Đánh giá hiệu năng của mạng liên lạc hợp tác giữa các xe với lựa chọn chuyển tiếp tối ưu Đánh giá hiệu năng của mạng liên lạc hợp tác giữa các xe với lựa chọn chuyển tiếp tối ưu Đánh giá hiệu năng của mạng liên lạc hợp tác giữa các xe với lựa chọn chuyển tiếp tối ưu Đánh giá hiệu năng của mạng liên lạc hợp tác giữa các xe với lựa chọn chuyển tiếp tối ưu
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, mạng di động tùy biến xe cộ (VANETs) đã được nghiên cứu như một giải pháp cho hệ thống giao thông thông minh trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0 VANETs hoạt động thông qua việc trang bị thiết bị thu/phát tín hiệu cho các xe, cho phép chúng trao đổi thông tin với nhau và với các trạm truyền tin Quá trình này là yếu tố quan trọng trong việc xây dựng hệ thống giao thông thông minh Tuy nhiên, hiện tại, cơ sở hạ tầng cho mạng VANETs còn hạn chế, vì vậy công nghệ vô tuyến nhận thức (CR) được xem là giải pháp lý tưởng cho lớp vật lý trong VANETs.
Công nghệ CR cho phép các hệ thống vô tuyến mới truy cập động vào các tần số đã được cấp phép mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của các hệ thống vô tuyến hiện có Sự kết hợp giữa CR và chuyển tiếp hợp tác hình thành mạng nhận thức hợp tác (CCRN), giúp tối ưu hóa việc sử dụng phổ tần vô tuyến CCRN có ba mô hình cơ bản: dạng nền, dạng chồng lặp và dạng đan xen, với phương thức truyền thông hợp tác tại nút chuyển tiếp được thực hiện thông qua khuếch đại và chuyển tiếp hoặc giải mã và chuyển tiếp Để tối ưu hóa hiệu năng của mạng CCRN và mạng VANETs, cần nghiên cứu lựa chọn mô hình CCRN và kỹ thuật xử lý tại nút chuyển tiếp phù hợp Việc đánh giá hiệu năng của mạng VANETs và mạng vô tuyến nói chung cũng cần được thực hiện một cách cẩn thận.
Cần nghiên cứu để lựa chọn mô hình kênh truyền fading phù hợp, vì mỗi loại kênh này đặc trưng cho những mô hình thực tế khác nhau Bên cạnh đó, việc xác định nút chuyển tiếp tối ưu mà vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ của mạng cũng là một vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu.
1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức và mạng liên lạc tùy biến xe cộ thường tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến, giao thức truyền thông chuyển tiếp, và phương án lựa chọn chuyển tiếp tối ưu.
Nghiên cứu về hiệu năng mạng vô tuyến đã sử dụng các mô hình kênh truyền như Nakagami-m và Rayleigh, tuy nhiên, những mô hình này chủ yếu phù hợp với mạng có nút chuyển tiếp cố định Đối với mạng VANETs với các nút chuyển tiếp di động, mô hình kênh truyền Double-Rayleigh được đề xuất như một giải pháp thích hợp Mặc dù có nghiên cứu đánh giá hiệu năng mạng liên lạc giữa các xe sử dụng Double-Rayleigh, nhưng nghiên cứu này chỉ tập trung vào xác suất dừng của mạng liên xe cơ bản mà chưa làm rõ việc lựa chọn chuyển tiếp cho mạng có nhiều chuyển tiếp.
Việc lựa chọn giao thức truyền thông tại nút chuyển tiếp là rất quan trọng, trong đó giao thức AF đã được áp dụng để giải quyết bài toán cho các mạng có công suất phát hạn chế Nghiên cứu này không chỉ tìm ra thứ tự giữa hai hop trong môi trường fading tối thiểu mà còn phù hợp với truyền thống dual-hop mà không cần chia sẻ phổ tần Hơn nữa, nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng việc sử dụng giao thức DF có thể giải quyết vấn đề nhiễu khi truyền thông tin đồng thời và cung cấp các kỹ thuật hiệu quả.
3 phát hiện năng lƣợng hiệu quả hơn Tuy nhiên nghiên cứu trên chỉ xem xét đánh giá hiệu năng mạng dựa trên kênh truyền Rayleigh
Nghiên cứu về lựa chọn nút chuyển tiếp đã chỉ ra rằng, trong khi tài liệu [7] tập trung vào hiệu năng mạng với lựa chọn chuyển tiếp tốt nhất, các tài liệu [9] và [10] đã khám phá phương án lựa chọn chuyển tiếp thứ n cho mạng Tuy nhiên, tất cả các nghiên cứu này vẫn chỉ áp dụng mô hình kênh truyền Rayleigh.
Nghiên cứu trong nước đã thực hiện và công bố nhiều đề tài liên quan đến hiệu năng mạng CCRN, đặc biệt dưới tác động của phần cứng và nhiễu đồng kênh trong truyền thông đa chặng Tuy nhiên, các đánh giá này chủ yếu tập trung vào môi trường truyền fading Rayleigh.
