Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên đề tài truyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến cooperation communication in wireless network

Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên đề tài truyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến cooperation communication in wireless network

Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học Sinh Viên

Đề Tài:Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến - Cooperation

Communication in Wireless Network

Nội dung:

Phần I.Lịch sử ra đời và phát triển của truyền thông hợp tác

Phần II.Các khái niệm cơ bản về truyền thông hợp tác

Phần III.Các giao thức hợp tác cố định trong truyền thông hợp tác

Phần IV.Các giao thức hợp tác lựa chọn trong truyền thông hợp tác

Phần V Những ứng dụng của truyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến

PhầnVI Ưu,Nhược điểm của truyền thông hợp tác

Phần VII Các hướng nghiên cứu về truyền thông hợp tác trong tương lai

Phần VIII.Tìm hiểu về mạng Ad-hoc và Mạng cảm biến

Phần IX.Những ứng dụng thực tế của truyền thông hợp tác trong giao thông thông minh

Phần X.Tài liệu tham khảo

Nội dung chi tiết

Phần I.Tổng Quan Về Truyền Thông Hợp Tác

I.1 giới thiệu

Ngày nay do bùng nổ của khoa học kĩ thuật mà rất nhiều lĩnh khoa học kĩ

thuật,kinh tế,y học,…có nhiều bước nhảy vọt,và lĩnh vực viễn thông cũng không nằm ngoài sự phát triển đó.Nhu cầu về trao đổi thông tin của con người ngày càng tăng lên và đa dạng hóa theo nhiều cách khác nhau.Để đáp ứng nhu cầu đó thì có

rất nhiều giải pháp và công nghệ được đưa ra và phát triển nhằm tăng dung lượng

hệ thống ,nâng cao chất lượng của tín hiệu giảm hạn chế tác động bởi nhiễu mà không gây tốn tài nguyên tần số,thời gian đây là vấn đề nhức nhối Một trong những công nghệ được xây dựng đó là truyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến.Ý tưởng về Truyền Thông Hợp Tác được đưa ra vào năm 1971, qua nhiều chặng đường phát triển thì cho tới nay công nghệ này đang từng bước cho thấy vai trò trong thông tin vô tuyến Truyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến

(cooperation communication in wireless network) là một phương pháp hứa hẹn nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ,tăng hiệu quả công suất,mở rộng vùng phủ và giảm xác suất outgate.Phương pháp này được phát triển trên nền tảng của hệ thống MIMO và sự phân tập anten (hệ thống MIMO-Mutipli Input Mutipli Output) trong việc truyền và thu nhận tín hiệu

Truyền thông hợp tác là kĩ thuật cho phép các máy di động sử dụng một anten trong môi trường đa người sử dụng chia sẻ anten của mình,hình thành một máy phát nhiều anten ảo do đó đạt được độ lợi phân tập phát Trong truyền thông hợp tác,các đường truyền dẫn độc lập giữa người sử dụng và trạm gốc được tạo nên nhờ các kênh chuyển tiếp như được mô tả ở Hình 1.1

Hình I.1.Mô hìnhTruyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến và sự mở rộng

vùng phủ Bài toán xử lý truyền thông hợp tác nằm ở quá trình xử lý tín hiệu thu được từ node nguồn được thực hiện bởi node chuyển tiếp.Nhiều sơ đồ xử lý tín hiệu khác nhau đã được đề nghị dẫn đến có các giao thức hợp tác khác nhau.Các giao thức truyền thông hợp tác có thể phân loại thành các chiến lược hợp tác cố định và các chiến lược hợp tác thích nghi.Ở chiến lược hợp tác cố định ,các nguồn tài nguyên kênh được phân chia giữa các node nguồn và node chuyển tiếp theo một phương thức cố định.Quá trình xử lý ở node chuyển tiếp khác nhau theo các phương thức hợp tác khác nhau được sử dụng.Trong chiến lược hợp tác cố định bao gồm các giao thức hợp tác như:

+Giao thức AF (amplify and forward)-Giao thức khuếch đại và chuyển tiếp:node chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại phiên bản tín hiệu thu được và phát tín hiệu khuếch đại tới đích.

