Rayleigh với hàm mật độ xác suất là: x  x2  f|hSD |  x   exp   2  , x  0 (1.3) 2  2  Hơn nữa, biên độ bình phương của hSD , còn được gọi là độ lợi kênh | hSD |2 , sẽ có phân phối mũ và hàm mật độ xác suất của | hSD |2 là (xem tài liệu [1]):
12 1  x2  f |h  x  exp   2  2 2  2  2 SD | (1.4)   exp   x  1 với   còn được gọi là tham số đặc trưng của kênh truyền fading Rayleigh. 2 2 Tiếp đến, hàm phân phối tích lũy (CDF: Cummulative Distribution Function) của | hSD |2 được đưa ra như sau: F|h SD | 2  x   1  exp   x  (1.5) Trở lại với công thức (1.1), tỷ số SNR (Signal-to-noise ratio) tức thời đạt được tại nút đích D được tính như sau: PS | hSD |2  SD  (1.6)  02 Tỷ số SNR trong công thức (1.6) được gọi là tỷ số SNR tức thời bởi vì tỷ số này thay đổi theo thời gian. Tiếp đến, dung lượng kênh tức thời trên 01 đơn vị băng thông (BW = 1) được viết như sau:  PS | hSD |2  CSD  log 2 1   SD   log 2 1   (1.7)   02  1.2.2. Hiệu năng mạng vô tuyến Các hiệu năng mạng vô tuyến có thể kể đến như xác suất dừng (OP: Outage Probability), tỷ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate), dung lượng kênh trung bình (EC: Ergodic Capacity). Trong đề án này, học viên nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng, đó là xác suất mà dung lượng kênh CSD nhỏ hơn một ngưỡng cho trước, ký hiệu Cth . Sử dụng công thức (1.7), ta có xác suất dừng của đường truyền từ nguồn S sang đích D như sau: