KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP (AMPLIFY AND FORWARD) CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG

KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP (AMPLIFY AND FORWARD) CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG Truyền thông dữ liệu qua mạng vô tuyến là một lĩnh vực đang dần nâng cao cả về phương diện kỹ thuật và tính ứng dụng. Đây chính là mũi nhọn trong ngành thông tin và truyền thông ở hiện tại và trong tương lai.

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH NGUYỄN NGỌC SAN

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Truyền thông dữ liệu qua mạng vô tuyến là một lĩnh vực đang dần nâng cao cả về phương diện kỹ thuật và tính ứng dụng Đây chính là mũi nhọn trong ngành thông tin và truyền thông ở hiện tại và trong tương lai Tuy nhiên, việc truyền dẫn thông tin qua các kênh

vô tuyến không được đảm bảo chắc chắn bởi nhiều lý do như thời tiết, địa hình Trong thực

tế, tín hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu theo nhiều đường khác nhau gây ra hiện tượng thăng giáng ngẫu nhiên về biên độ, pha và góc tới của tín hiệu thu được, hiện tượng này được gọi là fading đa đường Ảnh hưởng của fading đa đường tới chất lượng truyền tín hiệu là rất lớn Vấn đề này đã nhận được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu và nhiều phương pháp khác nhau đã được đưa ra để hạn chế ảnh hưởng của fading này như sử dụng kỹ thuật phân tập, MIMO…Tuy nhiên, với mỗi phương pháp đều có tồn tại những khuyết điểm

Luận văn này sẽ trình bày về một phương pháp khác để làm giảm ảnh hưởng của fading đó là kỹ thuật truyền thông đa chặng (Multi-hop Communication), đây là một kỹ thuật khá mới Ý tưởng chính của kỹ thuật này là sẽ chia nhỏ đường truyền giữa node nguồn

và node đích bằng cách sử dụng các node trung gian ở giữa (relay) để chuyển tiếp tín hiệu Node relay ngoài nhiệm vụ chuyển tiếp tín hiệu nó còn làm nhiệm vụ khuếch đại và truyền, giải mã và truyền…để mở rộng phạm vi phủ sóng, tăng chất lượng của hệ thống Đây cũng

là vấn đề đáng được quan tâm và nghiên cứu

Với lý do trên và mục tiêu cập nhật những công nghệ, kỹ thuật mới nhằm phục vụ

cho việc nghiên cứu, giảng dạy nên em đã chọn đề tài Kỹ thuật chuyển tiếp (Amplify and

Forward) của hệ thống truyền thông đa chặng để làm luận văn tốt nghiệp Tuy nhiên, do

giới hạn về mặt thời gian và còn hạn chế về mặt kiến thức nên phạm vi đề tài chỉ nghiên cứu

về một điểm trung chuyển cố định trong mạng truyền thông đa chặng

Phương pháp nghiên cứu của luận văn

- Khảo sát các nghiên cứu, tài liệu liên quan để thu thập thông tin về cơ sở lý thuyết liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật chuyển tiếp

- Xây dựng mô hình hệ thống hai chặng và đa chặng, đánh giá các tham số của hệ thống

Luận văn có một số đóng góp nổi bật như sau:

- Nghiên cứu về mạng truyền thông đa chặng và các phương pháp chuyển tiếp tín

hiệu tại node relay

- Xây dựng được hai mô hình: Truyền thông hai chặng và truyền thông đa chặng

- Tính toán hệ số khuếch đại trong từng mô hình và tốc độ có thể đạt được tối đa

trong mạng chuyển tiếp AF

- Thiết lập hệ thống mô phỏng và kết quả mô phỏng bằng số

Theo những phương hướng như trên, nội dung của luận văn được chia làm ba chương như sau:

Chương 1: Tổng quát về hệ thống truyền thông đa chặng Trong chương này, luận

văn đã đề cập tới một số yếu tố liên quan đến chất lượng đường truyền vô tuyến và tập trung chủ yếu vào phân tích một số mô hình truyền thông đa chặng (hai chặng, ba chặng, 4 chặng) So sánh ưu nhược điểm của phương pháp này với phương pháp truyền trực tiếp (đơn chặng)

Chương 2: Kỹ thuật chuyển tiếp của hệ thống truyền thông đa chặng Trong chương

này luận văn đã giới thiệu về kỹ thuật chuyển tiếp, các loại chuyển tiếp, yêu cầu của node trung gian trên đường truyền Trong chương này, luận văn cũng đã chủ yếu tập trung vào kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp tại node relay của hệ thống truyền thông hai chặng, đa chặng

Chương 3: Kết quả mô phỏng Trong chương này luận văn đã thiết lập hệ thống mô

phỏng (hệ thống truyền thông 2 chặng, đa chặng) Ứng với mỗi hệ thống luận văn đã đưa ra kết quả mô phỏng (bằng số) để chứng minh ưu điểm của phương pháp khuếch đại và chuyển

tiếp trong truyền thông đa chặng

CHƯƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG

TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG

1.1 Giới thiệu chương

Truyền dẫn đa chặng là một sự kết hợp của các liên kết truyền dẫn ngắn để có thể mở rộng phạm vi phủ sóng của mạng bằng cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp trung gian giữa máy phát và máy thu Việc sử dụng truyền dẫn chuyển tiếp có nhiều ưu điểm, quan trọng nhất là công suất phát yêu cầu của cả hai phía phát và thu Trong chương này, luận văn sẽ phân tích ưu và nhược điểm của mạng đa chặng so với đơn chặng và một số loại mô hình truyền dữ liệu qua một số chặng trung gian Ngoài ra, sẽ phân tích hiệu quả của công suất phát khi thay đổi số chặng truyền dẫn vô tuyến từ nguồn đến đích trong môi trường không gian tự do

1.2 Những yếu tố liên quan đến chất lượng đường truyền

Để đánh giá khả năng hoạt động của một hệ thống thông tin vô tuyến và mô tả chính xác kênh truyền không dây thì phải xác định được đặc tính môi trường truyền Sau đây là tóm tắt những yếu tố chính có liên quan đến chất lượng đường truyền

1.2.1 Hiện tượng fading

1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến fađinh đa đường

1.2.3 Xác suất thống kê fađinh

1.2.4 Nhiễu giao thoa liên ký tự (ISI)

1.2.5 Phân tập

- Phân tập thời gian

- Phân tập tần số:

- Phân tập không gian

Ngoài ba phương pháp phân tập cơ bản ở trên thì một giải pháp hiệu quả là sử dụng

kỹ thuật truyền thông đa chặng Đây là một kỹ thuật mới trong truyền thông không dây, cho phép người dùng có thể hoạt động như một trạm chuyển tiếp hỗ trợ truyền tín hiệu đến người khác Máy chuyển tiếp (máy relay) cùng với máy nguồn hợp tác truyền tín hiệu đến máy đích, tạo nên một mảng anten ảo mặc dù mỗi máy chỉ có một anten Mảng anten ảo này tương tự như mảng anten vật lý, có thể giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading vì cho

phép máy thu thu được nhiều bản sao của tín hiệu từ các đường khác nhau tương tự như khi máy có nhiều anten

1.3 Giới thiệu về phương pháp truyền thông đa chặng

Truyền thông đa chặng là một phương pháp hiệu quả để thiết lập kết nối giữa các node mạng khi mà truyền thông theo đường truyền trực tiếp là không khả thi hoặc do hiệu suất của công suất không tối ưu Trong truyền thông đa chặng, dữ liệu truyền từ nguồn tới đích tương ứng sẽ được giúp đỡ bởi một số lượng nhất định các node trung gian So với truyền thông một chặng, truyền thông đa chặng được hưởng từ độ lợi kênh truyền

Trong hệ thống này, tín hiệu từ node nguồn sẽ được truyền đến node đích thông qua một số node trung gian (relay)

Hình 1.6 Mô hình mạng truyền thông đa chặng

Một mạng truyền thông đa chặng gồm có ba thành phần cơ bản đó là:

- Trạm gốc BS (Base Station): Có khả năng trợ giúp, giao tiếp với nhiều điểm chuyển tiếp nên BS còn có tên là MR (multihop relay)

- Trạm chuyển tiếp RS (Relay Station): Nhận thông tin từ trạm gốc đưa tới và truyền tới đích SS (subscriber Station)

- Trạm đích MS (Mobile Station)

1.3.1 Mô hình hệ thống truyền trực tiếp đơn chặng

Mạng vô tuyến di động hiện tại (như GSM, CDMA, và IEEE 802.16) hoạt động theo cấu trúc liên kết điểm-đa điểm, trong đó chỉ tồn tại hai và chỉ hai loại thực thể mạng, là trạm gốc (BS) và trạm di động (MS)

Hình 1.7: Mô hình truyền thông đơn chặng

Trong mô hình truyền dẫn trực tiếp (đơn chặng), ta có công suất của máy thu trong môi trường không gian tự do như sau:

Rx P Tx

D P

1.3.2 Các loại mô hình truyền dữ liệu đa chặng

Mạng chuyển tiếp đa chặng là một sự kết hợp của các liên kết ngắn để có thể phủ sóng một khu vực rộng lớn bằng cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp trung gian giữa trạm gốc (BS) và máy thu (MS)