+Giao thức DF ( decode and forward)-Giao thức giải mã và chuyển tiếp:node chuyển tiếp giải mã tín hiệu thu được sau đó lại mã hóa và phát đi tới node đích +Giao thức EF (estimate and forward )-Giao thức ước lượng và chuyển tiếp;sau khinhận được tín hiệu từ nguồn,node chuyển tiếp ước lượng tin tức sau đó phát

chuyển tiếp tới node đích

Do chuyển tiếp cố định có ưu điểm là dễ dàng được thực hiện,nhưng có nhược điểm là hiệu quả sử dụng băng thông thấp.Đó là do một nửa nguồn tài nguyên kênh(băng thông) được phân bổ cho kênh chuyển tiếp,làm giảm tốc độ tổng cộng.Điều này là rõ rệt khi kênh truyền dẫn từ nguồn tới đích không tồi,khi đó đầu thu có thể thu được chính xác các gói với tỉ lệ cao,nên cách kênh truyền dẫn trở nên lãng phí.Các sơ đồ chuyển lựa chọn và chuyển tiếp gia tăng,sẽ khắc phục được nhược điểm của hệ thống chuyển tiếp cố định

+Chuyển tiếp lựa chọn:nếu tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) thu được ở node

chuyển tiếp lớn hơn một ngưỡng xác định,node chuyển tiếp sẽ thực hiện giải mã vàphát chuyển tiếp tín hiệu thu được.Còn nếu tỉ số đó nhỏ hơn một ngưỡng nào đó thìnode chuyển tiếp sẽ rỗi và sẽ không có tác vụ gì trong hệ thống

+Chuyển tiếp gia tăng;khi node nguồn xác định biết node đích không giải mã tín hiệu chính xác thì node nguồn sẽ phát lặp lại thông tin hoặc là node chuyển tiếp sẽ phát chuyển tiếp thông tin.Trường hợp này yêu cầu một kênh phản hồi từ node đích tới node nguồn và node đích

Phần I.2 Các thuật ngữ ngữ liên quan tới truyền thông hợp tác

- Ý nghĩa Tên đề tài:Để hiểu rõ ý nghĩa của đề tài chúng ta đi tìm hiểu một só khái niệm bên lề liên quan tới đề tài

+Truyền thông là sự kiện truyền đưa thông tin,tin tức từ điểm phát tin tới những điểm nhận tin.Truyền thông có thể là truyền theo cách thức điểm-điểm(poit- to -

poit) như truyền dữ liệu,thoại… hoặc theo truyền theo hình thức điểm-đa điểm ví

dụ như truyền hình quảng bá (vô tuyến truyền hình,truyền hình vệ tinh….)

+Hợp tác là sự kiện một vài thiết bị,cá nhân,tổ chức,doanh nghiệp hay rộng hơn là quốc gia,châu lục….cùng nhau làm chung một công việc nào đó làm cho công việc

đó đạt được một số chỉ tiêu, chất lượng nhất định nào đó mà người tổ chức đã đặt ra

=> Vậy truyền thông hợp tác là các điểm truyền đưa tin tức cũng nhau hợp tác để truyền đưa một tin tức tới điểm nhận tin nào đó làm cho tin tức đó đạt được một chất lượng mong muốn( ở đây thì đó là sự giải mã chính xác tin tức mà điểm

nguồn đưa tới)

- Kênh truyền dẫn: Là môi trường mà tín hiệu đi qua,Kênh truyền dẫn tùy vào từng loại hình truyền đưa tin tức mà có các dạng khác nhau:

+ Dạng hữu tuyến bao gồm các môi trường truyền dẫn hữu hình như cáp đồng trục,cáp đồng,cáp quang,ống dẫn sóng….Đặc điểm chung của môi trường truyền dẫn này là ít bị ảnh hưởng bởi tạp âm,nhiễu (mà đặc biệt là fading) độ an toàn của tin tức được bảo đảm,băng thông rộng….nhưng khi thiết thi công tuyến truyền dẫn gặp khó khăn về nhiều mặt như giá thành,địa hình triển khai…

+ Dạng vô tuyến.Môi trường truyền đưa tin tức là không khí và lớp cát bụi bao quanh trái đất ,đặc điểm của môi trường này là tin tức bị ảnh hưởng nhiều của nhiễu,vật cản của địa hình,bị fadinh …nhưng ngược lại việc triển khai tuyến truyềndẫn trở nên đơn giản và kinh tế hơn so với loại hình hữu tuyến

- Xác suất outage đây là thông số cơ bản để đánh giá chất lượng của một hệ thống truyền đưa tin tức.Xác suất outge có thể hiểu là xác suất tín hiệu bị mất,bị rớt(nếu

là thoại thì đó là xác suất bị mất liên lạc hay rớt cuộc gọi,theo tiêu chuẩn quốc tế thì trong thời gian một tháng thì thời gian rớt mạng cho phép là 2,56s)

-MIMO là hệ thống sử dụng các dãy anten ở cả hai đầu kênh truyền với nhiều anten cho phía thu và nhiều anten cho phía phát [6]

Hình I.2 Sơ đồ cơ bản của hệ thống MIMO

- Kỹ thuật phân tập anten Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế ảnh hưởng của fading Trong hệ thống thông tin di động, kỹ thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phântập không gian (phân tập anten) Trong đó, kỹ thuật phân tập anten hiện đang rất được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số – một yếu

tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm

Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver) thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau nhưng ít có sự tương quan về fading Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn

so với từng phiên bản riêng lẻ Các phương pháp kết hợp thường gặp: Bộ tổ hợp theo kiểu quét và lựa chọn (Scanning and Selection Combiners: SC) quét và lựa chọn nhánh có tỷ số CNR tốt nhất; bộ tổ hợp với cùng độ lợi (Equal-Gain

Combiners: EGC); Bộ tổ hợp với tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combiners: MRC):

tổ hợp tất cả các nhánh, với hệ số ak tỷ lệ thuận với trị hiệu dụng của tín hiệu và tỷ

lệ nghịch với bình phương trung bình của nhiễu tại nhánh thứ k

Hình a: kĩ thuật SC; b: kĩ thuật EGC; c: kĩ thuật MRC-Fading

Ở giao thức chuyển tiếp AF cố định,node chuyển tiếp khuyếch đại tín hiệu thu được và phách phiên bản đã khuyếch đại của tín hiệu tới node đích Kênh

chuyển tiếp khuyếch đại và phát chuyển tiếp có thể được mô hình hóa như sau Tínhiệu được phát từ nguồn x thu được ở node chuyển tiếp với node đích là:

y s r=√P h

s ,r x +n s ,r

y s , r=√P h s ,d x +n s ,d(1)

Trong đó h s ,rvà h s ,d là các hệ số kênh giữa node nguồn và node chuyển tiếp

và node đích tương ứng, được mô hình hóa như là các kênh fading Rayleigh

phẳng; n s ,r và n s ,d là tạp âm Gauss trắng cộng tính với trung bình không và phương sai N0 Ở giao thức này, node chuyển tiếp khuyếch đại tín hiệu thu được từ node nguồn và phát chuyển tiếp tín hiệu đã khuyếch đại tới node đích lý tưởng nhằm sanbằng ảnh hưởng của suy giảm kênh giữa node nguồn và node chuyển tiếp Node chuyển tiếp thực hiện điều này bằng kênh khuyếch đại tín hiệu thu được bởi một hệ

số khuyếch đại tỷ lệ nghịch với công suất thu được như sau:

√P¿h s , r∨ ¿2+N0 ¿ (2)

Tín hiệu được phát từ node chuyển tiếp do đó là β r y s , r và có công suất là P bằng với công suất tín hiệu được phát từ nguồn

Để đánh giá mối quan hệ giữa node nguồn với node đích chúng ta cần tính toán tỉ

số tín hiệu trên nhiểu (SNR).Tỉ số này bằng tổng SNR từ node nguồn và từ node chuyển tiếp tới node đích.Trong đó SNR khi truyền tín hiệu từ nguồn tới node đíchlà:

(3)

Còn với kênh truyền từ node chuyển tiếp tới node đích với tỉ số SNR được tính toán như sau:ta biết rằng ở pha 1 thì node nguồn phát tín hiệu tới node đích,còn ở pha 2 node chuyển tiếp sẽ phát tín hiệu tới đích với công suất phát là P.thì tìn hiệu

Đầu ra của kĩ thuật MRC là

(8)Với a1,a2 là hệ số được xây dựng để tối ưu hóa sự kết hợp tín hiệu nâng cao tỉ số SNR được tính như sau:

và (9)Giả thiết rằng tín hiệu phát x có năng lượng trung bình bắng 1,SNR tức thời ở đầu

Trong đó SNR từ liên kết trực tiếp từ nguồn được xác định

(11)SNR từ liên kết chuyển tiếp được xác định bởi

(12)

Để đánh giá chất lượng của giao thức hợp tác, chúng ta tính toán dung lượng outage của kênh trong đó dung lượng outage mà một kênh được yêu cầu để hỗ trợ tốc độ truyền dẫn R được định nghĩa là:

Trong đó I(x,y) là thông tin tương hỗ của kênh với đầu vào kênh x và đầu ra kênhy.Thông tin tương hỗ là một biến ngẫu nhiên vì kênh biến đổi ngẫu nhiên do bị fading Để tính thông tin tương hỗ giữa node nguồn và node đích, chúng ta cần tínhtổng tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tức thời ở node đích SNR thu được ở node đích là tổng các SNR từ các liên kết chuyển tiếp và liên kết trực tiếp từ nguồn Kỹ thuật tối ưu để cực đại hóa tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tổng cộng được sử dụng ở máy thu

là kỹ thuật kết hợp tỷ lệ cực đại (MRC) Chú ý rằng kết hợp MRC yêu cầu bộ tách sóng liên kết có hiểu biết về tất cả các hệ số kênh Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm ở đầu

ra của MRC bằng tổng tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm ở các thanh độc lập

Thông tin tương hỗ tức thời là một hàm của các hệ số fading đối với sơ đồ khuếchđại và phát chuyển tiếp được xác định bởi

Dung lượng outage có thể nhận được bằng cách tính trung bình hóa theo phân phối

độ lợi của kênh như sau:

Pr [I AF<R] = E h s , d ,h s ,r ,h r ,d.[12log(1+ᴦ|h s ,d|2+f (ᴦ|h s , r|2, ᴦ|h r , d|2) )<R] (17)

Tính toán biểu thức trên,xác suất outage ở tỷ số SNR cao được xác định là:

là 2.

Chúng ta đi so sánh về thông số outage và SNR của 2 phương pháp truyền trực tiếp

và phương pháp hợp tác truyền thông.Xét kênh truyền dẫn giữa node nguồn tới node đích có phương sai là 1,còn từ node nguồn tới node chuyển tiếp và từ node chuyển tiếp tới đích là 0.5.Phương sai của nhiễu là 1.Sử dùng phần mền mô phỏng matlab ta có kết quả mô phỏng sau:

Hình a.2 Xác suất outage và tỉ số SNR

Hình a.3 Mới quan hệ giữa xác suất outage và tốc độ truyền dẫn

Từ những kết quả mô phỏng trên ta dễ dàng nhận thấy về các vấn đề sau:

-Xét về độ lợi thì đạt được độ lợi phân tập(giống như kết quả nghiên cứu lý

thuyết) khi tỉ số SNR càng cao thì xác suất outage của phương thức kết hợp giảm nhiều hơn so với truyền trực tiếp

-Băng thông bị tổn thất 1 nửa điều này được thể hiện khi tốc độ truyền dữ liệu tănglên thì xác suất outage sẽ tăng lên đáng kể so với phương pháp truyền trực tiếp

II.2 giao thức hợp tác giải mã và phát chuyển tiếp

Một chiến lược khác có thể được sử dụng ở node chuyển tiếp là node chuyển tiếp

sẽ giải mã tín hiệu thu được,sau đó lại mã hóa tín hiệu và phát chuyển tiếp tới node

đích.Sơ đồ hợp tác kiểu này được gọi là hợp tác giải mã và phát chuyển tiếp cố định DF(decode and forward).

a.Mô hình hệ thống:

Hình II.2.a1 Mô hình hợp tác giải mã và phát chuyển tiếpb.Cơ sở lý thuyết

Với x là tín hiệu được phát từ node nguồn thì tín hiệu nhận được tại node

chuyển tiếp,sau khi được giải mã là ^x.Tín hiệu này được phát tới node đích là √P ^x

trong đó ^xcó phương sai đơn vị

Mặc dù giao thức hợp tác DF có ưu điểm hơn giao thức hợp tác AF trong việc giảm ảnh hưởng của tạp âm cộng tính ở node chuyển tiếp,giao thức DF có thể xảy

ra khả năng phát chuyển tiếp các tín hiệu đã được tách sóng lỗi tới node đích,gay ratruyền dẫn lỗi và có thể làm giảm chất lượng của hệ thống.Thông tin tương hỗ giữanode nguồn và node đích bị giới hạn bởi thông tin tương hỗ của đường liên kết yếunhất giữa node nguồn và node chuyển tiếp.Cụ thể hơn,thông tin tương hỗ của sơ đồgiải mã và phát chuyển tiếp được xác định theo các hệ số suy giảm kênh là:

I DF=12min ⁡{log(1+ᴦ|h s ,r|2), log(1+ᴦ|h s , d|2+ᴦ|h r , d|2)} (19)Trong đó toán tử MIN là tính đến thực tế rằng node chuyển tiếp chỉ phát nếu nó giải mã chính xác,và do đó chất lượng sơ đồ bị giới hạn bởi đường liên kết yếu nhất giữa node nguồn-node đích,node nguồn-node chuyển tiếp