1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mạng dựa trên mô hình kênh truyền Rayleigh và Double Rayleigh, khẳng định rằng mô hình kênh truyền Double Rayleigh là sự lựa chọn tối ưu cho mạng VANETs Đồng thời, tác giả cũng xem xét ảnh hưởng của số lượng nút chuyển tiếp để xác định nút chuyển tiếp tối ưu nhất Ngoài ra, luận văn còn phân tích tác động của can nhiễu và các yếu tố bên ngoài khác đến hiệu năng mạng, từ đó đưa ra giải pháp tối ưu nhằm nâng cao hiệu năng của mạng VANETs.
1.4 NHIỆM VỤ VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài
Bài viết này làm rõ các khái niệm quan trọng liên quan đến mạng di động tùy biến xe cộ, bao gồm vô tuyến nhận thức, truyền thông kết hợp và cách thức áp dụng truyền thông kết hợp trong môi trường vô tuyến nhận thức Ngoài ra, nó cũng đề cập đến các giao thức truyền thông trong lĩnh vực vô tuyến nhận thức, giúp hiểu rõ hơn về sự tương tác và hiệu quả của các công nghệ này trong việc tối ưu hóa truyền thông di động.
Đánh giá hiệu năng mạng liên lạc hợp tác giữa các xe được thực hiện thông qua phân tích toán học và mô phỏng xác suất dừng Phương pháp Monte Carlo được áp dụng với sự hỗ trợ của phần mềm Matlab để xác định nút chuyển tiếp tốt nhất.
Trong luận văn này, tác giả tập trung vào việc đánh giá hiệu năng mạng liên lạc giữa các xe trong môi trường kênh truyền fading Rayleigh và Double Rayleigh dạng nền Nghiên cứu sử dụng giao thức truyền thông thông qua giải mã và chuyển tiếp, với lựa chọn chuyển tiếp tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả truyền dữ liệu.
1.5 ĐÓNG GÓP CHÍNH CỦA LUẬN VĂN
Hầu hết các nghiên cứu trước đây về hiệu năng mạng nhận thức hợp tác tập trung vào các kênh truyền như Nakagami-m, Weibull và Rician, chủ yếu chỉ lựa chọn chuyển tiếp tốt nhất Tuy nhiên, những kênh này không phù hợp cho mạng VANETs do tính di động của các trạm chuyển tiếp Luận văn này đóng góp bằng cách chứng minh rằng kênh truyền Double Rayleigh là lựa chọn thích hợp cho mạng liên xe Ngoài ra, nghiên cứu cũng đề xuất phương pháp đánh giá lựa chọn các nút chuyển tiếp tối ưu thứ K nhằm khắc phục vấn đề khi kênh truyền bị quá tải.
1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để thực hiện được đề tài này, người thực hiện đề tài sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp nghiên cứu và tổng hợp lý thuyết
- Phương pháp mô phỏng Monte Carlo và phân tích toán học để đánh giá mô hình hệ thống
1.7 BỐ CỤC ĐỀ TÀI Đề tài gồm các chương sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu bao gồm đặt vấn đề, đánh giá tình hình nghiên cứu của đề tài, mục tiêu đề tài, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài, đối tượng và phương pháp nghiên cứu cũng như những đóng góp chính của đề tài
Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài như: khái niệm mạng di động tùy biến xe cộ, khái niệm mạng vô tuyến nhận thức, mạng vô tuyến hợp tác, các khái niệm liên quan đến môi trường truyền (fading), kỹ thuật chuyển tiếp AF và
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu hiệu năng mạng dựa trên mô hình kênh truyền Rayleigh và Double Rayleigh, từ đó xác định rằng mô hình kênh truyền Double Rayleigh là lựa chọn tối ưu cho mạng VANETs Ngoài ra, tác giả cũng đánh giá ảnh hưởng của số lượng nút chuyển tiếp để tìm ra phương án chọn nút tối ưu nhất Luận văn còn xem xét tác động của can nhiễu và các yếu tố bên ngoài khác đến hiệu năng mạng, nhằm đưa ra giải pháp tối ưu để nâng cao hiệu suất cho mạng VANETs.
NHIỆM VỤ VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.4.1 Nhiệm vụ của đề tài
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ làm rõ các khái niệm quan trọng liên quan đến mạng di động tùy biến xe cộ, vô tuyến nhận thức và truyền thông kết hợp Chúng tôi sẽ khám phá vai trò của truyền thông kết hợp trong môi trường vô tuyến nhận thức, cùng với các giao thức truyền thông thiết yếu trong lĩnh vực vô tuyến nhận thức Những khái niệm này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về công nghệ hiện đại mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong tương lai.
Đánh giá hiệu năng mạng liên lạc hợp tác giữa các xe có thể được thực hiện thông qua việc phân tích toán học và mô phỏng xác suất dừng Phương pháp Monte Carlo, sử dụng phần mềm Matlab, cho phép xác định nút chuyển tiếp tốt nhất, từ đó tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Trong luận văn này, tác giả đánh giá hiệu năng mạng liên lạc giữa các xe trong môi trường kênh truyền fading Rayleigh và Double Rayleigh dạng nền Nghiên cứu sử dụng giao thức truyền thông thông qua giải mã và chuyển tiếp, đồng thời áp dụng lựa chọn chuyển tiếp tối ưu để nâng cao hiệu quả truyền tải dữ liệu.