Hình 1.9: Mô hình truyền dẫn qua 2 chặng, 3 chặng, 4 chặng

Với mô hình mạng hai chặng thì công suất phát được mô tả bởi biểu thức sau:

SecHop Tx FirstHop Tx Hop

(1.7)khi thì

( ) (1.10)

( ) (1.11) Như vậy ta có công suất mạng của mạng hai chặng được mô tả bởi biểu thức sau:

( ) (1.12) Trong trường hợp tổng quát, khoảng cách truyền dẫn được chia thành n chặng bằng nhau, mỗi chặng có khoảng cách là Từ (1.12), ta xác định được công suất cho tuyến truyền dẫn đa chặng như sau

2

1.3.3 Đặc trưng cơ bản của phương pháp truyền đa chặng

Mạng cảm biến vô tuyến bao gồm nhiều nút trung gian, các nút trung gian này được xem là nhỏ, giá thành thấp, độ phức tạp không cao và tiêu thụ ít năng lượng Trong phần này luận văn sẽ trình bày đặc tính của nút nguồn, nút trung gian của hệ thống truyền thông

đa chặng

Hình sau là sơ đồ khối để mô tả công suất tiêu thụ của nút trung gian

Hình 1.12: Công suất tiêu thụ của nút trung gian

Mạch điện được cung cấp một công suất là Pd, công suất này bị tiêu tan một phần Pibởi tải và suy hao thuần túy trong các bộ khuếch đại Hệ số của một bộ khuếch đại là

(1.15) Trong đó là công suất tín hiệu nhận được từ kênh truyền đưa tới và hệ số khuếch đại ⁄ Chúng ta có thể ước tính công suất cung cấp là

( ) ⁄ ⁄ (1.16)

Từ đó ta thấy rằng G lớn hơn rất nhiều so với Do đó công suất tiêu thụ Pc tại nút trung gian là: (1.17)

Mức nhiễu ở máy thu

Nhiễu là thành phần không thể tránh khỏi ở hệ thống truyền thông vô tuyến Để đơn giản hóa trong luận văn này chỉ trình bày nhiễu ở một nút Sau đây là sơ đồ khối đơn giản điển hình cho một nút

Hình 1.13: Sơ đồ khối của nút chuyển tiếp trong pha đầu tiên

Đầu tiên tín hiệu cao tần nhận được từ anten được đưa vào bộ lọc và được khuếch đại bởi bộ khuếch đại tạp âm (LNA – Low Noise Amplifier) Tín hiệu sau khi khuếch đại được làm sạch và được đưa vào bộ trộn Tín hiệu sau khi trộn lại được đưa vào bộ khuếch đại trung gian (IFA – intermediate frequency amplifier)

1.4 So sánh phương pháp truyền đơn chặng với phương pháp truyền đa chặng

1.4.1 Ưu điểm của mạng đa chặng

+ Giảm công suất phát :

+ Tăng dung lượng hệ thống:

+ Dịch vụ tốc độ dữ liệu cao hơn:

+ Cân bằng lưu lượng tải:

+ Giảm hiệu ứng nút cổ chai:

+ Mở rộng vùng phủ sóng của hệ thống:

+ Cải thiện độ tin cậy định tuyến:

1.4.2 Nhược điểm của mạng đa chặng

ra các đặc trưng cơ bản của phương pháp truyền thông đa chặng và đã so sánh được phương pháp truyền thông đa chặng với phương pháp truyền trực tiếp truyền thống

Kỹ thuật truyền thông đa chặng sử dụng nút chuyển tiếp để chia đường truyền (vùng phủ sóng) ra thành nhiều chặng nhỏ Kỹ thuật này có nhiều ưu điểm như: giảm công suất phát, mở rộng vùng phủ sóng của mạng, tăng thông lượng hệ thống…Để làm rõ vấn đề này thì một trong những yêu cầu của node trung gian trên đường truyền là khuếch đại và chuyển tiếp Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật chuyển tiếp, các loại chuyển tiếp, kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp tại node trung gian trên đường truyền thì việc xây dựng mô hình truyền thông

đa chặng và tính toán các thông số là cần thiết Vấn đề này sẽ được trình bày tiếp theo trong chương II

CHƯƠNG II: KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP CỦA HỆ THỐNG

TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG

2.1 Giới thiệu chương

Thành phần quan trọng trong mạng đa chặng là nút chuyển tiếp (Relay) Để có cái nhìn tổng quát về về kỹ thuật chuyển tiếp, tạo tiền đề cho việc phân tích hoạt động của nút chuyển tiếp trong mạng đa chặng Trong chương này sẽ giới thiệu khái niệm cơ bản về nút chuyển tiếp, những phương pháp chuyển tiếp thường được sử dụng trong mạng truyền thông

đa chặng Ngoài ra, trong chương cũng sẽ phân tích một số loại chuyển tiếp và giới thiệu hai loại mô hình truyền thông hai chặng và đa chặng

2.2 Giới thiệu về kỹ thuật chuyển tiếp

Với mạng truyền thông, việc tăng cường dung lượng, mở rộng phạm vi phủ sóng và giảm chi phí vận hành là mục tiêu của các nhà quản lý mạng viễn thông Một số kỹ thuật để nâng cao dung lượng và mở rộng phạm vi phủ sóng đã được giới thiệu như giải pháp đa anten, truyền dẫn đa điểm phối hợp Kỹ thuật chuyển tiếp được giới thiệu là một công nghệ tiên tiến đáp ứng và thỏa mãn được những yêu cầu này.

MS

Direct link

2.3 Các loại chuyển tiếp

Có hai loại chuyển tiếp được định nghĩa trong tiêu chuẩn 3GPP LTE-Advanced là chuyển tiếp loại 1 (Type-I) và loại 2 (Type-II) Trong WiMAX, hai loại này được gọi tương ứng là chuyển tiếp không trong suốt (Non Transparent Mode) và chuyển tiếp trong suốt (Transparent Mode)

Hình 2.1 Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp

Hình 2.4: Phương pháp chuyển tiếp Amplify and Forward

Kỹ thuật này được sử dụng trong trường hợp thời gian tính toán hoặc công suất vốn

có của trạm chuyển tiếp bị giới hạn, hay có thời gian trì hoãn Trạm chuyển tiếp nhận được tín hiệu đã bị suy hao và cần phải khuếch đại lên trước khi truyền tiếp

2.4.2 Giải mã và truyền DF (Decode and Forward)- Regenerative Relay

Hình 2.5: Phương pháp chuyển tiếp Decode and Forward

Phương pháp này dùng trong việc truyền tín hiệu số Tín hiệu nhận được đầu tiên được giải mã và sau đó mã hóa, vì vậy nhiễu không được khuếch đại trong tín hiệu nhận được (có tái tạo lại tín hiệu: transparent mode)

2.4.3 Giải mã, khuếch đại và truyền (Decode, Amplify and Forward)

Đầu tiên, nút chuyển tiếp sẽ giải mã tín hiệu nhận được từ node nguồn sau đó mã hóa lại rồi mới thực hiện khuếch đại và truyền đến đích Phương pháp này đơn giản và độ trễ xử

lý thấp, nhưng không thể tránh được lỗi lan truyền Mặt khác tín hiệu được ước tính và truyền tới đích

Hình 2.6: Phương pháp Decode, Amplify and Forward

2.5 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF của hệ thống truyền thông hai chặng

Chuyển tiếp trong hệ thống không tái sinh lại được phân ra làm 2 loại là chuyển tiếp

hỗ trợ thông tin trạng thái kênh (CSI) và chuyển tiếp mờ (blind relay) Hệ thống không tái sinh với chuyển tiếp hỗ trợ thông tin trạng thái kênh sử dụng CSI tức thời của chặng đầu tiên để kiểm soát độ lợi được đưa ra bởi nút chuyển tiếp và khôi phục công suất truyền lại của tín hiệu Ngược lại, các hệ thống với chuyển tiếp mờ không cần CSI tức thời, nhưng sử dụng bộ khuếch đại với độ lợi cố định và do đó tín hiệu có công suất thay đổi ở ngõ ra của

nút chuyển tiếp Hệ thống với các loại chuyển tiếp mờ như vậy có thể không vận hành tốt bằng các hệ thống được trang bị chuyển tiếp hỗ trợ CSI, nhưng độ phức tạp thấp và dễ dàng triển khai khiến chúng trở nên hấp dẫn hơn từ góc nhìn thực tế

2.5.1 Hệ thống hai chặng không hợp tác với nút chuyển tiếp cố định

Trong đó: n1 là nhiễu AGWN với công suất N01 ở đẩu ra của relay

là biên độ fading của kênh truyền từ node nguồn tới node relay, và tuân theo hàm mật độ xác suất như sau:

( ) ( ) (2.2) Với ̅̅̅ là công suất fading trung bình ở chặng thứ i và là nhiễu AWGN với mật độ phổ công suất N01 Tín hiệu nhận được tại node relay sau đó được khuếch đại rồi truyền tới node đích Tín hiệu nhận được tại node đích được biểu diễn như sau:

( ) (2.3) Trong đó là biên độ fading của kênh giữa node relay với node đích và là nhiễu AWGN với hàm mật độ phổ công suất N02 ở đầu vào node đích Từ biểu thức (2.3) ta được biểu thức tức thời SNR ở node đích như sau: