1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC DUY TÂN PHAN DUY ĐẠT KHẢO SÁT CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG 5G ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH ĐIỆN TỬ– VIỄN THÔNG Đà Nẵng, 122022 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC.
Tính cấp thiết của đề tài
Trong 20 năm qua, công nghệ thông tin di động đã phát triển nhanh chóng nhờ sự tiến bộ của các tiêu chuẩn kỹ thuật, đặc biệt là công nghệ 4G với tốc độ truyền dữ liệu hàng trăm megabit đến gigabit mỗi giây, đáp ứng tốt nhu cầu ứng dụng băng thông rộng Tuy nhiên, với sự gia tăng liên tục của các thiết bị thông minh và dịch vụ di động mới, nhu cầu về tốc độ truyền dẫn không dây ngày càng tăng, khiến tốc độ truyền thông hiện tại khó đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng di động trong tương lai Để đáp ứng hiệu suất mạng cao hơn, ngành công nghiệp đề xuất áp dụng các kỹ thuật chuyển tiếp như Decode and Forward (DF) và Amplify and Forward (AF), nhằm nâng cao khả năng truyền dữ liệu trong mạng 5G, dự kiến tăng gấp 5 đến 15 lần so với các công nghệ trước đó.
Kỹ thuật truyền thông tin qua mạng vô tuyến đang ngày càng nâng cao về mặt kỹ thuật và ứng dụng, cho phép dữ liệu được truyền từ nút nguồn đến nút đích thông qua các nút chuyển tiếp, trở thành lĩnh vực trọng tâm trong ngành viễn thông hiện nay và tương lai Tuy nhiên, truyền dẫn qua các kênh vô tuyến không luôn đảm bảo độ tin cậy do ảnh hưởng của yếu tố thời tiết, địa hình và nhiều yếu tố khác, khiến mỗi phương pháp đều có những hạn chế nhất định.
Em đã chọn đề tài “Khảo sát các kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng 5G” để cập nhật công nghệ mới phục vụ nghiên cứu và giảng dạy Đồ án tập trung phân tích, đánh giá hiệu năng hệ thống mạng 5G, giúp hiểu rõ hơn về các kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng này Do thời gian hạn chế và kiến thức còn limitada, phạm vi nghiên cứu của đề tài chưa hoàn chỉnh.
Mục tiêu, đối tượng, và phương pháp nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu
• Xây dựng được mô hình hệ thống với các nút chuyển tiếp
• Tìm ra biểu thức hiệu năng hệ thống
• Khảo sát và đánh giá hiệu năng hệ thống
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• Lý thuyết các kỹ thuật chuyển tiếp: Giải mã – Chuyển tiếp (Decode and Forward - DF) và Khuếch đại – Chuyển tiếp (Amplify and Forward – AF)
• Kênh truyền vô tuyến: Rayleigh
• Các thông số đánh giá: Xác suất dừng hệ thống, dung lượng hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
• Nghiên cứu, phân tích thông tin
• Phương pháp mô phỏng thực nghiệm
• Kiểm chứng, đánh giá kết quả.
Bố cục nội dung và kế hoạch thực hiện
Bố cục nội dung của luận án
Chương 1: Tổng quan về đề tài
Chương này trình bày các vấn đề quan trọng về truyền thông vô tuyến, cung cấp kiến thức nền tảng về mạng 5G cũng như các thế hệ mạng trước đó như 3G và 4G Bên cạnh đó, nội dung còn giới thiệu sơ lược về các kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng di động và phương pháp đánh giá hiệu năng hệ thống, giúp người đọc hiểu rõ hơn về sự phát triển và tối ưu hóa của công nghệ truyền thông không dây.
Chương 2: Đánh giá hiệu năng các kỹ thuật chuyển tiếp
Chương này trình bày cơ sở lý thuyết về kênh truyền vô tuyến và các loại kênh truyền phù hợp cho hệ thống truyền thông không dây Đồng thời, chương còn giới thiệu về nhiễu SIC (Successive Interference Cancellation) nhằm nâng cao hiệu quả truyền dẫn và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu, giúp cải thiện chất lượng dịch vụ Bên cạnh đó, đề xuất mô hình hệ thống truyền vô tuyến tối ưu, phù hợp với các điều kiện thực tế, để phân tích hiệu suất tổng thể Phương pháp tính toán các biểu thức toán học liên quan đến xác suất dừng hệ thống và dung lượng hệ thống đã được trình bày rõ ràng, giúp định lượng khả năng truyền tải dữ liệu và độ tin cậy của hệ thống wireless.
Chương 3: Kết quả thực nghiệm và thảo luận
Trình bày phương pháp mô phỏng và môi trường mô phỏng, phần mềm được sử dụng
Từ đó, thực hiện đánh giá hiệu năng của các biểu thức tính toán đã được đưa ra ở Chương
2 bằng việc mô phỏng, từ các kết quả phân tích đại lượng nào ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống
Cuối cùng là thảo luận và đề xuất khuyến cáo về hoạt động của hệ thống
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu về truyền thông vô tuyến
Sự phát triển không ngừng của các thiết bị không dây như điện thoại thông minh, máy tính xách tay và máy tính bảng đã ảnh hưởng lớn đến các lĩnh vực kinh tế - xã hội và đời sống hàng ngày của con người trong xã hội hiện đại Các tiện ích từ các thiết bị không dây này đa dạng, bao gồm gọi điện, nhắn tin, chụp hình, chia sẻ ảnh, quay phim, gửi thư điện tử, chat, mạng xã hội, mua bán trực tuyến, giám sát, quảng cáo, giảm giá, khuyến mại, thanh toán trực tuyến, và giải trí như chơi game, nghe nhạc, đọc báo, xem truyền hình Nhằm đáp ứng nhu cầu kết nối liên tục giữa các thiết bị và người dùng, mạng không dây đã ra đời với nhiều loại như Wi-Fi, Bluetooth, và kết nối hồng ngoại, đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hiện đại.
Hình 1.1 Truyền thông vô tuyến
Với sự phát triển không ngừng của mạng không dây và nhu cầu sử dụng dịch vụ vô tuyến ngày càng tăng, phạm vi vùng phủ sóng, chất lượng đường truyền và tốc độ truy cập trở thành những thách thức lớn Một giải pháp tối ưu để khắc phục những vấn đề này là sử dụng hệ thống mạng chuyển tiếp, giúp mở rộng phạm vi phủ sóng và nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Mạng chuyển tiếp hoạt động dựa trên các nút trung gian để truyền dữ liệu từ máy nguồn đến máy đích, giúp kéo dài khoảng cách liên lạc và mở rộng phạm vi vùng phủ sóng Nhờ kỹ thuật chuyển tiếp, các nút trung gian có thể sử dụng công suất phát thấp hơn nhưng vẫn đảm bảo chất lượng dịch vụ, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng can nhiễu trong hệ thống.
Hiện nay, việc sử dụng tín hiệu vô tuyến để truyền năng lượng và truyền thông tin đã trở nên phổ biến nhờ vào ưu điểm về chi phí thấp và yêu cầu ít thay đổi phần cứng của máy phát Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng việc tối ưu hóa hệ thống truyền thông vô tuyến đòi hỏi phải đánh đổi trong thiết kế, do tín hiệu vô tuyến quyết định chất lượng của thông tin truyền tải Do đó, mức độ truyền thông tin tối đa không thể đạt được một cách dễ dàng mà phải cân nhắc kỹ lưỡng giữa các yếu tố kỹ thuật.
14 đại đồng thời Điều này dẫn đến yêu cầu phải thiết kế lại hệ thống mạng không dây hiện có.
Giới thiệu về các mạng thông tin di động
Mạng 3G (Third-generation technology) là mạng di động thế hệ thứ ba theo tiêu chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả thoại số và dữ liệu như tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh Mạng 3G cung cấp cả hệ thống chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh, giúp nâng cao trải nghiệm người dùng Công nghệ này có điểm mạnh vượt trội so với 2G và 2.5G là khả năng truyền, nhận dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao di động với các tốc độ khác nhau Nhờ đó, các nhà cung cấp dịch vụ có thể cung cấp các dịch vụ đa phương tiện như âm nhạc chất lượng cao, hình ảnh, video, truyền hình số, định vị toàn cầu GPS, email, xem video streaming, chơi game cao cấp, mang lại trải nghiệm giải trí và liên lạc tuyệt vời hơn.
➢ Kênh có băng thông rộng hơn mạng 2G
➢ Công nghệ truyền dẫn W-CDMA Hiệu suất phổ cao hơn sấp sỉ 2 b/s/Hz
➢ Tốc độ bít cao hơn 2G
4G mạng thông tin đi động thế hệ thứ 4 Dự án hợp tác thế hệ 3 (3GPP) chuẩn hoá
Hệ thống thông tin di động 4G nâng cao hiệu quả các mạng truyền thông hiện hành bằng cách cung cấp giải pháp hoàn chỉnh và đáng tin cậy dựa trên IP Các dịch vụ như thoại, dữ liệu và đa phương tiện được truyền tải liên tục tới người dùng ở mọi nơi và mọi thời điểm, với tốc độ dữ liệu cao hơn so với các thế hệ trước Các ứng dụng phổ biến trên mạng 4G bao gồm dịch vụ nhắn tin đa phương tiện (MMS), truyền hình số kỹ thuật số (DVB), trò chuyện video, nội dung truyền hình độ phân giải cao và TV di động, nhằm mang lại trải nghiệm truyền thông đa dạng, chất lượng cao cho người dùng.
➢ Kênh có băng thông rất rộng
➢ Công nghệ truyền dẫn hợp kênh phân chia tần số trực giao
➢ Hiệu suất phổ cao hơn nhiều so với 3G (~ 8 b/s/Hz)
➢ Sử dụng các kĩ thuật phân tập (Thời gian, tần số, không gian)
➢ Tốc độ bít rất cao
Mạng 4G hoạt động dựa trên băng tần LTE, có thể sử dụng nhiều băng tần khác nhau phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế Ở Bắc Mỹ, các dải tần 700/800 MHz và 1700/1900 MHz được quy hoạch để phục vụ mạng LTE, trong khi châu Âu sử dụng các băng tần 800, 1800, và 2600 MHz Tại châu Á, LTE chủ yếu hoạt động trên các băng tần 1800 và 2600 MHz, còn ở Australia là 1800 MHz Đặc tả kỹ thuật của LTE quy định tốc độ tải xuống tối đa đạt 300 Mbit/s, tốc độ tải lên tối đa là 75 Mbit/s và QoS yêu cầu trễ truyền dẫn tổng thể nhỏ hơn 5 ms trong mạng truy cập vô tuyến, đảm bảo hiệu suất cao và chất lượng dịch vụ tối ưu.
LTE có khả năng quản lý hiệu quả các thiết bị di động chuyển động nhanh, đồng thời hỗ trợ các luồng dữ liệu quảng bá và đa điểm để nâng cao trải nghiệm người dùng Công nghệ này cung cấp băng thông linh hoạt từ 1,25 MHz đến 20 MHz, phù hợp với nhiều nhu cầu truyền dẫn dữ liệu khác nhau Ngoài ra, LTE hỗ trợ cả phương pháp song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD), giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng và khả năng mở rộng hệ thống.
Dự kiến, mạng 5G sẽ mang lại những đặc điểm nổi bật so với các thế hệ mạng trước, bao gồm mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn, dung lượng dữ liệu cao hơn và mức độ bảo mật được nâng cao, đáp ứng tốt hơn các yêu cầu tiêu chuẩn của người dùng và doanh nghiệp trong tương lai.
5G, viết tắt của "thế hệ thứ 5 của mạng di động", là bước tiếp theo trong sự phát triển của công nghệ viễn thông Mỗi thế hệ mạng di động đều có các yêu cầu riêng về chất lượng thiết bị và hệ thống mạng để đảm bảo sự tương thích và hoạt động hiệu quả Thế hệ 5G không chỉ đáp ứng các tiêu chuẩn cao hơn mà còn mang lại các công nghệ và kỹ thuật mới, mở ra khả năng giao tiếp và ứng dụng di động đột phá.
Kể từ khi hệ thống 1G được giới thiệu bởi Nordic Mobile Telephone vào năm 1981, mỗi thập kỷ lại chứng kiến sự ra đời của một thế hệ điện thoại di động mới, bắt đầu từ hệ thống 2G vào năm 1991, tiếp theo là 3G vào năm 2001, và hệ thống 4G, tiêu chuẩn "IMT nâng cao", được chính thức chuẩn hóa vào năm 2012 Quá trình phát triển các tiêu chuẩn mạng 2G (GSM) và 3G (IMT-2000 và UMTS) kéo dài khoảng 10 năm kể từ khi bắt đầu các dự án R&D chính thức, trong khi hệ thống 4G bắt đầu được nghiên cứu từ năm 2001 hoặc 2002, phản ánh quá trình dài hơi và liên tục của tiến trình đổi mới trong công nghệ di động.
Các công nghệ tiên phong đóng vai trò là nền tảng cho các thế hệ mạng di động mới thường được giới thiệu trên thị trường từ vài năm trước đó Ví dụ, hệ thống CdmaOne/IS95 tại Mỹ từ năm 1995 được xem là tiền đề cho công nghệ 3G, trong khi hệ thống Mobile WiMAX ở Hàn Quốc năm 2006 đã mở đường cho 4G Đồng thời, hệ thống thử nghiệm đầu tiên cho LTE diễn ra tại Scandinavia vào năm 2009, phản ánh quá trình phát triển công nghệ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tốc độ và chất lượng truy cập dữ liệu di động.
Năm 2008, Machine-to-Machine Intelligence (M2Mi) Corp, một tổ hợp trong NASA Research Park, đã bắt đầu phát triển công nghệ truyền thông 5G dưới sự lãnh đạo của Geoff Brown, đóng vai trò quan trọng trong tiến trình nghiên cứu và ứng dụng mạng di động thế hệ mới.
Sự phát triển của công nghệ thông tin di động không ngừng tiến bộ với mạng 4G/LTE-Advanced, mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực truyền thông và giải trí Công nghệ 5G sẽ nâng cao hiệu suất hệ thống, giúp mở rộng ứng dụng trong tự động hóa nhà thông minh, giao thông vận tải thông minh, hệ thống an ninh và sách điện tử Nhờ sự tích hợp của công nghệ 5G, người dùng sẽ được trải nghiệm tốc độ kết nối nhanh hơn, ổn định hơn và khả năng tương tác cao hơn trong đời sống hàng ngày.
Tính đến nay, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) vẫn chưa công bố rộng rãi các yêu cầu cụ thể và chi tiết về các công nghệ sẽ được tích hợp vào mạng 5G Mặc dù vậy, nhiều quốc gia đã bắt đầu triển khai công nghệ 5G để thúc đẩy phát triển hạ tầng viễn thông hiện đại.
Hình 1.3: Thời gian dự kiến triển khai mạng 5G
Thế hệ 5G là công nghệ mới mang đến khả năng cung cấp đa dạng ứng dụng thông qua một thiết bị tích hợp, kết nối hầu hết các cơ sở hạ tầng truyền thông hiện có Các thiết bị đầu cuối 5G được thiết kế đa cấu hình và có khả năng kích hoạt nhận thức vô tuyến, sử dụng phần mềm xác định phương pháp điều chế vô tuyến linh hoạt Mạng di động 5G tập trung phát triển các thiết bị đầu cuối để nâng cao khả năng truy cập và tích hợp công nghệ mới một cách hiệu quả.
17 mạng không dây khác nhau cùng một lúc và sẽ kết hợp các luồng khác nhau từ các công nghệ khác nhau
Hình 1.4: Tốc độ mạng 5G so với 4G
Thay vì những trạm cơ sở trên mặt đất đang được sử dụng bởi mạng 2G, 3G và 4G, có thể 5G sẽ sử dụng các trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platform Stations)
Các trạm HAPS hoạt động như những chiếc máy bay treo lơ lửng ở vị trí cố định từ 17km đến 22km trên cao, giúp hoạt động tương tự vệ tinh Cách hoạt động này đảm bảo tín hiệu truyền tải thẳng hơn, giảm thiểu ảnh hưởng từ các công trình cao tầng và kiến trúc xung quanh Nhờ đó, hệ thống mạng trở nên ổn định, phạm vi phủ sóng rộng hơn và hiệu quả truyền dữ liệu được nâng cao Trạm HAPS là giải pháp tối ưu để cải thiện chất lượng dịch vụ viễn thông, đặc biệt trong các khu vực khó tiếp cận hoặc có mật độ xây dựng cao.
Nhờ độ cao của các trạm cơ sở, khả năng phủ sóng diện tích rộng lớn được nâng cao, giúp giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn các vấn đề về vùng phủ sóng Đặc biệt, trên biển, nơi các trạm phát sóng trên đất liền không thể tiếp cận, các tín hiệu 5G vẫn có thể được phát hiện và sử dụng.
Hình 1.5 trình bày mô hình trạm HAPS trong tương lai, một kỹ thuật mới và hiệu quả trong dịch vụ thông tin không dây băng thông rộng Trạm HAPS có phạm vi phủ sóng với bán kính khoảng 30 km, giúp thay thế việc thiết lập nhiều trạm cơ sở trên mặt đất tại khu vực ngoại ô và nông thôn Vì không cần bệ phóng đắt tiền như vệ tinh, trạm HAPS mang lại hiệu quả chi phí cao, dễ dàng triển khai và phù hợp trong các tình huống khẩn cấp hoặc tai nạn Với khả năng cung cấp các tuyến liên kết quan sát công suất cao cho ứng dụng băng thông rộng, trạm HAPS hoạt động ở trên cao và có thể thay đổi vị trí theo chiều dọc và chiều ngang do tác động của khí quyển Sự chuyển động này có thể làm thay đổi góc nhìn của các thiết bị đầu cuối trên mặt đất, đòi hỏi tăng cường liên kết nếu lệch quá lớn so với bề rộng chùm tia của anten Nhờ vị trí ở trên cao, trạm HAPS giúp mở rộng vùng phủ sóng, giảm thiểu các hạn chế về diện tích và tránh bị cản trở bởi các tòa nhà cao tầng, mang lại đường truyền tín hiệu ổn định hơn.
Theo dự kiến yêu cầu của mạng 5G, sẽ có sự khác biệt lớn giữa các thế hệ hiện tại Với thế hệ mới 5G yêu cầu bao gồm:
- Mức tiêu thụ pin thấp hơn, tăng tuổi thọ của pin
- Dung lượng hệ thống cao hơn, giảm thiểu tắc nghẽn mức thấp nhất, độ trễ thấp
Các kỹ thuật chuyển tiếp phổ biến
Trong truyền thông vô tuyến, các kỹ thuật chuyển tiếp đóng vai trò quan trọng để truyền tải tín hiệu hiệu quả Hai phương pháp phổ biến nhất bao gồm kỹ thuật Giải mã – Chuyển tiếp và Khuếch đại – Chuyển tiếp, giúp tối ưu hóa chất lượng tín hiệu và mở rộng phạm vi truyền sóng.
1.3.1 Kỹ thuật Giải mã – Chuyển tiếp (Decode and Forward – DF)
Kỹ thuật chuyển tiếp trong truyền thông vô tuyến truyền thống do Sendonaris và cộng sự đề xuất là cách tiếp cận ban đầu để nâng cao hiệu quả truyền tải dữ liệu Nút chuyển tiếp hoạt động bằng phương pháp tái sinh, giải mã và tái mã hóa thông tin từ nút nguồn trước khi gửi đến nút đích Tuy nhiên, do lỗi đường truyền, thông tin có thể bị giải mã sai tại nút chuyển tiếp, ảnh hưởng đến chất lượng truyền tải.
Phương thức truyền dữ liệu này giảm đáng kể hiệu năng hệ thống do các nút chuyển tiếp chỉ hỗ trợ truyền thông trực tiếp khi các tín hiệu từ nguồn được giải mã chính xác Để đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu, có thể sử dụng mã kiểm tra CRC (Cyclic Redundancy Check) để xác minh tính toàn vẹn của tín hiệu.
Trong thực tế, nút chuyển tiếp không phải lúc nào cũng nhận hoặc giải mã chính xác tín hiệu nguồn, dẫn đến khả năng truyền dữ liệu không đáng tin cậy Để khắc phục vấn đề này, có thể áp dụng phương pháp DF cố định, trong đó nút chuyển tiếp luôn chuyển tiếp thông tin đã giải mã đến đích mà không quan tâm đến chất lượng tín hiệu nhận được Phương thức này giúp đảm bảo dữ liệu được truyền đi liên tục, bất kể trạng thái của tín hiệu nhận về, tuy nhiên có thể gây ra mất mát hoặc lỗi trong dữ liệu truyền tải.
Nó đã được chứng minh giá trị tỉ số tín hiệu – nhiễu SNR xấp xỉ như giá trị SNR tối thiểu giữa hai lần truyền
Hình 1.6 : Kỹ thuật chuyển tiếp Giải mã – Chuyển tiếp DF
Kỹ thuật DF thích nghi thường bị giới hạn bởi thời gian truyền do cố định ở một mức ưu tiên, gây lãng phí tài nguyên khi nút chuyển tiếp phải chờ đợi một phần thời gian truyền Khi chất lượng kênh truyền tốt, nút chuyển tiếp có thể giải mã nhanh chóng, dẫn đến việc chờ đợi trở thành một hạn chế không cần thiết Kỹ thuật DF động, nơi thời gian quyết định là một biến ngẫu nhiên, giúp khắc phục những nhược điểm của kỹ thuật DF thích nghi và tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu.
1.3.2 Kỹ thuật Khuếch đại – Chuyển tiếp (Amplify and Forward – AF)
Kỹ thuật AF lần đầu tiên được đề xuất bởi Laneman Xử lý tín hiệu trong kỹ thuật AF có thể được đơn giản hóa thành ba giai đoạn:
✓ Giai đoạn 1: Nút nguồn truyền các tín hiệu bằng cách phát sóng, trong khi nút đích và nút chuyển tiếp nhận các tín hiệu
✓ Giai đoạn 2: Các nút chuyển tiếp khuếch đại công suất của các tín hiệu nhận được từ nút nguồn và chuyển tiếp chúng đến nút đích
Trong giai đoạn 3, hệ thống tập trung vào việc kết hợp và giải mã các tín hiệu nhận được từ nút nguồn và nút chuyển tiếp để khôi phục lại thông tin ban đầu Quá trình này giúp đảm bảo độ chính xác và toàn vẹn của dữ liệu sau quá trình truyền tải qua các giai đoạn trước đó, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống truyền thông kỹ thuật số.
