Nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa công suất phát cho hệ thống truyền thông mimo hợp tác

Đề tài giải quyết vấn đề tối ưu công suất cho hệ hợp tác nhằm phân bố công suất hợp lý giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp khi vị trí của nút chuyển tiếp thay đổi trong quá trình hỗ trợ tr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-o0o - NGUYỄN TIẾN TÙNG

NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT PHÁT CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG MIMO HỢP TÁC

Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và điện tử (hướng kỹ thuật)

Mã số: 60 44 03 2

LUẬN VĂN THẠC SĨ:

VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ (HƯỚNG KỸ THUẬT)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS BÙI HỮU PHÚ

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2010

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi chân thành cảm ơn TS Bùi Hữu Phú người đã trực tiếp hướng dẫn

và tận tình hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài Thầy không chỉ giảng dạy cho tôi rất nhiều kiến thức về lĩnh vực truyền thông vô tuyến mà còn định hướng những bước nghiên cứu trong lĩnh vực này Bản luận văn sẽ không hoàn thành nếu không có sự hỗ trợ, động viên và khích lệ của thầy

Tôi cũng cảm ơn sâu sắc tới những đồng nghiệp trong phòng Kỹ thuật và Ban Giám Đốc Đài PT-TH Đồng Nai đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học Bên cạnh đó, gia đình là nguồn động lực lớn nhất giúp tôi vượt qua những trở ngại trong quá trình học tập, nhất là người vợ yêu dấu đã luôn sát cánh bên tôi, tạo mọi điều kiện thuận lợi cả vật chất lẫn tinh thần để tôi hoàn thành luận văn thạc sỹ Tôi cũng cảm ơn Chung, Lộc,Vinh, những người bạn đã cùng tôi chia sẻ, trao đổi kiến thức, kinh nghiệm sử dụng ngôn ngữ Matlab và những vấn đề liên quan tới luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quý thầy cô trong Khoa Điện tử -Viễn Thông của trường Đại học Khoa học tự nhiên TP.HCM đã hỗ trợ tôi thực hiện đề tài này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, tháng 04 năm 2010

Nguyễn Tiến Tùng

Khái niệm hợp tác trong truyền thông đã thu hút được nhiều sự nghiên cứu trong những năm gần đây vì nó có khả năng tăng cường hiệu quả trong mạng vô tuyến Đây là một hình thức mới trong truyền thông cho phép người dùng (thiết bị đầu cuối) có thể hoạt động như trạm chuyển tiếp và hỗ trợ truyền thông tới người khác (thiết bị đầu cuối khác) Mục tiêu của đề tài này là thiết kế và nghiên cứu việc tối

ưu công suất cho mô hình mạng không dây có nút chuyển tiếp thực hiện hợp tác truyền thông Đề tài khảo sát hoạt động của hệ hợp tác có một nút chuyển tiếp và nút đích có nhiều anten thu, khảo sát hệ hợp tác nhiều nút hợp tác, nút đích có một anten thu Hệ hợp tác hoạt động phụ thuộc vào sự thay đổi khoảng cách giữa nút chuyển tiếp và nút nguồn vì nút chuyển tiếp muốn hỗ trợ tốt cho nút nguồn phải nằm trong khu vực mà ở đó tín hiệu truyền hợp tác từ nút nguồn tới nút chuyển tiếp còn đủ tin cậy Đề tài giải quyết vấn đề tối ưu công suất cho hệ hợp tác nhằm phân

bố công suất hợp lý giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp khi vị trí của nút chuyển tiếp thay đổi trong quá trình hỗ trợ truyền thông để vừa hiệu quả về truyền tín hiệu vừa không tiêu tốn công suất của hệ.Đề tài đã chứng tỏ được hệ hợp tác hoạt động tốt hơn khi chưa hợp tác, tín hiệu nhận được tin cậy hơn, đề xuất vị trí đặt nút chuyển tiếp để hệ hợp tác hoạt động hiệu quả nhất Hệ hợp tác ngoài việc mở rộng được không gian quảng bá còn tiết kiệm được công suất, đặc biệt trong trường hợp công suất được tối ưu

ABSTRACT

The concept of cooperation in communications has drawn a lot of reseach attention in recent years due to its potiential to improve the efficiency of wireless networks This new form of communications allows some users (terminals) to act as relays and assist the transmission of other users’ (terminals’) information signals The aim of this thesis is to design and research optimal power allocation multi-relay wireless networks model employing cooperative communications The thesis has demonstrated that cooperative communications systems

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa

Lời cảm ơn

Tóm tắt luận văn

Mục lục

Danh mục hình ảnh trong luận văn

Danh mục các bảng trong luận văn

Danh mục những từ viết tắt

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1

1.1 Dẫn nhập và đặt vấn đề của luận văn 1

1.2 Sơ lược tình hình nghiên cứu hệ hợp tác truyền thông 2

1.3 Giải pháp đề nghị của đề tài 2

1.4 Cách trình bày luận văn 3

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN 4

2.1 Nhiễu Gauss trắng cộng sinh (AWGN) 4

2.2 Hiệu ứng truyền phạm vi rộng (large-scale propagation effect) 4

2.3 Hiệu ứng truyền phạm vi hẹp (Small-scale propagation effects) 5

2.4 Những mô hình có môi trường tán xạ đều 7

2.5 Những mô hình hệ số kênh khác 10

CHƯƠNG III: TỔNG QUAN HỢP TÁC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN 13

3.1 Phân loại sự hợp tác truyền thông 13

3.2 Mô hình hệ thống 14

3.3 Giao thức truyền 17

3.3.1 Khuyếch đại và truyền 17

3.3.2 Giải mã và truyền (DAF) 20

3.3.3 Những giao thức hợp tác khác 22

CHƯƠNG IV: TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO HỆ HỢP TÁC TRUYỀN THÔNG 28 4.1 Xây dựng lý thuyết tối ưu công suất cho hệ thống AAF có một nút chuyển tiếp28

4.2 Ví dụ mô phỏng 29

4.3 Giao thức AAF có nhiều nút chuyển tiếp 34

4.3.1 Mô hình hệ hợp tác có nhiều nút chuyển tiếp 34

4.3.2 Tối ưu công suất cho hệ hợp tác nhiều nút chuyển tiếp 36

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 38

5.1 Hệ hợp tác sử dụng nút chuyển tiếp 38

5.1.1 Mô hình kênh truyền 40

5.1.2 Tối ưu công suất cho hệ thống hợp tác 43

5.2 Chương trình mô phỏng 44

5.2.1 Mô phỏng sự ảnh hưởng của hiện tượng fading lên kênh truyền 46

5.2.2 Đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống khi thay đổi vị trí của nút chuyển tiếp 47

5.2.3 Đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống khi thay đổi công suất của hệ thống 55

5.2.4 Hệ thống hợp tác với nút đích có nhiều anten thu 56

5.2.5 Hệ hợp tác có nhiều nút chuyển tiếp 66

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77

6.1 Kết luận 77

6.2 Hướng phát triển 78 Tài liệu tham khảo

DANH MỤC HÌNH ẢNH TRONG LUẬN VĂN

Hình 2.1 Môi trường tán xạ đều 7

Hình 2.2 Những hàm mật độ xác suất khác nhau sử dụng mô hình fading ngẫu nhiên 11

Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống mạng vô tuyến với bốn thiết bị đầu cuối 14

Hình 3.2 Truyền thông hợp tác với hai nút hợp tác truyền và một nút nhận 14

Hình 3.3 Những cấu hình chuyển tiếp khác nhau trong mạng vô tuyến 16

Hình 3.4 Mô tả hoạt động của trạm chuyển tiếp trong giao thức AAF 17

Hình 3.5 a) Một hình thức hợp tác trong thực tế; b) Mô hình AAF có một nút chuyển tiếp 18

Hình 3.6 Mô tả hoạt động của trạm chuyển tiếp trong giao thức DAF 21

Hình 3.7 Ví dụ giao thức CAF 23

Hình 4.1 Hệ thống AAF hoạt động với điều chế BPSK: tối ưu công suất và chia đều công suất cho nút nguồn và nút chuyển tiếp (a) 2 1 ,r = δ , 2 1 ,d = r δ , (b) 2 1 ,r = δ và 2 10 ,d = r δ 31

Hình 4.2 Hệ thống AAF hoạt động với điều chế QPSK: tối ưu công suất và chia đều công suất cho nút nguồn và nút chuyển tiếp (a) 2 1 ,r = δ , 2 1 ,d = r δ , (b) 2 1 ,r = δ và 2 10 ,d = r δ 32

Hình 4.3 Mô hình hệ thống AAF có nhiều nút chuyển tiếp 34

Hình 5.1 a) Điều chế BPSK; b) Điều chế QPSK 38

Hình 5.2 a) Một số hình thức hợp tác trong thực tế; b) Mô hình AAF chỉ có một nút chuyển tiếp 39

Hình 5.3 Lưu đồ thuật giải tổng quát cho chương trình mô phỏng 43

Hình 5.4 Giao diện chương trình mô phỏng sự hợp tác trong truyền thông 45

Hình 5.5 Giao diện kiểm tra sự thay đổi công suất, khoảng cách 45

Hình 5.6 So sánh sự ảnh hưởng của hiện tượng fading và không fading lên kênh truyền điều chế BPSK 47

Hình 5.7 Kết quả mô phỏng khi vị trí của nút chuyển tiếp thay đổi: 0.25, 0.5, 0.75 với công suất phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp; a) BPSK; b) QPSK 48 Hình 5.8 Kết quả mô phỏng khi vị trí của nút chuyển tiếp thay đổi với công suất được tối ưu cho nút nguồn và nút chuyển tiếp: 0.25, 0.5, 0.75; a) BPSK; b) QPSK.50 Hình 5.9 Công suất phát của nguồn và nút chuyển tiếp thay đổi theo khoảng cách trong trường hợp tối ưu công suất tại SNR = 10 dB, P = 1 W, điều chế BPSK 52 Hình 5.10 Sự thay đổi BER tại SNR = 10dB khi thay đổi khoảng cách nút chuyển tiếp từ gần nút nguồn (d = 0.25) đến xa nút nguồn (d = 0.75), điều chế QPSK 53 Hình 5.11 Hệ thống hợp tác điều chế QPSK với a) Công suất P = 1 W; b) công suất

P = 2 W 55 Hình 5.12 Sự thay đổi của SER tại SNR = 10 dB khi công suất hệ hợp tác thay đổi

từ 1W đến 8W 56 Hình 5.13 Mô hình hệ hợp tác nút đích có hai anten thu 56 Hình 5.14 Hệ hợp tác điều chế BPSK, nút đích có hai anten thu, nút chuyển tiếp đặt

ở giữa nút nguồn và nút đích (d = 0.5); a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 57 Hình 5.15 Hệ hợp tác điều chế BPSK, nút đích có hai anten, nút chuyển tiếp ở gần nút nguồn d = 0.25; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 58 Hình 5.16 Hệ hợp tác điều chế BPSK, nút đích có hai anten, nút chuyển tiếp ở xa nút nguồn d = 0.75; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 59 Hình 5.17 Sự ảnh hưởng của khoảng cách lên hệ hợp tác có hai anten tại SNR = 10dB, công suất phát được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp 60 Hình 5.18 Sự ảnh hưởng của khoảng cách lên hệ hợp tác có hai anten tại SNR = 10

dB, công suất phát được tối ưu 61 Hình 5.19 Hệ hợp tác điều chế BPSK, nút đích có bốn anten, nút chuyển tiếp ở gần nút nguồn d = 0.25 a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 62

Hình 5.20 Hệ hợp tác điều chế BPSK, nút đích có bốn anten,nút chuyển tiếp ở giữa nút nguồn và nút đích d = 0.5; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 63 Hình 5.21 Hệ hợp tác điều chế BPSK, nút đích có bốn anten, nút chuyển tiếp ở xa nút nguồn d = 0.75; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 64 Hình 5.22 Sự ảnh hưởng của khoảng cách lên hệ hợp tác có bốn anten tại SNR = 10 dB; a) Công suất phát được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp; b) Công suất phát được tối ưu 65 Hình 5.23 Mô hình hệ hợp tác có nhiều nút chuyển tiếp 66 Hình 5.24 Hoạt động của hệ hợp tác khi có hai nút chuyển tiếp ở gần nút nguồn d = 0.25; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và hai nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 67 Hình 5.25 Hoạt động của hệ hợp tác khi có hai nút chuyển tiếp ở giữa nút nguồn và nút đích d = 0.5; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và hai nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 68 Hình 5.26 Hoạt động của hệ hợp tác khi có hai nút chuyển tiếp ở xa nút nguồn và nút đích d = 0.75; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và hai nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 69 Hình 5.27 So sánh BER của hệ hợp tác có hai nút chuyển tiếp khi thay đổi vị trí hai nút chuyển tiếp từ d = 0.25, d = 0.5 đến d = 0.75; a) Công suất phân bố đều cho nút nguồn và các nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 70 Hình 5.28 Hoạt động của hệ hợp tác khi có ba nút chuyển tiếp ở gần nút nguồn d = 0.25; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và hai nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 73 Hình 5.29 Hoạt động của hệ hợp tác khi có ba nút chuyển tiếp ở cách nút nguồn d = 0.5; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và hai nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 74

Hình 5.30 Hoạt động của hệ hợp tác khi có ba nút chuyển tiếp ở cách nút nguồn d = 0.75; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và hai nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 75

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN

Bảng 5.1 So sánh SNR của hệ không hợp tác và hệ hợp tác khi nút chuyển tiếp thay đổi vị trí để mục tiêu đạt BER = 10-2 , tín hiệu được điều chế BPSK, công suất phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp 49 Bảng 5.2 So sánh SNR của hệ không hợp tác và hệ hợp tác khi nút chuyển tiếp thay đổi vị trí để mục tiêu đạt BER = 10-2, tín hiệu được điều chế QPSK, công suất phân

bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp 49 Bảng 5.3: Tối ưu công suất cho nút nguồn và nút chuyển tiếp trong trường hợp điều chế BPSK 51 Bảng 5.4 Tối ưu công suất cho nút nguồn và nút chuyển tiếp trong trường hợp điều chế QPSK 51 Bảng 5.5 So sánh SNR của hệ không hợp tác và hệ hợp tác khi nút chuyển tiếp thay đổi vị trí để mục tiêu đạt BER = 10-2, tín hiệu được điều chế BPSK, công suất được tối ưu 51 Bảng 5.6 So sánh SNR của hệ không hợp tác và hệ hợp tác khi nút chuyển tiếp thay đổi vị trí để mục tiêu đạt BER = 10-2, tín hiệu được điều chế BPSK, công suất được tối ưu 51 Bảng 5.7 So sánh giá trị SNR khi hệ sử dụng hai anten thu tại nút đích, mục tiêu đạt được BER = 10-3 60 Bảng 5.8 Các thông số SNR và công suất của hệ hợp tác có một nút chuyển tiếp trong trường hợp công suất được chia đều cho nút nguồn và các nút chuyển tiếp khi đạt được BER = 10-3 71

Bảng 5.9 Các thông số SNR và công suất của hệ hợp tác có hai nút chuyển tiếp trong trường hợp công suất được chia đều cho nút nguồn và các nút chuyển tiếp khi đạt được BER = 10-3 71 Bảng 5.10 Các thông số SNR và công suất của hệ hợp tác có một nút chuyển tiếp được tối ưu khi đạt được BER = 10-3 71 Bảng 5.11 Các thông số SNR và công suất của hệ hợp tác có hai nút chuyển tiếp được tối ưu khi đạt được BER = 10-3 72 Bảng 5.12 Thông số SNR và công suất của hệ hợp tác có ba nút chuyển tiếp khi đạt được BER = 10-3 76

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

3G Third Generation

AAF Amplify – and – Forward

AWGN Additive white Gaussian noise

BPSK Binary Phase – Shift Key

BER Bit Error Rate

CAF Compress – And – Forward

Cdf Cumulative distribution function

CRC Code r code

DAF Decode – And – Forward

dB Decibel

EGC Equal Gain Combining

FEC Forward Error Correction

LOS Line – Of – Sight

Pdf Probability density function

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

MMSE Minimum Mean-Square Error

SER Symbol Error Rate

STBC Space-Time Block Code

TCP Transmission Control Protocol

WCDMA Wireless Code Division Multiple Access WLAN Wireless Local Access Network

1.1 Dẫn nhập và đặt vấn đề của luận văn

Cuộc cách mạng công nghệ truyền thông vô tuyến đã diễn ra được hai thập niên với mỗi thế hệ của những thiết bị di động đã cải thiện đáng kể về mức độ tin cậy, tốc độ truyền dữ liệu, kích cỡ và tuổi thọ của nguồn pin cũng như sự kết nối mạng

Những năm gần đây, những mạng cảm biến (sensor) và phi thể thức (ad-hoc) nổi

lên với nhiều ứng dụng, thông qua những mạng này thông tin không hoàn toàn dựa vào trạm hoặt nút mạng trung tâm mà có sự hỗ trợ của những nút mạng khác nhằm truyền thông tin hiệu quả hơn đến những nút mạng yêu cầu, khác với những hệ thống truyền thông cổ điển điểm nối điểm với sự điều khiển của trạm trung tâm Mức độ cần thiết trong sự hợp tác giữa những nút mạng và người sử dụng đã thôi thúc những ý tưởng mới nhằm thiết kế những hệ thống mạng và truyền thông trong

đó những nút thông tin có thể trợ giúp nhau để tăng hiệu quả truyền thông tin, vấn

đề đặt ra là liệu sự hợp tác đó có cải thiện sự hoạt động của hệ thống hay không? Chúng ta phải trả lời được điều gì và hoạt động như thế nào mới tăng cường được

sự hoạt động của mạng cũng như những hệ thống truyền thông đó

Từ ý tưởng mới mẻ về kỹ thuật hợp tác trong truyền thông, nhiều nghiên cứu về các mô hình, giao thức hoạt động của hệ hợp tác được tìm thấy trong[14],[16],[17]

đã thu được những kết quả khả quan Vấn đề đặt ra, những thiết bị hay người dùng không thể truyền tín hiệu đến một thiết bị hoặc người dùng khác do nhiều nguyên nhân như hiện tượng fading, môi trường có nhiều vật cản, hoặc ở quá xa, do đó cần thiết phải có những người dùng khác hỗ trợ quá trình truyền tín hiệu Một trong những phương thức hỗ trợ truyền tín hiệu đang được nghiên cứu là xây dựng một hệ hợp tác có nút chuyển tiếp

1.2 Sơ lược tình hình nghiên cứu hệ hợp tác truyền thông

Đòi hỏi tìm ra những ý tưởng mới và thách thức kỹ thuật về thực hiện hệ hợp tác giữa những người dùng hay hệ chuyển tiếp thực sự bắt đầu từ những năm 80 của thế

cứu giao thức chuyển tiếp trong mạng có ảnh hưởng của hiện tượng fading do Laneman, Nabar đề xuất năm 2004 Những lý thuyết mới và kết quả về điều khiên công suất được khám phá bởi Wang năm 2005 Những hệ hợp tác nhiều nút nguồn , nhiều nút chuyển tiếp, nhiều nút đích được nhiều người nghiên cứu như Gupta và Kumar năm 2003, Kramer năm 2005 Những nhà nghiên cứu nhận ra hệ chuyển tiếp

có thể mô phỏng theo hệ đa anten tương đương hệ MIMO cho những thiết bị hay người dùng không có khả năng lắp đặt nhiều anten

1.3 Giải pháp đề nghị của đề tài

Đề tài thực hiện mô phỏng hệ truyền thông hợp tác gồm nhiều nút chuyển tiếp

hỗ trợ nút nguồn truyền tín hiệu, đồng thời giải quyết vấn đề tối ưu công suất cho hệ

Vì vị trí của nút chuyển tiếp quyết định đến chất lượng truyền tín hiệu nên đề tài khảo sát tác động của vị trí nút chuyển tiếp lên hoạt động của hệ và tính toán phân

bố công suất cho nút nguồn và nút chuyển tiếp sao cho hệ đạt hiệu quả truyền tín hiệu nhất Đồng thời đề tài mô phỏng hệ hợp tác mà nút đích có nhiều anten thu, tức

là ngoài việc tăng cường khả năng hoạt động của hệ không chỉ cần đến những nút chuyển tiếp còn có thể lắp đặt thêm anten tại phía thu Tuy nhiên, hệ hợp tác dùng nhiều nút chuyển tiếp lại hữu ích khi tại nút đích không có khả năng lắp đặt thêm anten thu

1.4 Cách trình bày luận văn

Luận văn gồm 6 chương; các chương cụ thể trình bày các nội dung sau:

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN

Trình bày những đặc trưng cơ bản của mạng, những yếu tố ảnh hưởng tới quá trình truyền tín hiệu vô tuyến như nhiễu Gauss, hiện tượng fading, hiện tượng suy hao theo khoảng cách

CHƯƠNG IV: TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO HỆ HỢP TÁC TRUYỀN THÔNG Trình bày phương pháp tối ưu công suất cho hệ hợp tác truyền thông, giải quyết vấn đề phân bố công suất cho nút nguồn và nút chuyển tiếp sao cho vừa truyền thông tín hiệu quả vừa tiết kiệm được công suất thay vì phân bố công suất đều cho các nút

