Tiêu đề

VỀ TRUYỀN THÔNG KẾT HỢ TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC: CẢI THIỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG THỨ CẤP.

Tác giả

Nguyễn Văn Chính

Chuyên ngành

Kỹ thuật viễn thông

Nguồn phát hành

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Sơ lược

TRANG THÔNG TIN LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Tên đề tài luận án tiến sĩ: Về truyền thông kết hợp trong môi trường vô tuyến nhận thức: Cải thiện và đánh giá hiệu năng mạng thứ cấp

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 62.52.02.08

Họ và tên NCS: Nguyễn Văn Chính

Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo 2. TS. Nguyễn Lương Nhật

Cơ sở đào tạo: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

NHỮNG KẾT QUẢ MỚI CỦA LUẬN ÁN

Luận án đề cập tổng quát về vô tuyến nhận thức, truyền thông kết hợp; ưu nhược điểm từ đó khảng định sự kết hợp của truyền thông kết hợp với vô tuyến nhận thức là có khoa học và tính thực tiễn cao để có thể giải quyết các bài toán nâng cao hiệu suất sử dụng phổ và chất lượng dịch vụ QoS; đồng thời đưa ra được mô hình cơ bản của truyền thông kết hợp trong môi trường vô tuyến nhận thức một cách rõ ràng để làm cơ sở nghiên cứu các mô hình phức tạp hơn. Kết quả đưa ra trong luận án đối với các mô hình truyền thông kết hợp trong môi trường vô tuyến nhận thức đạt các tiêu chí như: giảm can nhiễu tại máy thu sơ cấp; cải thiện chất lượng dịch vụ của hệ thống sơ cấp; cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần và giảm độ phức tạp của hệ thống sơ cấp/thứ cấp. Đóng góp khoa học mới của quá trình nghiên cứu thể hiện trong luận án như sau:

– Đóng góp 1: Đã đề xuất được mô hình truyền thông kết hợp trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng chuyển tiếp AF dạng nền trên kênh fading Rayleigh; đã tiến hành khảo sát và chỉ ra rằng hệ thống sử dụng nhiều nút chuyển tiếp có chất lượng tốt hơn hệ thống truyền trực tiếp và hệ thống sử dụng kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa MRC ở nút đích thứ cấp tốt hơn hệ thống không sử dụng kết hợp hoặc sử dụng kết hợp có lựa chọn. Các kết quả này chỉ ra rằng hệ thống xem xét đạt được chế độ phân tập đầy đủ, tức là chế độ phân tập bằng số chuyển tiếp trong truyền thông kết hợp. Với độ lợi phân tập như vậy tạo nên sức thu hút về giá thành trong thực tế.

– Đóng góp 2: Đã đề xuất được mô hình từ đó phân tích và đánh giá hệ thống truyền thông chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) ứng dụng công nghệ vô tuyến nhận thức hoạt động dựa trên giao thức dạng nền (underlay). Cái mới của công trình này là đã giải bài toán phân bổ tối ưu vị trí nút chuyển tiếp của mạng thứ cấp cho trường hợp tổng quát, thích hợp cả vùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao lẫn thấp. Kết quả đã chứng minh ưu điểm của phương pháp phân bổ tối ưu hiệu quả hơn so với phương pháp chia đều khoảng cách hoặc chọn khoảng cách ngẫu nhiên của hệ thống truyền thông kết hợp phân tập đa chặng ứng dụng công nghệ vô tuyến nhận thức trong điều kiện ràng buộc mức can nhiễu và công suất phát tối đa.

– Đóng góp 3: Đã đề xuất ứng dụng mã hóa không gian thời gian Alamouti trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền một chặng và mở rộng cho nhiều chặng. Điểm mới ở đây là cung cấp một phương pháp tính toán mới cho xác suất dừng OP và dung lượng Shannon trên kênh fading Rayleigh. Đã chứng minh ưu điểm của mã hóa không gian thời gian Alamouti trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền so với hệ thống truyền trực tiếp SISO trong cùng điều kiện kênh truyền.

– Đóng góp 4: Đề xuất ứng dụng điều chế thích nghi cho mạng vô tuyến nhận thức dạng nền và giải bài toán tối ưu hiệu suất phổ tần. Điểm mới của công trình này là đề xuất được phương pháp đánh giá hiệu năng của hệ thống bao gồm: Xác suất dừng (OP), xác suất lỗi bít trung bình, hiệu suất phổ tần và xác suất của các chế độ truyền ở kênh fading Rayleigh. Đã giải được bài toán tối ưu hiệu suất phổ tần, tìm ra được các ngưỡng chuyển tối ưu cho phép tối ưu hiệu suất phổ tần. Phương pháp này là cơ bản có tính tổng quát và có thể áp dụng cho các mô hình khác như trên kênh Rician và Nakagami-m.

CÁC ỨNG DỤNG, KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN HOẶC NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN BỎ NGỎ CẦN TIẾP TỤC NGHIÊN CỨU

Các kết quả đạt được của luận án có ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng như sau:

– Khẳng định rằng kỹ thuật chuyển tiếp cho phép cải thiện hiệu năng và vùng phủ sóng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền. Đồng thời vị trí của nút chuyển tiếp trong tương quan với vị trí nút nguồn thứ cấp, nút đích thứ cấp và nút thu sơ cấp có vai trò quan trọng trong tối ưu hiệu năng của hệ thống.