Hình 1.7 : Kỹ thuật Khuếch đại – Chuyển tiếp AF
Kỹ thuật AF còn gọi là kỹ thuật chuyển tiếp không tái tạo, là phương pháp xử lý tín hiệu tương tự đơn giản nhất Nó cho phép nút đích nhận tín hiệu fading độc lập từ các nút nguồn và nút chuyển tiếp, giúp đạt được độ lợi phân tập và hiệu suất tốt Tuy nhiên, kỹ thuật AF dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu, vì nút chuyển tiếp khuếch đại cả nhiễu trên kênh nguồn - chuyển tiếp khi tín hiệu được truyền lại.
1.3.3 So sánh kỹ thuật chuyển tiếp AF và DF
Kiểu AF đơn giản hơn về mặt kỹ thuật nhưng yêu cầu nút chuyển tiếp có nhiều bộ nhớ để lưu trữ các mẫu tín hiệu thu trước khi khuếch đại và chuyển tiếp Trong khi đó, kiểu DF có lợi thế phù hợp cho các hệ thống số sử dụng mã hóa Tuy nhiên, trong những vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao tại máy đầu thu cuối, hiệu năng của hệ thống sử dụng cả hai kiểu xử lý tín hiệu này là tương đương nhau.
Các tiêu chí đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến
Trong môi trường pha-đinh, tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) γ là biến ngẫu nhiên chịu ảnh hưởng bởi hiệu ứng bóng râm (shadowing) và pha-đinh đa đường Đặc tính thống kê của γ giúp xác định hiệu suất hệ thống, qua đó người dùng có thể đánh giá độ tin cậy và khả năng truyền tải dữ liệu Ba đại lượng chính được sử dụng để đo lường hiệu năng hệ thống dựa trên phân tích của γ bao gồm: xác suất lỗi, công suất tối thiểu cần thiết và xác suất dịch vụ thành công Những chỉ số này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hoá thiết kế mạng không dây trong môi trường phá-đinh phức tạp.
– Xác suất dừng hệ thống (P 𝑜𝑢𝑡 ), được định nghĩa là xác suất mà γ giảm xuống dưới một giá trị ngưỡng cho trước
1.4.1 Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability - OP)
Xác suất dừng hệ thống là một tiêu chí hiệu năng quan trọng trong hệ thống thông tin không dây Nó đo lường xác suất mà tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu tức thời (SNR) thấp hơn ngưỡng cho trước, phản ánh khả năng duy trì chất lượng liên lạc của hệ thống Xác suất này giúp đánh giá độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống trong điều kiện môi trường đa dạng Việc tối ưu xác suất dừng hệ thống đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và giảm thiểu mất dữ liệu trong các hệ thống truyền thông không dây.
Trong đó, 𝛾 0 là mức SNR tối thiểu cần thiết để hệ thống đạt hiệu suất chấp nhận được, còn 𝛾 𝑠 là giá trị SNR tại thời điểm khảo sát Hàm phân phối tích lũy (CDF) của 𝛾 𝑠 được ký hiệu là 𝑓 𝛾 𝑠 (𝛾), trong khi hàm mật độ xác suất (PDF) của 𝛾 𝑠 được biểu diễn là 𝐹 𝛾 𝑠 (𝛾 0) Các thông số này đóng vai trò quan trọng trong phân tích hiệu năng của hệ thống dựa trên SNR.
1.4.2 Dung lượng trung bình hệ thống
Dung lượng trung bình của hệ thống là tốc độ truyền thông tin tối đa của hệ thống mà không gặp lỗi Nó được tính như sau:
Trong đó, B là băng thông kênh truyền có đơn vị Hz, 𝛾 là tỉ số SNR của hệ thống,
Kết luận chương 1
Trong chương này, bài viết trình bày các vấn đề cơ bản về truyền thông vô tuyến và lý thuyết nền tảng về mạng 5G, giúp hiểu rõ hơn về công nghệ mạng di động hiện đại Ngoài ra, phần giới thiệu sơ lược về kỹ thuật chuyển tiếp và phương pháp đánh giá hiệu năng hệ thống phương tiện quan trọng để tối ưu hóa hoạt động của mạng 5G Những nội dung này tạo tiền đề cho việc phân tích sâu hơn trong các chương tiếp theo, nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng dịch vụ của mạng 5G.
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG KỸ THUẬT CHUYỂN
Trong mạng viễn thông, đánh giá hiệu năng của hệ thống thông tin di động đóng vai trò cực kỳ quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả Hiệu năng cao cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và tối ưu, phản ánh khả năng phục vụ người dùng tốt hơn Việc đánh giá chính xác giúp phát hiện các vấn đề kịp thời và nâng cao chất lượng dịch vụ di động Do đó, việc liên tục đo lường và tối ưu hiệu năng hệ thống là yếu tố then chốt để duy trì sự cạnh tranh và phát triển trong ngành viễn thông.
Trong đề tài này, tôi tập trung đánh giá hiệu năng của kỹ thuật chuyển tiếp bằng cách khảo sát các thông số quan trọng như xác suất dừng hệ thống và dung lượng hệ thống Để thực hiện điều này, tôi đề xuất một mô hình hệ thống chi tiết sẽ được trình bày rõ ràng dưới đây, giúp phân tích chính xác các đặc điểm của kỹ thuật chuyển tiếp và tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Giới thiệu về kênh truyền vô tuyến
Kênh truyền là môi trường truyền thông giữa đầu phát và đầu thu, có thể là hữu tuyến hoặc vô tuyến Môi trường hữu tuyến sử dụng các loại cáp như cáp quang, cáp đồng trục hoặc dây dẫn, trong khi đó, môi trường vô tuyến truyền dữ liệu qua sóng điện từ Việc lựa chọn kênh truyền phù hợp giúp đảm bảo hiệu suất và độ ổn định của hệ thống truyền thông.
Kênh truyền vô tuyến có thể biến đổi từ đơn giản đến phức tạp, kênh truyền có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả trong truyền tín hiệu
Chất lượng của bất kỳ hệ thống thông tin nào cũng phụ thuộc vào môi trường truyền
Kênh truyền vô tuyến có thể thay đổi trạng thái trong thời gian rất ngắn, gây khó khăn trong quá trình truyền tín hiệu Các môi trường truyền sóng như đô thị, ngoại ô, và trong nhà có đặc điểm riêng ảnh hưởng đến khả năng truyền dẫn, trong đó các vật che chắn như tòa nhà hay núi có thể làm giảm chất lượng tín hiệu Đường truyền thẳng giữa máy phát và máy thu không luôn tồn tại và tốc độ di chuyển của thiết bị cũng ảnh hưởng đến mức suy hao của tín hiệu.
Trong một kênh truyền lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ gồm tín hiệu đến trực tiếp, tạo ra bản thu hoàn chỉnh của tín hiệu gốc Tuy nhiên, trong thực tế, quá trình truyền tín hiệu thường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như suy giảm, phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và các tín hiệu nhiễu khác, khiến tín hiệu thu nhận được là tổng hợp của các thành phần này Do đó, việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng giúp cải thiện chất lượng truyền dẫn và tối ưu hóa hệ thống truyền thông.
Kênh truyền 26 sẽ cộng nhiễu vào tín hiệu và có thể gây ra sự dịch tần số sóng mang khi máy phát hoặc máy thu di chuyển, do hiệu ứng Doppler Chất lượng của hệ thống vô tuyến phụ thuộc vào đặc tính của kênh truyền, vì vậy hiểu biết về ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.