CHƯƠNG V:KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Trình bày kết quả mô phỏng, nhận xét sau khi áp dụng những lý thuyết từ các chương III và chương IV

CHƯƠNG VI:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Đưa ra những kết luận sau cùng và vạch ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài

CHƯƠNG II:

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN

Truyền thông tin thông qua một kênh vô tuyến là một nhiệm vụ đầy thách thức bởi vì môi trường truyền gây ra hiện tượng suy giảm tín hiệu Tín hiệu vô tuyến truyền bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như: nhiễu, suy hao trên đường truyền, méo dạng và hiện tượng giao thoa tín hiệu Sau đây là tóm tắt những nguyên nhân chính gây ra hiện tượng suy giảm tín hiệu [2], [6]:

2.1 Nhiễu Gauss trắng cộng sinh (AWGN)

Một số hiện tượng suy giảm được gây ra bởi tự nhiên cộng thêm nhiễu ảnh hưởng tới tín hiệu truyền Nhiễu trắng cộng sinh (AWGN) và những hiện tượng nhiễu khác trong tự nhiên là những ví dụ Kênh nhiễu trắng cộng sinh là mô hình đơn giản nhất để mô tả những kênh truyền Mối quan hệ giữa lối ra y (t) và lối vào tín hiệu x (t) được biểu diễn như sau:

y(t) =x(t) / Γ +n(t) (2.1)

với Γ là công suất mất đi khi truyền tín hiệu x (t) và n (t) là nhiễu

Nhiễu cộng sinh n (t) là ngẫu nhiên tùy thuộc từng mô hình với biến ngẫu nhiên của hàm phân bố Gauss Nhiễu này thường được xem là nhiễu nền trong kênh truyền cũng như nhiễu trước khi tới đầu thu Tương tự, nhiễu Gauss cộng sinh

thường được sử dụng trong một số mô hình có nhiễu nội sinh (inter-interference)

2.2 Hiệu ứng truyền phạm vi rộng (large-scale propagation effect)

Hiện tượng suy hao trên kênh truyền (path loss) là một hiện tượng gây suy yếu tín hiệu do sự giảm sút công suất trên kênh truyền khi tín hiệu truyền từ đầu phát tới đầu thu Hiện tượng mất mát công suất trên kênh truyền được đo bằng đơn vị dB của tỉ số giữa công suất phát trên công suất thu tín hiệu Giá trị này phụ thuộc vào

nhiều nhân tố liên quan đến toàn bộ hệ thống truyền dẫn Nói chung, mất mát công suất trên kênh truyền được đặc trưng bởi một hàm có dạng như sau:

ΓdB =10υlog(d/d0)+c (2.2)

với ΓdB là công suất mất mát trên kênh truyền đo bằng dB, d là khoảng cách giữa đầu phát và đầu thu, υ là số mũ kênh truyền, c là một hằng số, và d0là khoảng tới

điểm được đo công suất (đôi khi nó được để trong hằng số c) Số mũ υ thể hiện tốc

độ suy giảm công suất tín hiệu theo khoảng cách, giá trị của nó từ 2 (tương ứng với trường hợp tín hiệu truyền trong không gian tự do) đến 6 Giá trị 4 cho môi trường

truyền trong vùng đô thị lớn và 3 cho vùng đô thị nhỏ Hằng số c là tham số phụ

thuộc vào hạ tầng vật lý truyền dẫn cũng như bước sóng, độ cao của anten…

Phương trình (2.2) chỉ ra mối tương quan giữa hiện tượng mất mát công suất trên kênh truyền và khoảng cách giữa đầu phát và anten đầu thu Trên thực tế, hiện tượng mất mát công suất giữa hai đầu thu không bằng nhau mặc dù khoảng cách giữa chúng với đầu phát là như nhau Điều này là do tín hiệu truyền bị cản bởi nhiều vật thể khác nhau trước khi nó tới đầu thu Do đó, hiện tượng suy giảm này được gọi là mất mát do vùng tối (shadow loss) hoặc shadow fading Vì vị trí của những đối tượng cản trở không thể biết được, nên mất mát trên kênh truyền phải là một biến ngẫu nhiên

2 3 Hiệu ứng truyền phạm vi hẹp (Small-scale propagation effects)

Trong truyền thông vô tuyến, một tín hiệu đơn lẻ gặp phải những vật gây phản xạ, khúc xạ và suy giảm trong suốt quá trình truyền nên bị chia thành nhiều đường tín hiệu khác nhau và cùng tới đầu thu Một kênh mà tại đầu thu nhận được nhiều đường tín hiệu từ một tín hiệu truyền đi được biết như là một kênh đa đường Một vài nhân tố ảnh hưởng tới hoạt động của kênh đa đường, thường đề cập tới là sự có mặt ngẫu nhiên của các vật phản xạ, khúc xạ và gây suy giảm Thêm nữa tốc độ di chuyển của thiết bị đầu cuối, tốc độ của các đối tượng xung quanh và băng thông truyền tín hiệu là những nhân tố khác ảnh hưởng tới hoạt động của kênh Ngoài ra,

sự di chuyển của đầu phát, đầu thu hoặc các đối tượng xung quanh khiến kênh đa

đường thay đổi theo thời gian Những bản sao của tín hiệu truyền, mỗi tín hiệu đó

có độ lớn, phase, độ trì hoãn khác nhau được đưa thêm vào đầu thu gây ra tình trạng tăng cường (nếu cùng pha) hoặc suy giảm nhiễu lẫn nhau Kết quả này trong tín hiệu nhận được có biên dạng thay đổi theo thời gian Do đó, nếu biểu diễn tín hiệu được truyền bằng x (t) và tín hiệu nhận được bằng y (t), chúng ta có thể viết như sau:

t y

1

)) ( ( ) ( )

( τ (2.3) với h i (t) là độ suy giảm của đường thứ i tại thời điểm t, τi (t) tương ứng với

đường trì hoãn và L là số đường mà đầu thu có thể nhận được Trong mối liên hệ này giả sử rằng kênh truyền là tuyến tính, đáp ứng kênh tại thời điểm t là một xung

gửi ngay tại thời điểm τ , h(t,τ) Từ (2.3), đáp ứng xung này có thể được viết như sau:

t h

1

)) ( ( ) ( )

, ( τ δ τ (2.4) Nếu muốn an toàn thì giả sử kênh truyền không thay đổi theo thời gian, tín hiệu nhận được có thể đơn giản như sau:

y

1

) ( )

h

1

) ( )

( δ τ (2.5) Trong nhiều trường hợp để thuận lợi thì xem kênh truyền là mô hình tương

đương tín hiệu rời rạc trong băng cơ bản (the discrete-time baseband-equivalent model), mối liên hệ giữa đầu vào – đầu ra suy từ (2.3) với m mẫu có thể được viết

k m x m k h

m

y[ ] [ ] [ ] (2.6) với h k [m] biểu diễn hệ số kênh

Mối liên hệ này cho thấy có một mẫu hoạt động tại đầu thu và tất cả các tín hiệu được xem như nằm trong mô hình tương đương băng cơ bản Sự chuyển đổi một mô hình rời rạc thời gian bằng cách kết hợp tất cả những đường truyền với thời gian đến trong một chu kỳ lấy mẫu thành một kênh đơn lẻ với hệ số đáp ứng kênh h k [m]

Vì tính tự nhiên của mỗi đường, chiều dài của nó và sự hiện diện của các bộ phản

xạ, bộ tán xạ và bộ gây suy giảm tất cả đều ngẫu nhiên, hệ số kênh truyền h kcủa kênh truyền cố định theo thời gian là những biến ngẫu nhiên Nếu như thêm vào trường hợp kênh truyền thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, ngay sau đó những hệ

số kênh truyền h k [m] thì xử lý ngẫu nhiên Hiện tượng mà những hàm phụ thuộc vào những hệ số là những hàm ngẫu nhiên

2.4 Những mô hình có môi trường tán xạ đều

Hình 2.1: Môi trường tán xạ đều

Như đã đề cập ở trên, những hệ số kênh là những biến ngẫu nhiên giá trị phức Một trong những mô hình chung nhất cho những hệ số kênh ngẫu nhiên là dựa vào môi trường được biết đến như là môi trường tán xạ đều Từ khi mô hình này được giới thiệu bởi R.H.Clarke và sau đó được phát triển bởi W.C.Jakes, mô hình

cũng được biết đến như là mô hình Clarke và mô hình Jakes Trong mô hình này, giả sử một dạng sóng đến đầu thu bị tán xạ rất nhiều sau khi gặp vật tán xạ Những sóng tán này giả sử đặt ngẫu nhiên trong một vòng tròn có đầu thu nằm ở trung tâm (xem hình 2.1) Trong môi trường này, giả sử rằng không có tín hiệu trên đường truyền thẳng (line - of - sight), dạng sóng nhận được tạo thành do sự chồng chập của nhiều dạng sóng tới từ góc khác nhau của vật tán xạ được phân bố đều từ 0 đến 2π Trước hết chúng biểu diễn tín hiệu được truyền ở dạng băng cơ bản phức s (t) :

{ j c t}

e t x t

với f c là tần số sóng mang

Mở rộng biểu thức này, chúng ta được:

)2sin(

)}

({)2cos(

)}

({)

= s I(t) cos( 2πf c t) +s Q(t) sin( 2πf c t)

với s I (t)và s Q (t) là những thành phần đồng pha và vuông pha của s(t)

Khi tín hiệu này được truyền đi qua một kênh với đáp ứng xung băng cơ bản h(t),

kết quả tín hiệu nhận được là:

})(

*)({)

e t h t x t

Nếu kênh có L đường, với đường thứ n có độ lớn hn(t), trì hoãn một khoảng thời

gian τn (t)và dịch pha Doppler ϕ (vì có sự chuyển động của đầu thu khi nhận mỗi ntín hiệu sóng), tín hiệu nhận được có thể viết như sau:

}))

((

)({)( [ 2 ( ( )) ]

1

n n

f j n L

n

n t x t t e h

t

=

−ℜ

= ∑

Giả sử tín hiệu nhận được là tone đơn cùng tần số sóng mang, tín hiệu nhận được

sẽ là:

} ] )

( [ { )

1

) ) 2

L n

t f j n

c n n

e t h t

c L

n n

I t h t f t

=

(2.8)

) ( 2 sin(

) ( )

(

1

n n

c L

n n

Q t h t f t

=

(2.9)

Kết quả này chỉ ra rằng cả thành phần đồng pha và vuông pha của tín hiệu nhận

được đều có sự chồng chập bởi nhiều bản sao của tín hiệu đến với biên độ và pha

thay đổi phụ thuộc tính chất của mỗi đường

Kế tiếp, chúng ta giả sử rằng tất cả những tín hiệu nhận được đến cùng một biên

độ Vì trong môi trường tán xạ đều, không có đường truyền trực tiếp LOS, mỗi tín

hiệu đến tại đầu thu sẽ có sự suy giảm như nhau Hơn nữa, trong môi trường tán xạ

đều, cũng có lý do để giả sử rằng số lượng đường truyền L là rất lớn Mỗi hệ số có

thể được mô phỏng như một biến Gauss phức ngẫu nhiên với giá trị trung bình là 0

và phương sai δ2 Chúng ta biểu diễn sự quan sát này như sau:

),0(

~),,0(

~N δ2 y N δ2

Chúng ta viết hệ số thành h=h I + jh Q (h I và h Q biểu diễn thành phần đồng pha

và vuông pha) chúng ta muốn tìm pdf của những biến ngẫu nhiên r và θ , đạt được

thông qua biến đổi:

2 2,

Q

I h h

,cos

r h

r h

, 0 , 2

) ,

2

2 2

πθπδ

r e

r r

Chúng ta có thể đọc dễ dàng hơn với việc chuyển đổi nhỏ sang hàm pdf

0,)

,()

0

2

2 2

θ π

πθ

2

1)

,()(

Kết quả này chỉ ra rằng độ lớn của những hệ số kênh là một biến ngẫu nhiên với phân bố Rayleigh và pha cũng là biến ngẫu nhiên với phân bố đều từ 0 đến 2π Bởi

vì độ lớn của những hệ số kênh là phân bố Rayleigh, mô hình này thường được gọi

là mô hình fading Rayleigh

2.5 Những mô hình hệ số kênh khác

Mô hình fading Rayleigh không chỉ là mô hình duy nhất cho các hệ số kênh Thực tế, chúng ta sử dụng fading Rayleigh cho môi trường tán xạ đều từ biểu thức (2.7) – biểu thức (2.9), giả sử rằng tất cả những tín hiệu nhận được có cùng độ lớn

vì không có đường truyền thẳng (LOS) và môi trường hình học đối xứng Khi có một đường truyền thẳng thì nó không thể dài hơn dù cho cả thành phần đồng pha và vuông pha xấp xỉ như là một biến ngẫu nhiên Gauss có trung bình bằng 0 Bây giờ, hai thành phần là những biến ngẫu nhiên Gauss nhưng một thành phần có giá trị trung bình A, nghĩa là đỉnh biên độ của tín hiệu đường truyền thẳng và một thành phần vẫn bằng 0

Trong trường hợp này, chúng ta vẫn sử dụng biến đổi biểu thức (2.10) cho hàm

phân bố cumulative (cdf) theo r:

)()cos

(2

2

0

2 0

) ( 2 1 2

) ( 2

1

2 2

cos 0

2

1 ) ( )

I x (2.13) thành hàm:

∫ − −

−

=

z z A A

r z e rI rA e u z dr F

0

) ( 2 1 2 0 2

2 ) ( 2 1

.)()

()

(

2

δ δ

≥

A

Kx I e

z z f

K z

có đường truyền trực tuyến

Trong một số trường hợp,để cho thuận lợi chúng ta mô hình kênh bằng cách lấy mẫu kênh thực và sau đó so khớp chúng bằng mô hình toán học Điều này hữu ích

để có một hàm mật độ xác suất mà có thể dễ dàng so khớp những mẫu dữ liệu Hàm này được cung cấp bởi hàm phân bố fading Nakagami:

(

2)

2

1 2

δ

δ m mx

m m

e m

x m x

Nakagami sẽ trở thành phân bố Rayleigh Một ưu thế của phân bố Nakagami là nó

so khớp dữ liệu thực tế hơn những hàm phân bố khác Hình 2.2 chỉ ra những hàm mật độ xác suất khác nhau đã thảo luận trong phần này

CHƯƠNG III:

TỔNG QUAN HỢP TÁC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN

3.1 Phân loại sự hợp tác truyền thông

Sự hợp tác trong truyền thông vô tuyến có thể được phân chia thành ba cách tiếp cận từ đơn giản đến phức tạp như sau:

+ Hợp tác thụ động hay còn gọi là hợp tác ẩn (implicit cooperation)

Giao thức của mạng cũng chính là dạng hợp tác, các thành viên có thể tương tác, chia sẻ tài nguyên cho nhau thông qua giao thức của mạng đó Đây được xem như

là cấp hợp tác cơ bản đầu tiên

Ví dụ như các giao thức TCP, hay giao thức ALOHA

+ Hợp tác tường minh vĩ mô (Eplicit Macro cooperation)

Các thành viên trong mạng có thể hợp tác trực tiếp với nhau thông qua các điểm truy cập ảo, những router vô tuyến và tương tác giữa những phần hệ thống không dây vĩ mô khác, trong cách tiếp cận này thì quan tâm tới kỹ thuật chuyển mạch và

mã hợp tác

Ví dụ như trong những nút mạng chuyển tiếp (relaying) vô tuyến và đa bước nhảy (multi-hop) Những nút chuyển tiếp thông tin giúp nguồn gửi thông tin cho những nút ở xa nguồn, mạng đa bước nhảy giúp mở rộng phạm vi truyền thông tin Mạng vô tuyến theo IEEE WLAN chuẩn 802.11 a/g là một điển hình

+ Hợp tác tường minh vi mô (Explicit Micro ( or Funtional) Cooperation)

Đây là cấp hợp tác cao nhất thực hiện hợp tác giữa những thực thể, những phần chức năng, những khối xử lý và những thuật toán, những phần quan trọng trong phần cứng như nguồn pin, những anten của từng thiết bị

Kỹ thuật hợp tác sẽ được ứng dụng trong những hệ thống truyền thông vô tuyến trong tương lai là một tiềm năng lớn, bởi vì nó cho phép thiết kế những thiết bị đầu cuối ít phức tạp, ít tiêu tốn năng lượng mà lại đạt được hiệu quả dịch vụ cao

3.2 Mô hình hệ thống

Đây là một mô hình khá tổng quát Xem như có M thiết bị đầu cuối có tín hiệu thông tin liên quan nhau ωi, j ,… tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh, dữ liệu nhị phân Mỗi thiết bị đầu cuối truyền một tín hiệu biểu diễn bởi x i và tín hiệu nhận được biểu diễn y j Dưới đây là sơ đồ khối của mô hình

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống mạng vô tuyến với bốn thiết bị đầu cuối

Hình 3.2: Truyền thông hợp tác với hai nút hợp tác truyền và một nút nhận

Để đơn giản chúng xem như có 3 nút mạng là nút nguồn (s), nút chuyển tiếp (r), nút đích (d) s có N s anten, r có N r anten và d có N d anten Từ kết quả này có thể tổng quát hóa cho trường hợp nhiều nút chuyển tiếp Nút chuyển tiếp hoạt động ở hai pha: pha nghe và pha truyền, khi nghe thì không truyền, khi truyền thì không nghe

Giả sử nút nguồn truyền một trong 2nR tin nhắn trên n kênh đến nút đích Vì nút chuyển tiếp ở gần nút nguồn nên sau n1 mẫu từ kênh truyền đủ giải mã chính xác tin nhắn (con số đó do chính nút chuyển tiếp tự xác định mà nút nguồn không biết) Sau khi giải mã tin nhắn, nó xử lý để truyền phần còn lại n−n1 để làm tăng hiệu

quả việc nhận tin nhắn của nút đích Nút đích giả sử là nhận n1 trước khi cố gắng giải mã tin nhắn, như một sự lựa chọn, nếu giá trị của n1 bị cưỡng bức là một số bội

số nguyên của chu kỳ cơ bản n0(n ~0 n ) và nút đích có thể ước lượng n1 chính xác bằng phương pháp dò công suất Chúng ta xem như pha đầu tiên của việc truyền 1

n là pha lắng nghe, trong khi truyền n−n1 mẫu cuối cùng là pha cộng tác

Giả sử rằng tất cả các kênh truyền đều có nhiễu Gaussian trắng cộng sinh với hiện tượng fading Rayliegh

X, U là những vectơ cột tương ứng biểu diễn sự truyền từ nguồn và từ nút chuyển tiếp Y, Z là tin nhắn nhận được tại nút chuyển tiếp và nút đích

Trong suốt khoảng pha lắng nghe chúng ta có:

Z

s X N H

Y

r U N H

H là ma trận fading giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp

Trong suốt khoảng truyền hợp tác, chúng ta có :

C X U N H

với H C là ma trận kênh có chứa H S là ma trận con

Chúng ta giả sử nút nguồn không biết về những ma trận H rvà H c(và do đó cả

ma trận H scũng vậy) Tương tự, nút chuyển tiếp không biết về ma trận H c nhưng giả sử biết ma trận H r, cuối cùng, nút đích thì biết ma trận H c Bỏ qua mất mát nói chung, chúng ta giả sử tất cả các anten phát một đơn vị công suất trung bình trong suốt pha truyền của chúng và những anten nhận có một đơn vị công suất nhiễu Gaussian Trong phần giao thức truyền ở dưới đây chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn mô hình này Giới thiệu thêm một số cấu trúc mạng hợp tác khác, như hình 3.3:

Hình 3.3: Những cấu hình chuyển tiếp khác nhau trong mạng vô tuyến

Với (a) là kênh chuyển tiếp cổ điển có thể truyền trực tiếp khi nút chuyển tiếp bị loại bỏ, (b) là kênh chuyển tiếp song song, (c) là kênh đa truy cập có chuyển tiếp, (d) là kênh quảng bá có chuyển tiếp, (e) là kênh giao thoa chuyển tiếp

3.3 Giao thức truyền

Trong truyền thông hợp tác theo hệ chuyển tiếp hợp tác, chúng ta có nhiều giao thức truyền dưới đây giới thiệu sơ lược một số giao thức truyền cơ bản của hệ hợp tác truyền thông

3.3.1 Khuyếch đại và truyền

Hình 3.4: Mô tả hoạt động của trạm chuyển tiếp trong giao thức AAF

Giao thức này thường 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 khuyếch đại lên trước khi truyền tiếp

Giả sử những đặc tính của kênh được đánh giá hoàn hảo, độ lợi của sự khuyếch đại được tính toán như sau:

Trạm chuyển tiếp sẽ nhận tín hiệu từ nguồn, nhưng do tín hiệu bị suy giảm trong quá trình truyền nên sau đó trạm chuyển tiếp sẽ khuyếch đại tín hiệu nhận được đó

và truyền tới đích mà không có quá trình xử lý nào khác Phương pháp này thường

sử dụng trong truyền tín hiệu tương tự và có nhược điểm là khi khuyếch đại thì nhiễu cũng bị khuyếch đại theo

a) b)

Hình 3.5: a) Một hình thức hợp tác trong thực tế

b) Mô hình AAF có một nút chuyển tiếp

+ Trong pha thứ nhất, tín hiệu được phát từ nguồn tới đích và tới nút chuyển tiếp Tín hiệu đến :

Tại nút chuyển tiếp từ nút nguồn truyền tới:

P

r (3.3) Tín hiệu truyền từ nút chuyển tiếp do đó sẽ là βy ,r và có công suất P2 bằng công suất của tín hiệu phát từ nguồn

SNR nhận được tại nút đích là tổng của những SNR từ những đường từ nút nguồn tới nút chuyển tiếp

+ Trong pha thứ hai, tín hiệu được nút chuyển tiếp khuyếch đại lên và truyền tiếp tới nút đích với công suất P2 Tín hiệu nhận được tại nút đích sẽ là:

yr,d = β hr,dys,r + zr,d (3.6)

với h r,d là hệ số kênh từ nút chuyển tiếp đến nút đích, z r,d là nhiễu

Khi đó tín hiệu nút đích nhận được trong trường hợp này sẽ là:

2 , 2 2

=

r

d r

h P

h

P (3.8)

Nút đích nhận hai bản sao của tín hiệu x qua đường nguồn và đường từ nút chuyển tiếp Có nhiều cách khác nhau để kết hợp hai tín hiệu bản sao đó, chúng ta quan tâm tới phương pháp MRC Tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu ra của bộ kết hợp MRC là bằng tổng các tỷ số tín hiệu nhận được trên nhiễu trên mỗi đường truyền Với những hệ số kênh đã biết h s,d,h,r,h r,d, tín hiệu tại đầu ra của bộ kết hợp MRC ở nút đích có thể được viết như sau:

2δ

d s

h P

δδ

+

=

1 2

2

2 2 , 1

2 , 2

* ,

* , 1 2 2 , 1 2

2

d r

d r

d r r r

h P

h P

h h P h

P P

Giả sử ký tự x trong (3.1) có năng lượng trung bình là 1, SNR tại đầu ra MRC là:

γ =γ1+γ2 (3.11)

với:

h P

= =P1h s,d 2/δ, (3.12)

2 '

2

2

, , 2 2

, 1

1 2

2

δ

δγ

a

h h P h

+

=

1

2 , 1

2 , 2

2 ,

2 , 2

, 1

2 1

r

d r

d r r r

h P

h P

h h h

P

P P

2 , 1

2 ,

2 , 2 1

1

d r r

d r r

h P h

P

h h P P

(3.13)

Từ những phương trình trên thông tin liên quan nhau (mutual information) như là

một hàm theo hệ số fading được viết như sau:

,

2 ,

2 ,

2 ,

2

)(

2]

d r r AF

r I R P

δδδ

δδ

(3.15)

3.3.2 Giải mã và truyền (DAF)

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 khuyếch đại trong tín hiệu nhận được, khác với giao thức AAF

Trạm chuyển tiếp có thể giải mã hoàn hảo thông tin gốc Điều này mất nhiều thời gian, nhưng có nhiều lợi thế Nếu thông tin gốc có chứa một mã sửa sai, những bit lỗi nhận được có thể được sửa ngay tại trạm chuyển tiếp

Hình 3.6: Mô tả hoạt động của trạm chuyển tiếp trong giao thức DAF

Tín hiệu giải mã tại nút chuyển tiếp có thể sai Nếu tín hiệu sai được truyền đến nút đích việc giải mã tại nút đích sẽ không còn ý nghĩa nữa Mặc dù DAF có ưu thế hơn với AAF do giảm được ảnh hưởng của nhiễu tại nút chuyển tiếp nhưng truyền tín hiệu lỗi có thể làm giảm bớt khả năng hoạt động của hệ thống này Mức độ thông tin liên quan nhau giữa nguồn và đích bị giới hạn bởi thông tin liên quan (mutual information) trên kênh truyền kém nhất được xác định từ những kênh từ nguồn tới nút chuyển tiếp và những kênh từ nguồn tới đích, từ nút chuyển tiếp tới đích Thông tin liên quan của hệ thống DAF [2] sẽ là :

{log( 1 ), log( 1 ), log( 1 )}

min 2

,

2 ,

Xác suất outage của hệ thống DAF :P r[I DF <R]

Vì log là một hàm đơn điệu, xác suất outage tương đương:

{ + }<2 Γ−1

,min , 2 , 2 , 2 2

R d

r d s

R r

r DF

r I R P h

r I R P

δ (3.19)

3.3.3 Những giao thức hợp tác khác

Bên cạnh hai phương pháp chung nhất kể trên còn có một vài giao thức khác như

nén và truyền (CAF), hợp tác mã hóa (coded cooperation), hợp tác thích nghi

(Adaptive cooperation strategies) được đề cập sau đây:

*Nén và truyền: (CAF)

Trong giao thức CAF nút đích sẽ kết hợp tín hiệu nhận được từ nguồn với tín

hiệu đã được lượng tử và nén tại nút chuyển tiếp

Quá trình lượng tử và nén tín hiệu tại nút đích là một quá trình mã hóa nguồn

nghĩa là biểu diễn mỗi tín hiệu dương (possible) nhận được như là một chuỗi những

ký tự Nói một cách đơn giản, giả sử những ký tự này là những số nhị phân gọi là

bit Tại nút đích, tín hiệu được ước lượng và giải nén bằng cách giải mã chuỗi bit

nhận được Việc giải mã này đơn giản chỉ là ánh xạ những bit nhận được trong tập

giá trị mà tín hiệu ước lượng đã truyền Ánh xạ cũng bao gồm cả những sự méo

dạng của tín hiệu trong quá trình lượng tử và nén, điều này xem như là một dạng

của nhiễu Sau đây là một ví dụ cụ thể:

Một nguồn truyền tín hiệu với bốn giá trị: -1.5, 0.5 và 1.5 Nếu không hợp tác tín

hiệu trên kênh truyền AWGN với độ lệch chuẩn δ =0.5 Khi hợp tác, những kênh

truyền từ nguồn tới nút chuyển tiếp và từ nút chuyển tiếp tới đích cũng là kênh

AWGN với độ lệch chuẩn δ = 0 25 ,δ = 0 6

Hình 3.7: Ví dụ giao thức CAF Giả sử tín hiệu bằng 1.5 được truyền mà không hợp tác Tại nút đích, giá trị 1.5 được giải mã bất kỳ tín hiệu nào vượt quá giá trị 1

Xác suất nhận thành công là:

84 0 ) 5 0

5 1 1 (

Q

π2

)2

exp(

)(

2

Khi sử dụng CAF, nút chuyển tiếp truyền một bản lượng tử và nén của tín hiệu nhận được Trong trường hợp này, tín hiệu là những giá trị bằng 1.5 Như hình 3.7, nút chuyển tiếp mã hóa tín hiệu nhận được như là số nhị phân 1 bất kỳ khi nào nhận được tín hiệu nhỏ hơn -1 hoặc trong khoảng [0,1] Số nhị phân 0 và 1 là kết quả từ việc mã hóa khi giá trị tín hiệu là +1 và -1 Tại nút đích, tín hiệu đã mã hóa từ nút chuyển tiếp được giải mã bằng cách sử dụng tín hiệu nhận được từ nguồn Việc giải

mã theo qui tắc sau:

+ Nếu tín hiệu từ nút chuyển tiếp là dương, một số nhị phân 0 được giải mã và:

- Nếu tín hiệu từ nguồn là dương, tín hiệu nhận được sẽ là 1.5;

- Nếu tín hiệu từ nguồn là âm, tín hiệu nhận được sẽ là -0.5

+ Nếu tín hiệu từ nút chuyển tiếp là âm, một số nhị phân 1 được giải mã và

- Nếu tín hiệu từ nguồn là dương, tín hiệu nhận được sẽ là 0.5;

- Nếu tín hiệu từ nguồn là âm, tín hiệu nhận được sẽ là -1.5

Giả sử lại rằng tín hiệu được truyền là 1.5, xác suất nhận thành công bây giờ bằng:

93

0

))]

25.0

5.10()25.0

5.11()25.0

5.11([1

(

)1)])(

25.0

5.10()25.0

5.11()25.0

5.11()([

5.0

5.10(

−

−+

−

−

=

q Q

Q Q

q Q

Q Q

1 0

= Q

q , là xác suất nhận thành công tín hiệu mã hóa bít 0, từ nút chuyển tiếp Trong (3.20), hệ số thứ nhất là xác suất mà tín hiệu từ nguồn là dương Hệ số này sau đó nhân với hai thông số: thông số thứ nhất là mã hóa tại nút chuyển tiếp là

0 và thông số thứ hai là khi nút chuyển tiếp mã hóa sai thành 1 nhưng lại nhận được

là 0

*Hợp tác mã hóa: (Code Cooperation)

Cả hai giao thức AAF và DAF, nút chuyển tiếp lặp lại những bit được truyền từ nguồn Nút chuyển tiếp trong hợp tác mã hóa truyền thêm yếu tố dư thừa trong mã, dẫn đến kết quả khi kết hợp tín hiệu tại đầu thu với những từ mã gửi từ nguồn, từ

mã có độ dư thừa lớn hơn

Để hiểu giao thức hợp tác mã hóa, trước hết phải tìm hiểu hoạt động của mã sửa sai Bộ mã hóa cho mã sửa sai thêm một chuỗi ký tự đệm vào để tạo ra một chuỗi

ký tự vừa chứa thông tin của chuỗi đầu vào và cả thông tin dư thừa Đầu thu sử dụng yếu tố dư thừa trong từ mã để tăng cơ hội phục hồi tín hiệu gốc nếu như xảy ra lỗi trong quá trình truyền Trong khi một số bộ mã chỉ tách được thông tin cần thiết

và thông tin dư thừa khi giải mã hoàn hảo, một số bộ mã khác lại có thể thêm hay bớt yếu tố dư thừa một cách đơn giản Loại mã thứ hai được sử dụng trong hợp tác

mã hóa

Trong hợp tác mã hóa, một từ mã được truyền trong hai phần, mỗi phần sử dụng

những kênh hoặc những đường khác nhau Chúng ta mô tả nút nguồn và nút chuyển

tiếp thành nút một và nút hai Hoạt động của sự hợp tác mã hóa có bốn khả năng

sau:

(1) Cả nút một và nút hai giải mã thành công mỗi bộ mã kênh của nhau

(2) Cả nút một và nút hai không giải mã được mỗi bộ mã kênh của nhau

(3) Nút một giải mã được mã kênh từ nút hai truyền tới nhưng nút hai không

giải mã được mã kênh từ nút một truyền tới Trong trường hợp này, cả hai nút gửi

thêm bit chẵn lẻ cho nút hai, sau đó được kết hợp với nhau tại đầu thu

(4) Nút hai giải mã được mã kênh từ nút một nhưng nút một lại không giải mã

được mã kênh từ nút hai truyền tới Trong trường hợp này, cả hai nút sẽ gửi thêm

bit chẵn lẻ cho nút một, sau đó các bộ mã được kết hợp với nhau tại đầu thu

Vì bốn sự kiện này diễn ra liên tục, xác suất outage trong sự mã hóa hợp tác lấy

trung bình xác suất giữa bốn sự kiện đó

*Sự hợp tác thích nghi: (Adaptive cooperation strategies)

Giao thức này chia làm hai giao thức khác:

a) Lựa chọn chuyển tiếp DF (Selevtive DF relaying)

Trong giao thức này nếu tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu nhận được tại nút

chuyển tiếp vượt quá một ngưỡng qui định, nút chuyển tiếp giải mã tín hiệu nhận

được và truyền thông tin giải mã đó tới nút đích Ngược lại, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

tại nút chuyển tiếp thấp hơn giá trị ngưỡng, nút chuyển tiếp sẽ không truyền tín hiệu

tới đích gọi là “idle”

Nếu SNR của kênh từ nguồn tới nút chuyển tiếp vượt quá ngưỡng, nó xem như

giải mã đúng tín hiệu từ nguồn truyền tới Trong trường hợp này, SNR được kết hợp

bằng phương pháp MRC tại nút đích là tổng của SNR nhận được từ nguồn và nút

chuyển tiếp Do đó, thông tin liên quan của kênh này là:

(3.21)

( [

)]

( [

)]

( [

] [

2 ,

2 ,

2 ,

2 ,

P g h

R I

P

g h P g h

R I

P R I

P

r r r

SDF

r r r

SDF SDF

)]

( )

) 2

1 log(

2

1 [

)]

( [

)]

( )

2 1 log(

2

1 [ ] [

2 ,

2 ,

2 ,

2 ,

2 ,

2 ,

2 ,

=

<

g h P g h h h

P

g h P g h R h

P R I P

r r r

d r d

s

r r r

d s DSF

Xác suấtoutagetính theo phương sai tại SNR cao là:

2 2 2 ,

2 ,

2 ,

2 ,

2

)(

2]

d r r SDF

r I R P

δδδ

δδ

(3.22)

b) Tăng cường chuyển tiếp:

Giả sử có một kênh hồi tiếp từ nút đích tới nút chuyển tiếp Nút đích gửi một thông điệp cho nút chuyển tiếp nếu nó nhận được đúng tín hiệu từ nguồn trong pha đầu tiên, vì thế nút hồi tiếp không cần phải truyền Ngược lại, nếu nút đích nhận không được tín hiệu từ nguồn thì nút chuyển tiếp phải truyền hỗ trợ trong pha thứ hai Nếu trong pha đầu tiên truyền tín hiệu thành công, tốc độ truyền là R, từ đó, xác suất outage sẽ được tính như sau:

2 [

] [

]

P r IR < = r D < r AF < D< (3.23) Biểu thức outage cho cả truyền trực tiếp và AAF đã được tính trước đó

Xác suất outage tính theo SNR và R là

[ ] [ , 2 1 ( Γ , 2, Γ , 2) ≤ ( Γ )]

Γ +

Hiệu suất phổ là R nếu kênh nguồn và đích không bị outage, là R/2 nếu kênh này

bị outage Vậy hiệu suất phổ trung bình là:

2 )]

(

[1 exp( 2 1)]

−

−+

= R R (3.25) Khi SNR lớn chúng ta có:

2 ,

2 , 2 ,

R

d r r

d r r d s IAF

r I R P

δ δ

δ δ

δ (3.26)

Để hiểu các giao thức một cách chi tiết và cụ thể nên nghiên cứu thêm trong [2,

từ trang 122 đến trang 135]