– Để nâng cao hơn nữa hiệu năng của hệ thống, kỹ thuật mã không gian và thời gian và kỹ thuật truyền thích nghi là những kỹ thuật rất hiệu quả. Các kết quả và kết luận nghiên cứu đạt được có ý nghĩa khoa học rất lớn và có thể áp dụng trong trong các chuẩn của mạng vô tuyến nhận thức cho mạng thế hệ 5G và sau 5G. Các vấn đề còn bỏ ngỏ có thể tiếp tục nghiên cứu như sau:

– Có thể phát triển bài toán đánh giá chất lượng của hệ thống truyền thông kết hợp chuyển tiếp AF trong môi trường vô tuyến nhận thức thông qua số nút chuyển tiếp tối ưu, vị trí của nút sơ cấp và ảnh hưởng của môi trường truyền trên kênh Rician và Nakagami-m. Đồng thời tiếp tục phát triển nghiên cứu hệ thống truyền thông kết hợp đa chặng khi phân định công suất tối ưu cho các máy phát của từng nút chuyển tiếp.

– Nghiên cứu hệ thống truyền đa chặng của mạng thứ cấp khi giới hạn công suất cho các máy phát của từng nút chuyển tiếp; Tối ưu khoảng cách giữa các nút chuyển tiếp của mạng thứ cấp khi vị trí của các nút chuyển tiếp không cùng nằm trên một đường thẳng.

– Khảo sát hệ thống Alamouti trong trường hợp mã không gian thời gian khác với nhiều hơn hai anten ở máy phát thứ cấp; Xem xét khảo sát ảnh hưởng của kênh truyền can nhiễu không hoàn hảo lên hiệu năng của hệ thống thứ cấp với một mức can nhiễu quy định trước; Khảo sát hệ thống với kênh truyền phức tạp hơn như kênh Nakagami-m hay Rician.

– Áp dụng và khảo sát hiệu năng của hệ thống truyền thông kết hợp nhận thức dạng nền sử dụng kỹ thuật điều chế thích nghi; Hoặc áp dụng kết quả trên khảo sát hiệu năng của hệ thống MIMO sử dụng kỹ thuật truyền thích nghi.
Xác nhận của đại diện tập thể
Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Chính

INFORMATION OF THE DOCTORAL THESIS

Thesis title: Cognitive Underlay Cooperative Communications: Performance Analysis and Performance improvement for secondary networks

Specialty: Telecommunications

Code: 62.52.02.08

PhD. Candidate: Nguyen Van Chinh

Scientific supervisors: 1. Assoc. Prof. Vo Nguyen Quoc Bao 2. Dr. Nguyen Luong Nhat

Training institution: Posts and Telecommunications Institute of Technology

THESIS CONTRIBUTION

This thesis studies the combination of cognitive radio and cooperative communications to confirm that the combination is necessary to improve the spectrum efficiency as well as the network quality of service (QoS). The thesis proposes cognitive cooperative protocols as basic model to develop more complex practical models. The thesis has shown that cooperative communication for cognitive networks can improve network performance in terms of low interference at primary receivers, better performance at primary networks, better spectral efficiency, and lower network complexity for secondary/primary networks. In particular, the thesis contributions are as follows:

Contribution #1: we proposed underlay cognitive AF relaying networks over Rayleigh fading channels. We have derived the network performance and shown that (1) the underlay networks with multiple relays will provide better performance than the direct communication network and the networks using MRC outperforms the networks using SC or non-combination networks. The simulation results shown that the proposed networks obtain full spatial diversity, i.e., the diversity order equals to the number of cooperative relays. As a result, the proposed network is a potential candidate for next generation networks as well as to reduce the communication cost in practice.

Contribution #2: we proposed cognitive underlay DF multihop relaying networks. In this contribution, we focus on solving the optimal problem of relay positions. The obtained results are valid for both low and high SNRs and confirm the advantage of the relay optimization location as compared with the randomized location method and the uniformly distance location method in the constraints of the given maximum allowable interference level and the maximum transmit power.

Contribution #3: we proposed space time block code Alamouti for cognitive underlay networks with one hop and multi hop. We, for the first time, proposed a new derivation approach to derive the system outage probability and system Shannon Capacity over Rayleigh fading. The numerical results have shown that Alamouti scheme for one and multi hop can significantly improve the performance of the cognitive underlay networks as compared with single input single output direct transmission for the same channel settings.

Contribution #4: we proposed adaptive modulation for cognitive underlay network and solved the optimal problem of the system spectral efficiency. The novel point of the problem is on the approach to derive the closed-form expression for the system outage probability, average bit error probability, spectral efficiency and probability of transmit modes. It is noted that the proposed approach is generalized, i.e., applicable for other fading channels such as Rician or Nakagamim.

APPLICATIONS, PRACTICAL APPLICABILITY AND FURTHER STUDIES

The obtained results of the thesis have much scientific significance and application capabilities listed as follows:

– confirm that relaying is an enable technique to improve the system performance and the network coverage. The relay locations have significant impact on the performance optimization of secondary networks.

– to improve the secondary network performance, space time block code and adaptive modulation are effective techniques.

The obtained results and conclusions have great scientific significance and can be applied in proposed standards of cognitive radio networks for 5G wireless generation networks and beyond
Below are some further works:

– Study the performance of cognitive underlay AF networks over Rician and Nakagami-m fading channels. The optimal number of underlay relays should be investigated. Another direction is to examine the effect of multhop relaying on the network.

– Investigate the performance of cognitive underlay DF multihop relaying networks with the assumption that all relay nodes are not located randomly, not located on a line.

– Propose a derivation approach to obtain the closed form expression for outage probability of cognitive underlay networks with space time block code employing multi antennas at receiver side. The imperfect CSI of interference links on the secondary network performance should also be studied over fading channels such as Nakagami-m and Rician.

– Propose adaptive modulation for cognitive underlay cooperative MIMO system.

On the behalf of the scientific advisors

Assoc. Prof. Vo Nguyen Quoc Bao

PhD. Candidate

Nguyen Van Chinh

Tài liệu tham khảo