Trong thông tin vô tuyến, đặc tính của kênh vô tuyến đóng vai trò cực kỳ quan trọng vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền dẫn và dung lượng mạng Các kênh vô tuyến được phân thành hai loại chính là pha-đinh phạm vi rộng và pha-đinh phạm vi hẹp, giúp đánh giá hiệu quả truyền tải phù hợp với từng môi trường Các mô hình truyền thống tập trung vào đánh giá công suất trung bình thu được tại các khoảng cách xác định so với máy phát, trong đó mô hình truyền sóng phạm vi rộng thường được sử dụng cho các khoảng cách lớn Fading phạm vi hẹp mô tả sự thăng giáng nhanh của sóng vô tuyến về biên độ, pha và trễ đa đường trong thời gian ngắn hoặc trên các quãng đường di chuyển ngắn, gây ra do đặc điểm truyền sóng đa đường.
Sóng truyền trong môi trường có thể di chuyển theo hướng trực tiếp hoặc bị phản xạ khi gặp các vật cản lớn như tòa nhà, gây ra hiện tượng bóng mờ (shadowing) Ngoài ra, sóng cũng có thể bị nhiễu xạ khi gặp các vật có góc cạnh chắn, hoặc tán xạ khi gặp cây cối, dẫn đến các vấn đề trong quá trình truyền sóng Quá trình truyền sóng còn được mô tả bởi các hiện tượng như suy hao (path loss), đa đường (multipath), mỗi hiện tượng tuân theo các nguyên tắc vật lý khác nhau cần được xem xét khi xây dựng các mô hình truyền tín hiệu chính xác.
Các kênh vô tuyến là các kênh truyền mang tính ngẫu nhiên, có khả năng thay đổi từ đường truyền trực tiếp đến các đường bị che chắn nghiêm trọng, tùy thuộc vào vị trí của người dùng Trong không gian truyền dẫn, đặc điểm của một kênh vô tuyến thay đổi rõ rệt tại các vị trí khác nhau, ảnh hưởng đến chất lượng và độ ổn định của tín hiệu.
2.1.3 Các thông số đặc trưng cho kênh truyền vô tuyến
Kênh truyền vô tuyến có bản chất là một biến ngẫu nhiên, phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường khác nhau như điều kiện thời tiết và các chướng ngại vật như tòa nhà, đồi núi Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và độ tin cậy của tín hiệu vô tuyến, làm cho mô hình kênh truyền trở nên phức tạp và không chắc chắn Hiểu rõ đặc điểm của kênh truyền vô tuyến là yếu tố quan trọng để thiết kế các hệ thống truyền thông hiệu quả và ổn định hơn.
Trong thống kê, một biến ngẫu nhiên thường được ký hiệu là X, đại diện cho các kết quả có thể xảy ra của một hiện tượng ngẫu nhiên Có hai loại biến ngẫu nhiên chính là biến ngẫu nhiên rời rạc và biến ngẫu nhiên liên tục, phản ánh các giá trị mà biến có thể nhận theo các đặc điểm khác nhau của quá trình xác suất.
- Biến ngẫu nhiên rời rạc:
Biến ngẫu nhiên rời rạc là loại biến chỉ nhận các giá trị đếm được trong khoảng như 0, 1, 2, và có thể có một số hữu hạn các giá trị khác nhau Nếu biến ngẫu nhiên chỉ có thể lấy một số hạn chế các giá trị,—chẳng hạn như một tập hợp hữu hạn—thì nó được xem là biến rời rạc Việc xác định một biến ngẫu nhiên là rời rạc giúp hiểu rõ các đặc điểm và ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực thống kê và xác suất.
Ví dụ: số trẻ em trong một gia đình, số bệnh nhân trong một bệnh viện, số lượng bóng đèn bị hỏng trong hộp 10 bóng
- Biến ngẫu nhiên liên tục:
Một biến ngẫu nhiên liên tục là các giá trị không đếm được Biến ngẫu nhiên liên tục thường đo được
Ví dụ: chiều cao trung bình của 100 học sinh, đo lượng mưa trong 1 tháng
2.1.4 Hàm của các biến ngẫu nhiên
Trong môi trường không dây, điều kiện môi trường như mưa, sương mù, có vật cản ảnh hưởng đến chất lượng truyền tín hiệu, dẫn đến sự thay đổi trong các môi trường truyền khác nhau Mỗi môi trường này được mô tả bằng một biến ngẫu nhiên đặc trưng bởi hai thông số quan trọng: hàm mật độ tích lũy (CDF) và hàm mật độ xác suất (PDF), giúp xác định chính xác các đặc điểm truyền dẫn trong các điều kiện môi trường khác nhau.
Hàm phân bố tích lũy (CDF - Cumulative Distribution Function) là một khái niệm quan trọng trong xác suất thống kê, áp dụng cho mọi biến ngẫu nhiên, dù liên tục hay rời rạc CDF của biến ngẫu nhiên X, ký hiệu 𝐹𝑋(𝑥), thể hiện xác suất mà X nhỏ hơn hoặc bằng một giá trị x bất kỳ, giúp mô tả phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên một cách đầy đủ và rõ ràng.
𝐹 𝑋 (𝑥) = 𝑃(𝑋 ≤ 𝑥), với (−< 𝑥 < +) (2.1) Hàm CDF của biến ngẫu nhiên X có những tính chất sau:
- Hàm𝐹 𝑋 (𝑥) là hàm tăng, nghĩa là x1 ≤ x2 thì F X ( x 1 ) F X ( x 2 )
Hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Denisty Function): là đạo hàm của CDF, ký hiệu là 𝑓 𝑋 (𝑥)
𝑑𝑥 , với (−< 𝑥 < +) (2.2) Hàm PDF của biến ngẫu nhiên X có những tính chất sau:
- Giá trị xác suất không âm: 𝑓 𝑋 (𝑥) 0
- Tích phân toàn trục của PDF: ∫ −∞ +∞ 𝑓 𝑋 (𝑥)𝑑𝑥 = 1
- Mối quan hệ giữa CDF và PDF: CDF là tích phân của PDF, ta có thể tính CDF thông qua PDF:
2.1.4 Một số kênh truyền vô tuyến phổ biến
Kênh truyền Rayleigh fading là mô hình phổ biến trong truyền thông vô tuyến, đặc biệt phù hợp khi môi trường có nhiều thành phần tán xạ, nhiễu xạ và phản xạ do khí quyển hoặc các vật chắn tạo ra Mô hình này giúp mô phỏng chính xác các hiện tượng phức tạp của tín hiệu trong môi trường truyền sóng không lý tưởng Vì vậy, kênh Rayleigh fading đóng vai trò quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền vô tuyến để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy cao.
Hàm CDF và PDF của kênh truyền Rayleigh:
𝐸|ℎ 𝑖 | 2 , là suy hao đường truyền, 𝑥 là hệ số kênh truyền
* Mô phỏng đồ thị CDF và PDF trong kênh truyền Rayleigh
Kênh truyền fading Rician dùng để mô phỏng đường truyền vô tuyến với tồn tại đường truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu (đường Line of Sight – LOS) cùng các đường ngẫu nhiên yếu hơn Mô hình này thể hiện đặc điểm của hệ thống truyền dẫn có khả năng duy trì liên kết qua đường LOS rõ ràng, đồng thời phản ánh các tác động của các tín hiệu phản xạ, gây nhiễu và giảm chất lượng tín hiệu tổng thể Phù hợp để phân tích hiệu suất trong các hệ thống truyền thông vô tuyến hoạt động trong môi trường có sự hiện diện của đường truyền trực tiếp và các sóng phản xạ yếu.
Gọi 𝛾 là tỷ số tín hiệu trên nhiễu, ta có hàm PDF và CDF :
Với 𝐼 0 ( ) là hàm Bessel bậc một của loại 1 𝑄 𝑚 ( , ) là hàm Marcum
Khi K = 0 chúng ta không có đường truyền trực tiếp và phân bố Rician trở thành phân bố Rayleigh Với K = ∞ thì phân bố Rician trở thành phân bố Gauss.