ĐÓNG GÓP CHÍNH CỦA LUẬN VĂN
Hầu hết các nghiên cứu về hiệu năng mạng nhận thức hợp tác trước đây chỉ tập trung vào các kênh truyền như Nakagami-m, Weibull và Rician, cùng với việc lựa chọn chuyển tiếp tốt nhất Tuy nhiên, những kênh này không phù hợp cho mạng VANETs do tính di động của các trạm chuyển tiếp Luận văn này đóng góp bằng cách chứng minh rằng kênh truyền Double Rayleigh là phù hợp cho mạng liên xe Ngoài ra, nghiên cứu cũng đánh giá việc lựa chọn các nút chuyển tiếp tối ưu thứ K để giải quyết vấn đề khi kênh truyền bị quá tải, nhằm cải thiện hiệu suất mạng.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để thực hiện được đề tài này, người thực hiện đề tài sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp nghiên cứu và tổng hợp lý thuyết
- Phương pháp mô phỏng Monte Carlo và phân tích toán học để đánh giá mô hình hệ thống.
BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Đề tài gồm các chương sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu bao gồm đặt vấn đề, đánh giá tình hình nghiên cứu của đề tài, mục tiêu đề tài, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài, đối tượng và phương pháp nghiên cứu cũng như những đóng góp chính của đề tài
Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài như: khái niệm mạng di động tùy biến xe cộ, khái niệm mạng vô tuyến nhận thức, mạng vô tuyến hợp tác, các khái niệm liên quan đến môi trường truyền (fading), kỹ thuật chuyển tiếp AF và
Chương 3: Phân tích hiệu năng của mạng liên lạc hợp tác giữa các xe với lựa chọn chuyển tiếp tối ưu Chương này sẽ giới thiệu mô hình được nghiên cứu, sơ đồ giải thuật dùng để phân tích hiệu năng mạng
Chương 4: Trình bày kết quả mô phỏng hiệu năng Phân tích và đánh giá kết quả đạt đƣợc
Chương 5: Trình bày kết quả và hướng phát triển đề tài
MẠNG DI ĐỘNG TÙY BIẾN XE CỘ
2.1.1 Khái niệm mạng di động tùy biến xe cộ (VANETs)
VANETs (Mạng xe cộ) là một lĩnh vực nghiên cứu mới và hấp dẫn trong mạng di động ad hoc, kết hợp các khía cạnh của mạng ad hoc, công nghệ vô tuyến và di động để xây dựng hệ thống giao thông thông minh thông qua giao tiếp giữa các xe và giữa xe với trạm bên đường Mục tiêu chính của VANETs là hỗ trợ các phương tiện thiết lập và duy trì mạng lưới truyền thông mà không cần đến trạm trung tâm Một trong những ứng dụng quan trọng của VANETs là truyền thông tin trong các tình huống khẩn cấp y tế, thông tin về mật độ giao thông và tình trạng kẹt xe, giúp người lái xe lựa chọn lộ trình hợp lý Tuy nhiên, nghiên cứu về VANETs gặp phải những thách thức do thiếu cơ sở hạ tầng, khiến việc truyền thông phụ thuộc vào khả năng giao tiếp của các xe, trong đó mỗi xe trở thành một phần của mạng lưới và tham gia quản lý, kiểm soát việc truyền thông.
2.1.2 Kiến trúc và mô hình của VANET
Mặc dù VANETs là một phần của MANETs, nhưng không có kiến trúc hay kiểu topology cố định cho VANETs Trong VANET, các xe di chuyển giao tiếp với nhau hoặc với các RSU gần đó, dẫn đến việc các nút không cố định như trong MANETs Kiến trúc mạng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất truyền thông của xe, và nó có thể thay đổi tùy thuộc vào kịch bản truyền thông Hầu hết các nhà nghiên cứu phân loại các kịch bản VANET thành ba dạng khác nhau.
Tất cả các phương tiện giao tiếp với nhau thông qua một số điểm RSU, tạo nên một kiến trúc mạng tương tự như mạng cục bộ không dây (WLAN).
Hai là, các phương tiện giao tiếp trực tiếp mà không cần bất kỳ RSU nào, cho thấy kiến trúc mạng có thể được phân loại là kiến trúc mạng Ad-hoc.
Một số xe có khả năng liên lạc trực tiếp với nhau, trong khi những xe khác cần sử dụng các đơn vị RSU để kết nối Mạng lưới này được gọi là mạng lai.
Hình 2.1 – Mô hình mạng VANETs
Mỗi kịch bản mạng đều có những thách thức riêng, nhưng để tối ưu hiệu suất, ngữ cảnh cuối cùng cần đáp ứng nhu cầu liên lạc trong toàn bộ môi trường giao thông.