Xác suất outage đối với sơ đồ chuyển tiếp DF được xác định bởi Pr[I DF<R] Bởi vì log là hàm đơn điệu,sự kiện outage tương đương với sự kiện:

min ⁡{|h s , r|2,|h s , d|2+|h r , d|2}< 22 R−1

ᴦ (20)vậy xác suất outage có thể được viết là:

nghĩa.Biểu thức xác suất outage suy giảm theo ᴦ−1 có nghĩa là giao thức giải mã và phát chuyển tiếp DF không đạt được độ lợi phân tập.(hay đạt được bằng 1)

Với cùng một số liệu về kênh truyền,cũng như tạp âm qua mô phỏng ta được các kết quả sau:

Hình II.2.b1 Quan hệ giữa xác suất outage và tỉ số SNR

Hình II.2.b.2 Mối quan hệ giữa outage và tốc độ truyền số liệu

Qua các kết quả mô phỏng trên ta dễ dàng nhận ra đó là phương thức hợp giải mã

và phát chuyển tiếp vừ bị tổn thất về băng thông vừa không đạt được độ lợi phân tập

Bên cạnh hai kĩ thuật phổ biến nhất để chuyển tiếp cố định,hai sơ đồ chuyển tiếp khác cũng đáng chú ý là sơ đồ hợp tác nén và phát chuyển tiếp và sơ đồ hợp tác được mã hóa.Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu các sơ đồ này

II.3.1 Giao thức hợp tác nén và phát chuyển tiếp

Sự khác nhau chủ yếu giữa sơ đồ hợp tác nén và phát chuyển tiếp và sơ đồ hợp tác giải mã/khuếch đại và phát chuyển tiếp là ở sơ đồ giải mã/khuếch đại và phát chuyển tiếp thì node chuyển tiếp phát một bản sao của bản tin thu được,còn ở sơ đồnén và phát chuyển tiếp thì node chuyển tiếp phát phiên bản đã được lượng tử hóa

và đã nén bản tin thu được.Do đó,node đích sẽ thực hiện các chức năng thu bằng cách kết hợp bản tin thu được từ node nguồn và phiên bản lượng tử hóa và đã nén

từ node chuyển tiếp

Quá trình lượng tử hóa và nén ở node chuyển tiếp là quá trình mã hóa nguồn,tức

là biểu diễn mỗi bản tin thu được có thể như là một chuối các kí hiệu.Để đơn giản hóa,các kí hiệu này được giả thiết là các bit nhị phân.Ở node đích,một ước lượng của bản tin đã lượng tử hóa và đã nén nhận được bằng cách giải mã chuối bit thu được.Quá trình giải mã này chỉ đơn giản chỉ bao gồm việc ánh xạ các bit đã thu được thành tập các giá trị ước lượng bản tin phát.Quá trình ánh xạ này gây ra một lượng méo,lượng méo này có thể được xem như một dạng tạp âm

Chúng ta đã biết tới khái niệm Entropy,Entropy của một biến ngẫu nhiên có thể được xem xét như là một giá trị của thông tin cung cấp bởi tất cả các kết quả của biến ngẫu nhiên.Ngoài ra Entropy còn cung cấp cho chúng ta một điểm chuẩn để đánh giá hiệu suất mã hóa nguồn.Để đơn giản cho cách trình bày chúng ta coi dữ liệu ở nguồn được tạo ra từ bộ nhớ nhỏ rời rạc của nguồn.Với quy ước này thì Entropy của biến ngẫu nhiên bắt đầu mã hóa ở nguồn,cung cấp sự ràng buộc thấp hơn giá trị trung bình của mỗi bit ở nguồn(tốc độ mã hóa nguồn) cần cho việc mã hóa nguồn

Việc sử dụng hợp tác và xác suất kết hợp ở node đích,bản tin từ nguồn và node chuyển tiếp có hiệu quả thì thông tin nhận được ở node đích từ nguồn có thể sử dụng như một thông tin bên lề.Trong khi bản tin giải mã từ node chuyển tiếp,điều này cho phép mã hóa chậm hơn tốc độ mã hóa nguồn

Ví dụ đơn giản,chúng ta thảo xem xét vè một mô hình đơn giản của giao thức nén

và phát chuyển tiếp để cho thấy các đặc điểm của giao thức này.Xét một nguồn phát đi các tín hiệu với bốn mức trạng thái là -1.5;-0.5;0.5;1.5 với giao thức không hợp tác(truyền trực tiếp) qua kênh AWGN với phương sai chuẩn σ =0.5 còn khi sử dụng giao thức hợp tác thì phương sai chuẩn của kênh truyền là σ =0.25 và σ=0.6

-xét với trường hợp truyền dẫn không hợp tác thì với mức tín hiệu có giá trị 1.5 sẽ được giải mã bất kỳ khi nào tín hiệu nhận được vượt qua giá trị 1