Mô hình hệ thống
Trong đề tài này, Giả sử mô hình hệ thống gồm:
• Một trạm nguồn (Souce – S) truyền thông tin, máy chuyển tiếp (Relay – R) tiếp nhận thông tin và chuyển tiếp thông tin, và một máy đích (Destination –
• Tín hiệu truyền chung một băng thông, cùng một tần số
• Hệ số kênh truyền là h và d lần lượt là khoảng cách từ nguồn đến máy chuyển tiếp và từ máy chuyển tiếp đến máy đích
• Kênh truyền sử dụng là kênh truyền Rayleigh
• Giả sử ta có được các thông số như khoảng cách, công suất, hệ số kênh truyền,…
2.2.2.1 Kỹ thuật Giải mã – Chuyển tiếp (DF)
Hình 2.1 : Mô hình giải mã – chuyển tiếp DF
Mô hình được khảo sát như hình trên Để nghiên cứu mô hình này, kịch bản sau được xem xét:
✓ Giai đoạn thứ nhất, trạm nguồn (S) truyền thông tin đến máy chuyển tiếp (R)
✓ Giai đoạn thứ hai, các máy chuyển tiếp (R) giải mã, xử lý tín hiệu nhận được và chuyển tiếp thông tin đến máy đích (D) bằng giao thức DF
Vị trí của máy chuyển tiếp nên được đặt gần với máy đích để giảm thiểu suy hao tín hiệu trên đường truyền và hạn chế hiệu ứng pha-đinh ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền từ máy chuyển tiếp đến máy đích (R-D) Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải và đảm bảo tín hiệu được duy trì mạnh mẽ, ổn định hơn trong quá trình truyền dữ liệu Việc đặt máy chuyển tiếp gần máy đích còn giảm thiểu các tác động tiêu cực của nhiễu và giảm thiểu độ trễ trong hệ thống truyền thông, nâng cao trải nghiệm người dùng Do đó, vị trí phù hợp của máy chuyển tiếp là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả truyền dẫn trong hệ thống mạng.
✓ Dựa vào sự phân tích trên, các kênh truyền S-R và R-D được giả sử là có hệ số kênh truyền là ℎ 𝑆𝑅 và ℎ 𝑅𝐷 , lần lượt tuân theo các phân bố Rayleigh.
Trạm nguồn S truyền tín hiệu 𝑥(𝑡) đến cho máy Chuyển tiếp R, với công suất truyền là 𝑃 𝑆 Tín hiệu nhân được tại máy chuyển tiếp R lúc này :
- 𝑃 𝑆 là công suất truyền của trạm nguồn
- ℎ 𝑆𝑅 là hệ số kênh truyền
- 𝑑 𝑆𝑅 là khoảng cách từ máy nguồn đến máy chuyển tiếp
- là hệ số suy hao đường truyền từ máy nguồn đến máy chuyển tiếp
- 𝑛 𝑆𝑅 là nhiễu trắng, có trung bình bằng 0 và phương sai là 𝑁 0
Ta được tỉ số SNR tại R như sau :
Trong quá trình truyền dẫn, máy chuyển tiếp R đóng vai trò giải mã tín hiệu nhận từ nguồn và gửi tiếp đến máy đích Tín hiệu tại máy đích D lúc này đã qua quá trình xử lý, đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy trong quá trình truyền dữ liệu Điều này giúp duy trì chất lượng và hiệu quả của hệ thống truyền thông, phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và tối ưu hóa khả năng truyền tải thông tin.
- 𝑃 𝑅 là công suất truyền của trạm chuyển tiếp
- ℎ 𝑅𝐷 là hệ số kênh truyền
- 𝑑 𝑅𝐷 là khoảng cách từ trạm chuyển tiếp đến máy đích
- là hệ số suy hao đường truyền từ máy nguồn đến máy chuyển tiếp
- 𝑛 𝑅𝐷 là nhiễu trắng, có trung bình bằng 0 và phương sai là 𝑁 0
Tỉ số SNR tại D lúc này như sau :
Từ công thức (2.4) và (2.9) ta có được biểu thức CDF tại R :
Từ (2.12) ta có được PDF tại R :
2.2.2.2 Kỹ thuật Khuếch đại – Chuyển Tiếp
Hình 2.2 : Mô hình Khuếch đại – chuyển tiếp AF
Quá trình truyền thông của hệ thống bao gồm hai giai đoạn :
• Giai đoạn 1: Nút nguồn truyền các tín hiệu bằng cách phát sóng, trong khi nút đích và nút chuyển tiếp nhận các tín hiệu
• Giai đoạn 2: Các nút chuyển tiếp khuếch đại công suất của các tín hiệu nhận được từ nút nguồn và chuyển tiếp chúng đến nút đích
Trạm nguồn truyền tín hiệu x(t) đến máy chuyển tiếp R Tín hiệu nhận được ở máy đích lúc này là :
Ta được tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu SNR tại R :
Máy chuyển tiếp R tiếp tục khuếch đại tín hiệu nhận được từ trạm nguồn và truyền đến cho máy đích Tín hiệu máy đích lúc này là :
Trong đó G được tính như sau:
2=g RD , E[.] là kỳ vọng của biến ngẫu nhiên
Ta được biểu thức tín hiệu Z(t) lúc này như sau :
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR tức thời tại đích lúc này:
Ta có g SR và g RD là biến ngẫu nhiên theo phân bố Rayleigh nên hàm mật độ tích lũy (CDF) và hàm mật độ xác suất (PDF) :
Xác suất dừng hệ thống (OP)
Xác suất dừng hệ thống là xác suất mà tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu SNR thấp hơn giá trị ngưỡng cho trước 𝑡ℎ , được tính bởi :
2.3.1 Xác suất dừng hệ thống kỹ thuật DF
Ta có xác suất dừng hệ thống tại trạm chuyển tiếp R như sau :
1, (𝑦 01 = 0) Xác suất dừng hệ thống tại máy đích D:
1, ( 02 = 0) Như vậy, xác suất dừng của hệ thống được xem xét được tính như sau :
2.3.2 Xác suất dừng hệ thống kỹ thuật AF
𝑃 𝑜𝑢𝑡 = Pr( 01 02 g SR g RD {t = ∞ t = 1 Phương trình (2.25) ta viết lại
Dung lượng kênh truyền tại D
Gọi x là độ lợi kênh truyền |ℎ 𝑅𝐷 | 2
𝑑𝑡 Đổi cận {x = ∞ x = 0 => {t = ∞ t = 1 Phương trình (2.27) viết lại
Cuối cùng, ta được biểu thức của xác xuất dừng hệ thống và dung lượng hệ trung bình như sau :
• Xác suất dừng hệ thống của DF :
• Xác suất dừng hệ thống của AF :
• Dung lượng trung bình của trạm chuyển tiếp và máy đích với DF :
Giải thích các thông số:
𝐸|ℎ 𝑖 | 2 , là suy hao đường truyền
Trong đó 𝑃 𝑆 và 𝑃 𝑅 là công suất của trạm R và trạm nguồn
Gọi 𝑃 0 có mức công suất từ 0dB đến 30dB Và cho 𝑁 0 = 1, 𝜆 𝑖 = 1.
Tổng kết chương 2
Tính toán các thông số liên quan như xác suất dừng hệ thống, dung lượng hệ thống
Dựa trên các thông số đã đưa ra, chúng tôi sẽ thực hiện mô phỏng để đánh giá hiệu năng của hệ thống Quá trình này dựa trên các thông số công suất phát của trạm, nhằm phân tích hiệu suất theo từng kỹ thuật được trình bày trong Chương 3 Việc sử dụng các dữ liệu này giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình đánh giá, từ đó tối ưu hóa hoạt động của hệ thống năng lượng.