Một trong những thuộc tính quan trọng nhất của mạng tùy biến di động không dây là tính di động của các nút Tính di động cao của phương tiện làm cho mô hình viễn thông trở nên phức tạp hơn Hơn nữa, mô hình di động trong môi trường VANET còn phụ thuộc vào các yếu tố như tăng tốc, giảm tốc, thay đổi làn đường và cách thức lái xe của người điều khiển.
MẠNG V TUYẾN NHẬN THỨC
động của VANET phải bao gồm hành vi di chuyển các phương tiện riêng lẻ và trong nhóm để truyền tải gói tin không hiệu quả [1]
Các mô hình di động trong mạng xe cộ (VANET) được phân loại thành ba loại chính: thứ nhất là mô hình ngẫu nhiên, thứ hai là mô hình hoá lưu lượng truy cập, và thứ ba là mô phỏng dựa trên dấu vết.
Mô hình di động có thể được điều chỉnh dựa trên mức độ ngẫu nhiên mà bạn mong muốn Đối với các mạng ad-hoc, việc triển khai mô hình mạng cụ thể có thể thực hiện thông qua các công cụ toán học và thống kê phù hợp Một trong những giải pháp tiềm năng trong nghiên cứu mô hình truyền thông xe cộ là mạng vô tuyến nhận thức.
2.2 MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
2.2.1 Lý do ra đời của mạng vô tuyến nhận thức
Các mạng thông tin vô tuyến hiện nay đang áp dụng nhiều công nghệ hiện đại để tối ưu chất lượng dịch vụ và khai thác hiệu quả băng tần được cấp phép Tuy nhiên, phổ tần của các mạng này vẫn chưa được khai thác triệt để, dẫn đến sự tồn tại của những hố phổ.
Hình 2.2 - Minh họa hố phổ
Công nghệ vô tuyến nhận thức được phát triển để tối ưu hóa việc sử dụng phổ tần, cho phép các người dùng phụ khai thác phổ chia sẻ một cách hiệu quả mà không làm ảnh hưởng đến các người dùng chính.
Vô tuyến nhận thức cho phép sử dụng các vùng phổ trống theo từng thời điểm, được gọi là hố phổ hay khoảng trắng Khi băng tần này được người dùng chính (người dùng cấp phép) sử dụng, các người dùng vô tuyến nhận thức phải chuyển sang hố phổ khác Nếu họ vẫn ở trong cùng một băng tần, họ cần thay đổi mức công suất phát hoặc sơ đồ điều chế để tránh gây nhiễu cho người dùng chính.
2.2.2 Khái niệm vô tuyến nhận thức
According to Simon Haykin, the pioneer of cognitive radio, "Cognitive radio is an intelligent wireless communication system that is aware of its surrounding environment and adapts to statistical variations in incoming radio frequency stimuli by adjusting certain operating parameters such as transmit power, carrier frequency, and modulation strategy in real time." The primary goals of cognitive radio are to ensure highly reliable communications whenever and wherever needed, while also efficiently utilizing the radio spectrum.
2.2.3 Chức năng của mạng vô tuyến nhận thức
Vô tuyến nhận thức có 4 chức năng chính [15]
Cảm biến phổ (spectrum sensing) là quá trình xác định sự hiện diện của người sử dụng chính trong dải tần số Các hệ thống vô tuyến nhận thức có khả năng chia sẻ kết quả phát hiện với các mạng vô tuyến khác sau khi thực hiện cảm nhận Mục tiêu chính của cảm biến phổ là xác định tình trạng của phổ tần và hoạt động của người dùng chính.
10 bằng cách phát hiện chu kỳ của băng tần gốc để việc truyền tín hiệu không ảnh hưởng đến băng tần gốc
Quản lý phổ (Spectrum Management) trong mạng vô tuyến nhận thức đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa việc sử dụng tần số Các phổ tần chưa sử dụng, trải rộng trên một vùng tần số lớn, bao gồm cả tần số cấp phép và không cấp phép, được phát hiện qua cảm biến phổ Những đặc điểm này không chỉ thay đổi theo thời gian mà còn phụ thuộc vào các thông tin như tần số và băng thông hoạt động Để đáp ứng yêu cầu chất lượng dịch vụ, mạng vô tuyến nhận thức cần xác định phổ tần tốt nhất từ toàn bộ băng tần có sẵn, vì vậy chức năng quản lý phổ bao gồm hai nhiệm vụ chính là phân tích phổ và quyết định phổ.
Phân tích phổ trong mạng vô tuyến nhận thức giúp xác định các hố phổ có sẵn, phản ánh các đặc tính của phổ biến đổi theo thời gian Qua đó, việc phân loại các phổ tần khác nhau trở nên khả thi, cho phép lựa chọn băng tần phù hợp với nhu cầu người dùng Để đánh giá chất lượng của các phổ tần cụ thể, cần xem xét các thông số như mức nhiễu, tỷ lệ lỗi kênh, suy hao đường truyền, lỗi liên kết vô tuyến, trễ lớp liên kết và thời gian nắm giữ.
Quyết định phổ tần là quá trình lựa chọn phổ tần phù hợp nhất dựa trên yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) và đặc tính của phổ Để quản lý phổ hiệu quả, cần hiểu rõ các yêu cầu QoS của người dùng, từ đó xác định tốc độ dữ liệu, tỷ lệ lỗi chấp nhận được, mô hình truyền dẫn và phổ tần truyền Việc lựa chọn phổ tần sẽ dựa vào các quy tắc quyết định, trong đó tính công bằng và giá trị truyền thông là những yếu tố quan trọng.
Sử dụng phổ linh hoạt (spectrum mobility) cho phép người dùng phụ điều chỉnh dải tần số hoạt động của mình Khi người dùng chính bắt đầu truy cập vào băng tần mà người dùng phụ đang sử dụng, người dùng phụ có khả năng thay đổi khoảng trắng phổ tần nhàn rỗi để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên tần số.
Sự thay đổi trong dải tần số hoạt động, được gọi là chuyển giao phổ tần, yêu cầu điều chỉnh các tham số giao thức ở các lớp khác nhau để phù hợp với dải tần số mới Quan trọng là trong quá trình này, việc trao đổi phổ tần vẫn phải đảm bảo rằng người dùng phụ có thể tiếp tục truyền dữ liệu trong băng tần mới.
Chia sẻ phổ (Spectrum Sharing) là một giải pháp quan trọng trong mạng vô tuyến, nơi nhiều CR hoạt động đồng thời Chức năng này tối ưu hóa việc sử dụng phổ tần, cho phép người dùng phụ và người dùng chính cùng tồn tại một cách hợp lý mà không gây ra xung đột trên cùng một dải băng tần.
Chu kỳ cảm nhận phổ tần tương tác với môi trường vô tuyến của các chức năng nên đƣợc trình bày trong hình 2.3
Hình 2.3 – Chu kỳ cảm nhận phổ tần 2.2.4 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức
Có ba mô hình mạng vô tuyến nhận thức chính: dạng nền, chồng lắp và đan xen Mô hình dạng nền cho phép người dùng phụ hoạt động mà không gây ảnh hưởng lớn đến người dùng chính, theo ngưỡng do người dùng chính đặt ra Trong mô hình chồng lắp, mạng thứ cấp sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu để cải thiện truyền thông của mạng sơ cấp và bổ sung băng thông cho truyền thông của mạng Mô hình đan xen cho phép người dùng thứ cấp khai thác các hố phổ để truyền thông mà không làm gián đoạn các truyền thông khác Các chính sách điều tiết và giả định về thông tin mạng cũng được mô tả cụ thể cho từng mô hình.
Mô hình dạng nền cho phép truyền thông qua vô tuyến nhận thức, trong đó người dùng thứ cấp không can thiệp vào việc truyền thông của người dùng được cấp phép Mô hình này phụ thuộc vào hai loại chuyển tiếp: không nhận thức và có nhận thức, diễn ra đồng thời với điều kiện sự can thiệp từ thiết bị nhận thức phải dưới ngưỡng chấp nhận Để giảm thiểu sự can thiệp cho người dùng thứ cấp, có thể sử dụng nhiều ăng-ten để định hướng tín hiệu hoặc áp dụng băng thông rộng, giúp tín hiệu nhận thức lan truyền mà không vượt quá mức nhiễu cho phép trước khi đến tay người nhận nhận thức Sơ đồ mô hình dạng nền được trình bày trong hình 2.4.
Hình 2.4 – Mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền
TRUYỀN TH NG H P TÁC
phép của người dùng sơ cấp phần công suất để chuyển tiếp thông điệp của người dùng sơ cấp
Công suất truyền của người dùng thứ cấp được giới hạn bởi hạn chế can nhiễu
Người dùng thứ cấp có khả năng truyền tải bất kỳ công suất nào, và nếu có nhiễu từ người dùng sơ cấp, có thể được bù đắp bằng cách chuyển tiếp thông điệp từ người dùng sơ cấp.
Công suất truyền của người dùng thứ cấp bị giới hạn bởi dãy hố phổ cảm biến
2.2.5 Cấu trúc của mạng vô tuyến nhận thức
Mạng vô tuyến nhận thức tồn tại ở 2 dạng: có cấu trúc và không có cấu trúc
Trong mô hình mạng vô tuyến có cấu trúc, các phần tử mạng giao tiếp qua trạm gốc với tần số đã cấp phép hoặc không cấp phép Mô hình này có thể bao gồm các phần tử quản lý phổ (spectrum broker), giúp trao đổi thông tin tần số giữa các hệ thống vô tuyến nhận thức.
Trong mô hình mạng vô tuyến không có cấu trúc (ad-hoc networks), các phần tử mạng kết nối qua các kết nối ad-hoc Mô hình này thường được áp dụng trong mạng cảm biến để thu thập thông tin hiệu quả.
2.3.1 Mô hình truyền thông hợp tác 1 chặng
Mô hình truyền thông hợp tác 1 chặng bao gồm một nút nguồn, một nút đích và các nút trung gian được sắp xếp hợp lý theo khoảng cách giữa nguồn và đích Các nút trung gian, hay còn gọi là nút chuyển tiếp, có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ nút trước, xử lý thông tin và chuyển tiếp tín hiệu đến nút tiếp theo cho đến khi tín hiệu được truyền đến nút đích.
Hình 2.6 - Mô hình truyền thông hợp tác 1 chặng
Hệ thống truyền thông hợp tác đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các mạng ad-hoc, mạng cảm biến và mạng tổ ong Hiện nay, công nghệ này cũng đang được nghiên cứu và áp dụng trong các mạng vô tuyến thế hệ mới.
Mặc dù mạng truyền thông hợp tác mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm như thiếu độ lợi phân tập, độ ổn định không cao, độ trễ lớn và hiệu suất phổ tần chưa tối ưu Để khắc phục những vấn đề này, nghiên cứu về truyền thông hợp tác thường kết hợp với các kỹ thuật khác nhằm nâng cao chất lượng hệ thống.
2.3.2 Mô hình truyền thông hợp tác 2 chặng
Mô hình truyền thông hợp tác 2 chặng bao gồm nút nguồn (S), nút chuyển tiếp (R) và nút đích (D) Hệ thống hoạt động với hai khe thời gian trực giao, có thể áp dụng cho các kênh truyền trực giao tần số và mã Trong khe thời gian đầu, nút nguồn truyền thông tin quảng bá dữ liệu, được nhận bởi nút chuyển tiếp và nút đích Ở khe thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp dữ liệu đã nhận đến nút đích.
Hình 2.7 - Mô hình truyền thông hợp tác 2 chặng
2.3.3 K thuật xử lý t n hiệu tại các n t chuyển tiếp trong truyền thông hợp tác
Mạng vô tuyến hợp tác cần đảm bảo rằng công suất truyền của mạng thứ cấp không ảnh hưởng đến hoạt động của mạng sơ cấp, do đó kỹ thuật xử lý tín hiệu tại các nút chuyển tiếp đóng vai trò quan trọng Hai kỹ thuật xử lý tín hiệu chính được sử dụng là khuếch đại và chuyển tiếp (AF) cùng với giải mã và chuyển tiếp (DF).
AF là một phương thức chuyển tiếp đơn giản, trong đó nút chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu nhận được và truyền tiếp đến nút kế tiếp Phương thức này yêu cầu nút chuyển tiếp có đủ bộ nhớ để lưu trữ các mẫu tín hiệu trước khi thực hiện khuếch đại và chuyển tiếp.
Phương thức chuyển tiếp DF là một kỹ thuật phức tạp, trong đó nút nguồn quảng bá tín hiệu đến nút chuyển tiếp và nút đích Nút chuyển tiếp có nhiệm vụ giải điều chế và mã hóa tín hiệu từ nút nguồn, sau đó mã hóa lại và phát tín hiệu đã mã hóa đến nút đích Vì vậy, phương thức DF rất phù hợp cho các hệ thống số sử dụng mã hóa.
Chất lượng hệ thống thông tin phụ thuộc vào kênh truyền, nơi tín hiệu được gửi từ máy phát đến máy thu Khác với kênh truyền hữu tuyến ổn định, kênh truyền vô tuyến mang tính ngẫu nhiên và khó phân tích Tín hiệu phát đi qua kênh vô tuyến thường bị cản trở bởi các vật cản như toà nhà, núi và cây cối, dẫn đến hiện tượng fading với nhiều phiên bản tín hiệu khác nhau tại máy thu Điều này ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến, vì vậy việc hiểu rõ đặc tính của kênh truyền vô tuyến là cần thiết để lựa chọn cấu trúc hệ thống, kích thước thành phần và các thông số tối ưu.
19 của hệ thống Trong luận văn này, chúng tôi tập trung phân tích hai kênh truyền theo phân bố Rayleigh và Rayleigh kép (Double – Rayleigh)
2.4.1 Kênh truyền theo phân bố Rayleigh
Trong các kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được áp dụng khi hai thành phần trực giao có giá trị tuyệt đối, chẳng hạn như vận tốc và hướng gió, có thể kết hợp để tạo ra tốc độ gió Ngoài ra, các thành phần thực và ảo cũng có thể có giá trị tuyệt đối tuân theo phân bố Rayleigh Đặc biệt, đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao cũng tuân theo phân bố Rayleigh, với hàm mật độ xác suất đặc trưng.
Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện áp tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao (evelope detection) σ 2 là công suất trung bình theo thời gian
Khác với kênh truyền Rayleigh fading, nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết đã chỉ ra rằng kênh Double-Rayleigh có sự giảm dần phù hợp cho các kênh liên động.
Kênh truyền Rayleigh kép đƣợc gọi là kênh Double – Rayleigh, do đó phân bố Double - Rayleigh có hàm mật độ xác suất:
Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao (evelope detection) σ 2 là công suất trung bình theo thời gian
PH N TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG
Trong luận văn này, chúng tôi đánh giá hiệu năng của các mô hình thông qua đại lượng xác suất dừng Để tối ưu hóa quá trình đánh giá, nghiên cứu sẽ phân tích xác suất dừng cho từng mô hình đã được đề xuất ở phần 3.1.2 trong hai trường hợp khác nhau.
Trong trường hợp lựa chọn chuyển tiếp một phần (partial relay selection - pRS), luận văn sẽ đánh giá hiệu năng mạng bằng cách chọn nút chuyển tiếp R b có tỷ số SNR lớn nhất thứ K (K do người dùng xác định) tại cuối khe thời gian đầu tiên Điều này có nghĩa là mô hình sẽ xác định nút chuyển tiếp tốt thứ K (R b) trong số M kênh truyền từ S đến R i trước, sau đó hệ thống sẽ tập trung vào tỷ số SNR nhỏ nhất giữa kênh truyền S đến R b và kênh truyền R b đến D để phân tích xác suất dừng.
Trường hợp 2: Lựa chọn chuyển tiếp toàn phần (full relay selection - fRS)
Luận văn này sẽ đánh giá hiệu năng mạng khi chọn nút chuyển tiếp R b có tỷ lệ SNR lớn nhất thứ K tại điểm cuối cùng.
D Tức là, hệ thống sẽ lựa chọn nút chuyển tiếp tốt thứ K trong số tất cả nút có tỷ số SNR nhỏ nhất từ kênh truyền từ S đến R i và từ R i đến P
3.2.1 Định nghĩa xác suất dừng
Xác suất dừng (Outage Probability - OP) tại một điểm được định nghĩa là xác suất mà giá trị SNR (Tỷ số tín hiệu trên nhiễu) nhận được tại nút đó thấp hơn một giá trị ngưỡng đã cho, ký hiệu là γth.
M PHỎNG XÁC SUẤT DỪNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE
Nếu T R < th, nút nhận sẽ không thể giải mã thành công dữ liệu x Ngược lại, khi T R ≥ th, nút nhận R được giả định có khả năng giải mã dữ liệu x.
3.2.2 Phương pháp ph n t ch xác suất dừng
Trong phần này, chúng tôi phân tích biểu diễn OP của mạng vô tuyến chuyển tiếp liên xe với lựa chọn chuyển tiếp tối ưu (RS) dựa trên mô hình kênh truyền FS1 và FS2 Theo định nghĩa đã nêu, xác suất dừng cuối cùng tại nút thứ cấp D sẽ được tính toán bằng công thức cụ thể.
Trong đó: e 2e là tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại điểm cuối thứ cấp D
th đƣợc gọi là ngƣỡng can nhiễu
Kí hiệu "Pr" đại diện cho toán tử xác suất Bài luận văn này sẽ phân tích và tính toán hiệu năng mạng trong bốn ngữ cảnh khác nhau, mỗi mô hình sẽ được xem xét qua hai trường hợp Kết quả phân tích sẽ được kiểm tra lại thông qua mô phỏng theo phương pháp Monte Carlo.
3.3 MÔ PHỎNG ÁC SUẤT DỪNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MONTE
3.3.1 Trường hợp lựa chọn chuyển tiếp một phần (pRS)
Trong trường hợp này, tỷ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống thứ cấp DF
e đƣợc tính toán theo công thức (3.12) , xem [20]:
là SNR tại R b và đƣợc tính toán theo công thức (3.13) [20];
đã định ngh a theo công thức (3.10).
M PHỎNG XÁC SUẤT DỪNG BẰNG PH N TÍCH LÝ THUYẾT
Khi hệ thống chỉ thu thập thông tin trạng thái từ nguồn đến các nút chuyển tiếp và từ nguồn đến nhận sơ cấp, việc sử dụng chuyển tiếp bán phần trở nên cần thiết.
3.3.2 Trường hợp lựa chọn chuyển tiếp toàn phần (fRS)
Trong trường hợp này, tỷ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống thứ cấp DF
e đƣợc tính toán theo công thức:
Trong đó, i min S R i , R i D (3.15) là SNR tại D với biểu diễn của
là SNR tại D do Ri bất kỳ truyền tới có công thức tương tự như tín hiệu truyền từ nút R b được chọn ở công thức (3.10) tức là i 2 i R P 1
Từ (3.14) và (3.15), chuyển tiếp toàn phần đƣợc sử dụng khi hệ thống thu thập đƣợc tất cả các thông tin trạng thái kênh
3.4 PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG
3.4.1 Trường hợp chuyển tiếp một phần (pRS)
Thay thế công thức (3.12) vào công thức (3.11), xác suất dừng trong trường hợp này ở cả 2 mô hình đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
Từ công thức (3.9) và (3.10), I 1 và I 2 đƣợc định ngh a
Mô hình 1 (mô hình n t P là n t di động) sử dụng hàm pdf của biến ngẫu nhiên theo phân bố Double – Rayleigh Trong mô hình này, hàm mật độ phân bố xác suất của kênh truyền SR b được biểu diễn theo công thức (3.1).
Thay công thức (3.1) và công thức (3.19) vào công thức (3.17), khi đó I 1 ( FS 1) sẽ bằng:
Khai triển nhị thức New-ton cho biểu thức 1 2 1 xK 1 2 1 x M i 1 , hàm
I FS sẽ đƣợc viết lại là:
Tương tự như cách biến đổi ở công thức (3.20) và (3.21), I 2 ( FS 1) có dạng
Xét 02 trường hợp 2 1 và 2 1, dựa trên kết quả chứng minh của [11], I 2 ( FS 1) đƣợc đƣa ra nhƣ sau:
Với I 1 ( S1) F và I 2 ( S1) F đã đƣợc biểu diễn trong công thức (3.21) và công thức (3.23), công thức (3.16) biểu diễn công suất ngõ ra chính xác trong mô hình FS1 khi lựa chọn chuyển tiếp một phần (P out (FS1) ) đƣợc viết lại:
Bằng cách xem xét các biến tương quan như là các biến ngẫu nhiên độc lập,
[18] đã tìm đƣợc dạng gần đúng của I 1 ( S1) F [11, công thức 22]
Khi đó, công suất ngõ ra công suất ngõ ra trong mô hình FS1 khi lựa chọn chuyển tiếp một phần dạng gần đúng đƣợc biểu diễn:
(3.26) Đối với mô hình 2 (mô hình nút P là nút cố định)
Tính toán tương tự như mô hình 1, I 1 ( S2) F và I 2 ( S2) F được biểu diễn như sau:
I F x xK x dx (3.28) Đặt u2 x và các công thức (6.631/3) và công thức (9.222/2) tài liệu [19], [11] đã viết lại I 2 ( S2) F nhƣ sau:
Thay thế công thức (3.27) và công thức (3.29) vào công thức (3.16), công suất ngõ ra dạng tích phân chính xác khi lựa chọn chuyển tiếp một phần của mô hình
2 (P out (FS2) )có dạng sau:
Tương tự cách phân tích cho I 1 ( S1) F , I 1 ( S2) F có biểu diễn gần đúng như sau [11]
Khi đó, công suất ngõ ra dạng gần đúng cho trường hợp lựa chọn chuyển tiếp một phần của mô hình 2 theo công thức (3.32)
3.4.2 Trường hợp lựa chọn chuyển tiếp toàn phần (fRS)
Khi thực hiện lựa chọn chuyển tiếp toàn bộ, xác suất ngõ ra P out f RS trong trường hợp này được [11] định ngh a theo công thức
Phương pháp phân bố tốt nhất thứ K cho e (2e fR S) cùng với các biểu diễn toán học đã cho thấy ông suất ngõ ra P out (S1_fRS) có thể được biểu diễn dưới dạng tích phân chính xác.
Tương tự với việc chứng minh của biểu thức xấp xỉ cho công suất ngõ ra ở mô hình
1, biểu thức dạng xấp xỉ của công suất ngõ ra P out ( S1_fRS) F sẽ là:
Mô hình 2 được chứng minh tương tự như mô hình lựa chọn chuyển tiếp ở phần trước Biểu thức biểu diễn công suất ngõ ra P out (S2_RS) F f của mô hình 2 trong trường hợp chuyển tiếp toàn phần bao gồm cả dạng tích phân chính xác và dạng gần đúng.
KẾT LUẬN
Luận văn nghiên cứu hiệu năng của mạng liên lạc nhận thức hợp tác kép với lựa chọn chuyển tiếp tốt nhất thứ K dựa trên mô hình kênh truyền Double-Rayleigh, cho thấy mô hình fading này phù hợp với môi trường liên lạc động Nghiên cứu cũng xem xét hai trường hợp của RS là pRS và fRS Các biểu thức tích phân và xấp xỉ gần đúng cho xác suất dừng đã được xác định cho hai mô hình fading khác nhau: i) tất cả các kênh truyền đều phân bố theo Double Rayleigh; ii) kênh truyền từ nguồn thứ cấp đến các chuyển tiếp và từ các chuyển tiếp đến đích đến thứ cấp được phân phối theo Double Rayleigh, trong khi các kênh giữa các thiết bị phát thứ cấp và người sử dụng chính được mô phỏng bằng phân bố Rayleigh.
Tính chính xác và tính phù hợp của các biểu thức đã được xác minh thông qua mô phỏng Monte Carlo Kết quả cho thấy giao thức fRS đạt hiệu suất tối đa khi lựa chọn chuyển tiếp tốt nhất Tuy nhiên, trong trường hợp không có chuyển tiếp tốt nhất và giá trị SNR thấp, giao thức pRS có thể hoạt động hiệu quả hơn so với hệ thống fRS Luận văn cũng chứng minh rằng hiệu năng của mạng trong cả hai trường hợp RS tốt hơn khi tất cả các kênh fading theo phân bố Double-Rayleigh.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Luận văn này chưa xem xét hệ thống trong các điều kiện thực tế như ảnh hưởng của thông tin kênh truyền không hoàn hảo (CSI) và lỗi phần cứng Vì vậy, để đánh giá hiệu năng mạng một cách chính xác, cần mở rộng nghiên cứu để bao gồm các yếu tố thực tế như CSI và lỗi phần cứng.
Phân tích hiệu năng mạng có thể thực hiện qua việc đánh giá lỗi bit (BER/SER) bằng cách sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp, nhằm cải thiện hoạt động của hệ thống trong các vùng tín hiệu yếu.