(23)Với

(24) Còn khi sử dụng giao thức nén và phát chuyển tiếp,sẽ chuyển tiếp bản tin nhận được sau khi đã lượng tử hóa và nén nó.Trong trường hợp bản tin là tín hiệu có mức giá trị là 1.5,khi đó thông tin nhận được ở node đích gồm hai thành phần là tìnhiệu từ nguồn và node chuyển tiếp,sự kiện nén tín hiệu sẽ không được thực hiện khi xảy ra sự cô lập thông tin giữa node nguồn và node đích như hình dưới chó thấy node chuyển tiếp sẽ mã hóa tín hiệu nhận được là 0 bất cứ khi nào tín hiệu thuđược lớn hơn 1 hoặc nằm trong khoảng [-1;0) và sẽ mã hóa tín hiệu ở mức 1 bất kỳkhi nào tín hiệu thu được <-1 hoặc nằm trong [0;1].Như vậy có thể thấy các bit nhị phân 0 và 1 là kết của quá trình mã hóa chuyển từ các giá trị +1 và -1 tương

ứng(quá trình ánh xạ).Ngưỡng để nhận được bản tin từ node chuyển tiếp là 0.Ở node đích,bản tin mã hóa từ node chuyển tiếp sẽ được giải mã sử dụng,tín hiệu nhận được từ nguồn sẽ như là thông tin bên lề

Hình II.3.1 Ví dụ về giao thức nén và phát chuyển tiếp

Quá trình giải mã được thực hiện theo các nguyên tắc sau:

-Nếu tín hiệu từ node chuyển tiếp là tích cực thì bit nhị phân 0 được giải mã

+Nếu tín hiệu từ nguồn tới là tích cực,tìn hiệu nhận được sẽ tăng lên là 1.5

+Nếu tín hiệu từ nguồn tới là không tích cực thì tín hiệu nhận được sẽ trở thành là 0.5

-Nếu tín hiệu từ node chuyển tiếp là không tích cực thì bit 1 sẽ được giải mã

+Nếu tín hiệu từ node nguồn là tích cực thì tín hiệu nhận được sẽ trở thành 0.5

Ta có xác suất của tiếp cận thành công như sau:

ở đây:

Qua trên là một vài nét sơ lược về giao thức hợp tác nén và phát chuyển tiếp,để hiểu rõ hơn có thể tham khảo [1- 2]

II.3.2 Giao thức hợp tác được mã hóa

Sơ đồ hợp tác được mã hóa khác các sơ đồ hợp tác ở trên,trong đó sự hợp tác được thực hiện ở mức của phân hệ mã hóa kênh.Ở sơ đồ hợp tác mã hóa,node hợp tác gửi thông tin với độ dư gia tăng,thông tin này sau đó được kết hợp ở máy thu với từ mã được gửi từ node nguồn,dẫn đến kết quả một từ mã có độ dư lớn hơn

ở sơ đồ hợp tác được mã hóa,một từ mã được phát thành 2 thành phần ,mỗi phần

sử dụng một đường truyền hoặc kênh truyền khác nhau.Các bước chủ yếu trong chu trình hợp tác được đánh nhãn với nội dung ở các nhận như sau

Hình II.3.2 Chu trình truyền dẫn của sơ đồ hợp tác được mã hóa

Chu trình bắt đầu với một khối gồmN I ký hiệu thông tin được đưa tới bộ mã hóa kiểm tra độ dư chu trình (CRC) ở node nguồn (bước 1).Kết quả đầu ra bộ mã hóa CRC được đưa tới bộ mã hóa sửa lỗi hướng đi (FEC) (bước 2),tao thành từ mã gồm N1 ký hiệu,do đó tốc độ mã sẽ là R1=R1

R I Từ mã này sau đó được phát tới nodeđích và cũng được xử lý mào đầu bởi node hợp tác (bước 3).Sau khi thu được thông tin truyền dẫn từ node nguồn,node hợp tác tiến hành giải mã cả hai từ mã CRC và FEC ( bước 4).Nếu giải mã CRC là chính xác (bước 5),N Iký hiệu thông tin

ở node hợp tác lại được đưa tới bộ mã hóa CRC.Đầu ra bộ mã hóa CRC sau đó lại được đưa tới bộ mã hóa sửa lỗi hướng đi FEC,dẫn đến kết quả đầu ra là từ mà gồm