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Môi trường mô phỏng và phương pháp mô phỏng
3.1.1 Giới thiệu môi trường mô phỏng
MATLAB (Matrix Laboratory) là phần mềm khoa học thiết kế để thực hiện phép tính số và hiển thị đồ họa bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao MATLAB cung cấp các tính năng tương tác mạnh mẽ, cho phép người dùng thao tác dữ liệu linh hoạt dưới dạng mảng ma trận để thực hiện tính toán và quan sát kết quả Dữ liệu đầu vào của MATLAB có thể được nhập từ dòng lệnh hoặc từ các "mfiles", trong đó tập lệnh được MATLAB cung cấp sẵn qua các toolbox tiêu chuẩn hoặc người dùng có thể tạo ra các toolbox tùy chỉnh cho các ứng dụng cụ thể Giao diện của phần mềm MATLAB rất thân thiện và dễ sử dụng, như minh họa trong hình 3.1.
Hình 3.1: Giao diện của phần mềm matlab
MATLAB cung cấp các tập tin trợ giúp giúp người dùng dễ dàng tra cứu các chức năng và lệnh liên quan thông qua lệnh help Ứng dụng của MATLAB rất đa dạng, đặc biệt trong các lĩnh vực yêu cầu tính toán học phức tạp Với giao diện thân thiện và dễ sử dụng hơn các ngôn ngữ lập trình khác như Pascal hay C, MATLAB phù hợp cho cả người mới bắt đầu Ngoài ra, MATLAB còn nổi bật với khả năng đồ họa mạnh mẽ, hỗ trợ trực quan hóa dữ liệu và tạo các bản trình bày chuyên nghiệp.
44 tạo các giao diện riêng cho người sử dụng (GUIs) để giải quyết những vấn đề cá nhân của người dùng
3.1.2 Phương pháp mô phỏng Monte – Carlo
Phương pháp này được xây dựng dựa trên nền tảng:
Các số ngẫu nhiên đóng vai trò quan trọng trong việc mô phỏng các hiện tượng ngẫu nhiên xảy ra trong thực tế và trong các phương pháp tính toán phức tạp Chúng được sử dụng để lấy mẫu ngẫu nhiên từ các phân bố xác suất, như trong tính toán tích phân số, tạo nền tảng vững chắc cho các phương pháp thống kê và mô phỏng Việc sử dụng số ngẫu nhiên giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả của các phân tích dữ liệu, góp phần vào các ứng dụng quan trọng trong khoa học và kỹ thuật.
Luật số lớn đảm bảo rằng khi chọn ngẫu nhiên các giá trị trong một quần thể, kích thước mẫu càng lớn thì các đặc trưng thống kê như trung bình và phương sai của mẫu càng gần với các đặc trưng của quần thể, giúp phương pháp Monte-Carlo đạt được sự ổn định và chính xác trong kết quả Định lý giới hạn trung tâm chỉ ra rằng, dưới điều kiện phù hợp, trung bình của nhiều phép lặp độc lập của các biến ngẫu nhiên sẽ xấp xỉ theo phân phối chuẩn, giúp dễ dàng ước lượng trung bình và phương sai của các kết quả thu được từ phương pháp Monte-Carlo.
3.1.2.1 Thành phần của phương pháp Monte – Carlo
Phương pháp này bao gồm các thành phần chính sau:
• Hàm mật độ xác suất (Probability Density Function – PDF): một hệ vật lý (hay toán học) phải được mô tả bằng một bộ các PDF
• Nguồn phát số ngẫu nhiên (Random Number Generator – RNG): một nguồn phát các số ngẫu nhiên đồng nhất phân bố trong khoảng đơn vị
• Quy luật lấy mẫu (Sampling Rule): mô tả việc lấy mẫu từ một hàm phân bố cụ thể
• Ghi nhận (Scoring hay Tallying): dữ liệu đầu ra phải được tích lũy trong các khoảng giá trị của đại lượng cần quan tâm
• Ước lượng sai số (Error Estimation): ước lượng sai số thống kê (phương sai) theo số phép thử và theo đại lượng quan tâm
Các kỹ thuật giảm phương sai (Variance reduction technique) là các phương pháp nhằm giảm phương sai của đáp số được ước lượng trong mô phỏng Monte Carlo, giúp tăng độ chính xác của kết quả Áp dụng các kỹ thuật này giúp giảm thời gian tính toán, tối ưu hiệu quả của quá trình mô phỏng và nâng cao độ tin cậy của các ước lượng Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và tiết kiệm nguồn lực tính toán.
Song song hóa (parallelization) và vector hóa (vectorization) là các kỹ thuật tối ưu giúp các thuật toán, đặc biệt là phương pháp Monte-Carlo, được thực thi hiệu quả trên các hệ thống máy tính hiệu năng cao Những phương pháp này giảm thời gian xử lý và nâng cao hiệu suất, đóng vai trò quan trọng trong việc áp dụng Monte-Carlo vào các bài toán phức tạp yêu cầu tính toán lớn Việc sử dụng song song hóa và vector hóa không chỉ tối ưu hóa phần cứng mà còn thúc đẩy khả năng mở rộng của các thuật toán mô phỏng, giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư đạt được kết quả nhanh chóng và chính xác hơn.
Quá trình thực nghiệm gồm hai giai đoạn chính: tính toán, phân tích kết quả tính toán và mô phỏng mô hình thực tế để so sánh với các kết quả phân tích Sau khi có kết quả phân tích, chúng ta tiến hành so sánh với kết quả mô phỏng mô hình thực tế trên phần mềm MATLAB MATLAB là phần mềm hỗ trợ mô phỏng, giúp tạo ra mô hình thực tế dựa trên các giả thiết và tập lệnh sẵn có, từ đó đảm bảo tính chính xác và tin cậy của kết quả nghiên cứu.
Sau khi có kết quả của cả hai quá trình, chúng ta tiến hành so sánh bằng cách vẽ hai kết quả trên cùng một đồ thị để xác nhận tính chính xác của quá trình phân tích và tính toán, đảm bảo phù hợp với thực tế.
Trong quá trình phân tích tính toán, nếu hình vẽ trùng khớp hoặc có những sai số nhỏ thì kết quả được coi là chính xác Ngược lại, khi hình vẽ không khớp, cần xem xét lại các bước tính toán, phân tích, cùng các thông số mô phỏng để đảm bảo độ chính xác Việc rà soát lại các yếu tố này giúp xác định nguyên nhân sai lệch và thực hiện lại quá trình một cách chính xác hơn.
Thử nghiệm và thảo luận
Trong phần này, tôi sẽ phân tích ảnh hưởng của tham số công suất phát của trạm cơ sở đối với từng người dùng lên các đại lượng quan trọng như xác suất dừng hệ thống và dung lượng hệ thống Các tham số này đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng sâu sắc đến hiệu suất tổng thể của hệ thống viễn thông Việc điều chỉnh công suất phát phù hợp giúp tối ưu hóa khả năng hoạt động và giảm thiểu tình trạng gián đoạn dịch vụ, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng và tăng năng suất mạng.
3.2.1 Đánh giá kết quả quân tích xác suất dừng hệ thống
3.2.1.1 Kết quả phân tích xác suất dừng hệ thống của kỹ thuật DF
Hình 3.2: Ảnh hưởng của công suất phát đến xác suất dừng hệ thống của Trạm R
Hình 3.2 là vẽ đường cong của xác suất dừng hệ thống theo công suất phát của chặng
1 với kỹ thuật DF Căn cứ vào hình này ta có nhận xét :
- Công suất tăng thì xác suất dừng giảm
- Kết quả mô phỏng và lý thuyết trùng nhau
Hình 3.3 : Ảnh hưởng của công suất phát đến xác suất dừng hệ thống của Trạm D
Hình 3.3 vẽ đường cong của xác suất dừng hệ thống theo công suất phát của chặng
2 với kỹ thuật DF Căn cứ vào hình ta có nhận xét :
- Công suất tăng thì xác suất dừng giảm
- Kết quả mô phỏng và lý thuyết trùng nhau
Hình 3.4 : Ảnh hưởng của công suất phát đến xác suất dừng hệ thống của cả 2 chặng
3.2.1.2 Kết quả phân tích xác suất dừng hệ thống của kỹ thuật AF
Hình 3.5 : Ảnh hưởng của công suất phát đến xác suất dừng hệ thống của kỹ thuật
Hình 3.5 vẽ đường cong của xác suất dừng hệ thống theo công suất phát với kỹ thuật
AF Căn cứ vào hình ta có nhận xét :
- Công suất tăng thì xác suất dừng giảm
- Kết quả mô phỏng và lý thuyết trùng nhau
Công suất phát tín hiệu của S P1
Công suất phát tín hiệu của R P2
Xác suất dừng hệ thống Pout
❖ Kết quả từ hình ảnh cho thấy
Ta thấy khi công suất phát càng cao thì xác suất dừng hệ thống Pout càng thấp
Lí do là với cống suất phát càng cao thì các trạm sẽ dễ dàng bắt được tín hiệu, hiệu năng hệ thống càng được cải thiện
❖ Khuyến cáo và kết luận
Công suất phát tín hiệu cho từng người dùng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu quả hệ thống Hiệu năng của hệ thống ngày càng được cải thiện khi công suất phát tăng lên, đồng thời giảm thiểu nguy cơ dừng đứt hệ thống Do đó, việc điều chỉnh công suất phát phù hợp là yếu tố quyết định thành công của hệ thống truyền thông.
Vì vậy đưa ra khuyến cáo nên cần điều chĩnh mức công suất phù hợp để có được hiệu năng tốt nhất cho hệ thống
3.2.2 Đánh giá kết quả phân tích dung lượng hệ thống với kỹ thuật DF
Hình 3.6 : Ảnh hưởng của công suất phát đến dung lượng của trạm R
Hình 3.6 vẽ đường cong của dung lượng hệ thống theo công suất phát tại R với kỹ thuật DF Căn cứ vào hình này ta có nhận xét sau :
- Công suất tăng thì dung lượng hệ thống cũng tăng theo
- Kết quả mô phỏng và lý thuyết trùng nhau
Hình 3.7 : Ảnh hưởng của công suất phát đến dung lượng của trạm D
Hình 3.7 vẽ đường cong của dung lượng hệ thống theo công suất phát tại D với kỹ thuật DF Căn cứ vào hình này ta có nhận xét sau :
- Công suất tăng thì dung lượng hệ thống cũng tăng theo
- Kết quả mô phỏng và lý thuyết trùng nhau
❖ Kết quả từ hình ảnh ta thấy
Khi công suất phát của các trạm càng cao, dung lượng hệ thống C cũng tăng lên, đảm bảo khả năng hoạt động hiệu quả Việc nâng cao công suất phát giúp tối ưu hóa sử dụng tài nguyên hệ thống và cải thiện hiệu suất tổng thể Do đó, công suất phát cao hơn sẽ góp phần nâng cao khả năng đáp ứng của hệ thống và đảm bảo hoạt động ổn định hơn.
❖ Khuyến cáo và kết luận
Công suất phát tín hiệu dành cho mỗi người dùng đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng của hệ thống Công suất này càng cao thì hiệu suất hệ thống càng được nâng cao, phản ánh mối quan hệ tỉ lệ thuận giữa công suất phát và dung lượng hệ thống Do đó, việc tối ưu công suất phát là yếu tố quyết định để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả hơn.
Cần phải điều chỉnh mức công suất phù hợp để tối ưu hiệu suất hệ thống và tránh lãng phí năng lượng, đảm bảo hoạt động hiệu quả và tiết kiệm.
Dựa trên các tính toán lý thuyết về xác suất dừng hệ thống và dung lượng hệ thống cho từng kỹ thuật, chúng tôi đã thực hiện mô phỏng để đánh giá hiệu năng của hệ thống dựa trên công suất phát của trạm Phương pháp này giúp xác định rõ khả năng vận hành và độ ổn định của hệ thống trong các điều kiện khác nhau Những đánh giá này cung cấp cơ sở để đề xuất các giải pháp phù hợp, tối ưu hóa vận hành hệ thống thực tế Việc phối hợp giữa phân tích lý thuyết và mô phỏng giúp nâng cao hiệu quả và giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành mạng lưới viễn thông.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Trong bài viết này, chúng tôi đã đề xuất và khảo sát mô hình hệ thống kỹ thuật chuyển tiếp DF/AF của mạng di động 5G Kết quả nghiên cứu cho thấy sự tối ưu hóa trong việc chuyển tiếp tín hiệu giúp cải thiện chất lượng dịch vụ và tăng hiệu suất mạng Các phân tích và thử nghiệm đã xác nhận tính khả thi của mô hình, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành của mạng 5G Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu đề ra, cung cấp các giải pháp kỹ thuật mới phù hợp với xu hướng phát triển của công nghệ mạng di động hiện nay.
Các biểu thức toán học mô tả xác suất hệ thống dừng hoạt động và dung lượng hệ thống đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu năng hoạt động của hệ thống Cụ thể, xác suất dừng hệ thống được tính dựa trên các tham số như lưu lượng truy cập và khả năng xử lý của hệ thống, giúp xác định mức độ ổn định và độ tin cậy Đồng thời, các biểu thức này cũng cho phép xác định dung lượng tối đa mà hệ thống có thể xử lý mà vẫn đảm bảo hiệu suất vận hành tối ưu Việc phân tích các tham số này giúp tối ưu hóa cấu hình hệ thống, nâng cao khả năng đáp ứng yêu cầu người dùng và giảm thiểu thời gian gián đoạn hoạt động.
- Mô phỏng kết quả trên phần mềm Matlab để kiểm chứng tính đúng đắn của các biểu thức toán học đưa ra
- Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống
Mặc dù đã cố gắng hoàn thiện nhưng đề tài vẫn chưa giải quyết được 1 số vấn đề sau:
- Tại dung lượng hệ thống AF, do độ phức tạp cao nên việc tính toán lý thuyết của em chưa khớp với mô phỏng
- Mô hình chỉ gồm 3 node hoạt động
- Chưa thống nhất được kĩ thuật điều chế và giải điều chế cho hệ thống
Chủ đề này đã giúp em nắm vững các kiến thức cơ bản về truyền thông vô tuyến, góp phần nâng cao hiểu biết trong lĩnh vực mạng không dây Đồng thời, em cũng hiểu rõ các phương pháp đánh giá hiệu năng của mạng vô tuyến, từ đó có thể phân tích và tối ưu hoá hệ thống truyền thông không dây một cách hiệu quả.
Mạng di động 5G và kỹ thuật chuyển tiếp là một lĩnh vực nghiên cứu mới có tiềm năng phát triển trong tương lai, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu năng hệ thống Các kết quả đạt được từ nghiên cứu này cung cấp nền tảng để xây dựng các hệ thống mạng tiên tiến, tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo an toàn bảo mật lớp vật lý cho hệ thống Đồng thời, nghiên cứu còn đề xuất các mô hình hệ thống lớn hơn nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của cộng đồng sử dụng.