N >N1 ký hiệu(bước 6),tức là tốc độ mã ở node hợp tác là R=N/N I<N1

Kết quả xử lý ở node hợp tác là một từ mã được tạo ra theo cách tương tự như từ

mã được phát bởi node nguồn nhưng gồm N2=N −N1 ký hiệu kiểm tra chắn lẻ bổ sung tách rời khỏi phần còn lại của các ký hiệu( bước 7).Trong suốt 2 pha của quá trình truyền thông,N2 ký hiệu bổ sung được gửi bởi node hợp tác tới node đích (bước 8).Ở node đích,N2ký hiệu từ node hợp tác được kết hợp với N1ký hiệu ở node nguồn để tái tạo từ mã gồm N ký hiệu và có tốc độ R (bước 9).Từ mã này sau

đó được giải mã (bước 10) và bản tin gốc được khôi phục nếu mã FEC có thể sửa

Chú ý rằng toàn bộ quá trình có thể được xem như thể là node nguồn cũng thực hiện mã hóa kênh ở tốc độ R và từ mã được phát gồm N1 ký hiệu được tạo bằng cách puncture (xóa) N2 ký hiệu từ từ mã gồm N ký hiệu.Dù mã kênh được tạo ra như thế nào,thì điều quan trọng là từ mã được phát bởi node nguồn thuộc về một

mã yếu hơn mã được sử dụng ở node đích.Mã ở node đích mạnh hơn mã ở node nguồn nhờ kết hợp N2 ký hiệu chẵn lẻ thu được từ node hợp tác Chúng ta cũng chú

ý rằng node nguồn và node hợp tác hoạt động trên kênh trực giao,do đó ở cùng thờiđiểm mà node nguồn phát từ mã của mình thì node hợp tác cũng thực hiện phát dữ liệu của nó.Thậm chí là trong khi node hợp tác giúp node nguồn bằng cách phát N2

ký hiệu,node nguồn cũng có thể giúp node hợp tác nhờ phát thông tin theo cách tương tự

Hoạt động của giao thức hợp tác được mã hóa giả thiết rằng node hợp tác giải mã thành công bản tin gửi từ node nguồn(sau khi kiểm tra CRC).Nếu node hợp tác không thực hiện giải mã thành công.nó không thể tạo ra N2 ký hiệu chẵn lẻ bổ sungđối với node nguồn;thay vào đó ,node hợp tác tạo ra và phát N2 ký hiệu chẵn lẻ từ chính dữ liệu của nó.Do đó ,từ mã yếu hơn được phát bởi node nguồn phải là từ mãkhả trị có thể được giải mã khi node hợp tác không thể gửi N2 ký hiệu chẵn lẻ bổ sung

Bởi vì ở giao thức hợp tác được mã hóa,hoạt động của node nguồn và node hợp tác là hoàn toàn đối xứng,chúng ta có thể gọi hai node hợp tác là node một và nodehai.Chất lượng của sơ đồ hợp tác được mã hóa được quyết định bởi khả năng xảy

ra của một trong bốn sự kiện có thể sau:

-Cả node một và node hai đều thành công trong việc giải mã mã kênh (mã yếu hơn)

-Cả node một và hai đều thất bại trong việc giải mã mã kênh(mã yếu hơn)

-Node một thành công trong việc giải mã mã kênh từ node hai nhưng node hai thất bại trong việc giải mã kênh từ node một.Trong trường hợp này,cả hai node gửi thông tin chẵn lẻ bổ sung cho node hai,sau đố thông tin có thể được kết hợp với nhau ở máy thu sử dụng,ví dụ,bộ kết hợp tỷ lệ cực đại MRC

- Node hai thành công trong việc giải mã mã kênh từ node một nhưng node một thất bại trong việc giải mã kênh từ node hai.Trong trường hợp này,cả hai node gửi

thông tin chẵn lẻ bổ sung cho node một,sau đố thông tin có thể được kết hợp với nhau ở máy thu sử dụng,ví dụ,bộ kết hợp tỷ lệ cực đại MRC.

Do kết quả của bốn sự kiện này,xác suất outage ở sơ đồ hợp tác được mã hóa được xác định bằng xác suất outage trung bình của bốn sự kiện

II.3.3 Giao thức ước lượng và phát chuyển tiếp

Phần III.Các giao thức hợp tác thích nghi

Các sơ đồ chuyển tiếp cố định chịu tổn thất xác định về tốc độ truyền dẫn,ví dụ,chịu tổn thất 50% về hiệu quả sử dụng phổ với truyền dẫn hai pha.Hơn

nữa ,chất lượng các sơ đồ chuyển tiếp DF cố định bị hạn chế bởi các kênh yếu giữanode nguồn-node chuyển tiếp và kênh yếu giữa node chuyển tiếp –node đích làm

dựng để cải thiện các nhược điểm nói trên.Dưới đây chúng ta nghiên cứu hai chiến lược hợp tác là:chuyển tiếp DF và chuyển tiếp gia tăng.

III.1 Giao thức hợp tác DF lựa chọn

Ở sơ đồ chuyển tiếp DF lựa chọn,nếu tỉ số tín hiệu trên tạp âm(SNR) thu được ở node chuyển tiếp lớn hớn một ngưỡng xác định,node chuyển tiếp giải mã tín hiệu thu được và phát chuyển tiếp thông tin đã được giải mã tới node đích.Ngược

lại,nếu kênh giữa node nguồn và node chuyển tiếp chịu fading trầm trọng dẫn đến

tỉ số tín hiệu trên tạp âm nhỏ dưới ngưỡng xác định,thì node chuyển tiếp rỗi.Sơ đồ chuyển tiếp lựa chọn cải thiện chất lượng hơn so với sơ đồ chuyển tiếp DF cố định,bởi vì ngưỡng của node chuyển tiếp có thể được xác định để khắc phục nhượcđiển của sơ đồ DF cố định mà ở đó node chuyển tiếp phát chuyển tiếp tất cả các tiến hiệu đã giải mã tới node đích mặc dù một số tín hiệu đã giải mã không được chính xác

Nếu SNR có lien kết node nguồn-node chuyển tiếp lớn hơn giá trị ngưỡng,node chuyển tiếp có khả năng giải mã tín hiệu thu được từ node nguồn một cách chính xác.Trong trường hợp này SNR ở đầu ra MRC kết hợp với node đích là tổng các SNR thu được từ node nguồn và node chuyển tiếp.Do đó,thông tin tương hỗ đối với sơ đồ hợp tác DF lựa chọn là[2,4]:

(26)

Với

Xác suất outage đôi với sơ đồ lựa chọn có thể được tính như sau.Sử dụng luật tổngxác suất,với điều kiện node chuyển tiếp có phát chuyển tiếp tín hiệu từ node nguồn hay không,chúng ta có

(29)

Biểu thức (29) đạt được độ lợi phân tập giống như sơ đồ AF.Điều này có nghĩa là SNR cao thì cả hai sơ đồ chuyển tiếp DF lựa chọn và sơ đồ chuyển tiếp AF đạt được độ lợi phân tập như nhau.

III.2 Giao thức hợp tác chuyển tiếp gia tăng

Ở sơ đồ hợp tác chuyển tiếp gia tăng ,chúng ta giả thiết rằng tồn tại kênh phản hồi

từ node đích tới node chuyển tiếp.Node đích gửi một xác nhận tới node chuyển tiếpnếu nó thu được bản tin ở node nguồn chính xác ở pha truyền dẫn đầu tiên,vì vậy node chuyển tiếp không cần phải phát thông tin tới node đích Giao thức này đạt được hiệu quả sử dụng phổ tốt nhất trong các giao thức hợp tác đã nghiên cứu,bởi

vì node chuyển tiếp không phải lúc nào cũng cần thiết phát thông tin;do đó,pha truyền dẫn thứ hai là tận dụng cơ hội phụ thuộc vào điều kiện trạng thái của kênh trực tiếp giữa node nguồn và node đích.Sơ đồ chuyển tiếp gia tăng đạt được độ lợi phân tập bằng hai như phân tích dưới đây

Ở sơ đồ chuyển tiếp gia tăng,nếu truyền dẫn từ node nguồn đến node đích thành công ở pha đầu tiên thì sẽ không có pha thứ hai và node nguồn sẽ phát thông tin mới ở khe thời gian kế tiếp.Ngược lại, nếu truyền dẫn từ node nguồn đến node đíchkhông thành công ở pha đầu tiên,node chuyển tiếp có thể sử dụng bất kỳ giao thức chuyển tiếp cố định nào để phát tín hiệu nguồn từ pha đầu tiên.Sau đây chúng ta nghiên cứu việc chuyển tiếp sử dụng giao thức AF

Chúng ta chú ý rằng tốc độ truyền dẫn là ngẫu nhiên ở sơ đồ chuyển tiếp gia tăng.Nếu pha đầu tiên thành công,tốc độ truyền dẫn là R,trong khi đó nếu truyền dẫn ở pha đầu tiên outage tốc độ truyền dẫn sẽ là R/2 giống như ở sơ đồ chuyển tiếp cố định.Xác suất outage có thể được tính như sau[2,4]:

(30) Các biểu thức xác suất outage cho truyền dẫn trực tiếp và chuyển tiếp AF đã được tính toán ở phần trước.Xác suất outage là một hàm của SNR và tốc độ R được xác định là[2,4]: