PHÂN TÍCH và ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC GBN ARQ

Trong trường hợp này, phía thu không thể nhận thêm các gói dữ liệu từ phía phát dẫn đến việc phía phát phải thực hiện truyền lại dữ liệu, gây lãng phí băng thông trên đường truyền... Tín

Đặng Thị Thái Bình

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC GBN-ARQ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2015

Đặng Thị Thái Bình

PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG GIAO THỨC GBN-ARQ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn Thông

Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Lê Nhật Thăng

HÀ NỘI - 2015

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được aicông bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Học viên

Đặng Thị Thái Bình

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin cảm ơn gia đình, người thân đã luôn bên cạnh trong những lúc khó

khăn nhất, là nguồn động lực lớn lao để tôi làm việc và học tập

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Lê Nhật Thăng, Học

Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, đã luôn hướng dẫn tận tình trong quá

trình làm luận văn Đồng thời cũng xin gửi lời cảm ơn tới các Thầy, Cô Học Viện

Công nghệ Bưu Chính Viễn thông và bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và hỗ trợ để

tôi có thể hoàn thành luận văn này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN III THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VII DANH MỤC HÌNH VẼ VIII

MỞ ĐẦU 1

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 5

1.3 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 6

1.3.1 Giới thiệu 6

1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 8

1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) 8

1.3.2.2 Hiệu ứng Doppler 9

1.3.2.3 Suy hao trên đường truyền 11

1.3.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 11

1.3.3 Các dạng kênh truyền 11

1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản 13

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 22

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ARQ 23

2.1 Tổng quan về ARQ 23

2.2 Điều khiển luồng kết hợp ARQ Stop-and- wait 25

2.2.1 Hoạt động 26

2.2.2Hiệu suất 27

2.3.3 Khi khung thông tin bị lỗi 33

2.3.4 Hiệu suất của cơ chế Go-back-N 35

2.4 ĐIỀU KHIỂN LUỒNG KẾT HỢP SELECTIVE-REPEAT ARQ 40

2.4.1 Nguyên tắc hoạt động 40

2.4.2 Hiệu suất 41

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 43

CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG GBN- ARQ CHO KÊNH VÔ TUYẾN 44

3.1Giới thiệu 44

3.2Trạng thái kênh và hoạt động của ARQ 44

3.3 Phân tích Thông lượng 48

3.4 Kết luận chương 3 55

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 59

THUẬT NGỮ VIẾT T T ẮT

ACK Acknowledgement Phản hồi tích cực

ARQ Automatic repeat request Cơ chế tự động phát lại

DPS Delay Power Spectrum Phổ công suất trễ

FEC Forward Error Correction

GBN-ARQ Go-Back-N ARQ Cơ chế phát lại theo nhómHDLC High Data Link Control Điều khiển liên kết dữ liệu cao

MC-CDMA Multicarrier Code

DivisionMultiple Access

Kỹ thuật phân chia theo mã đasóng mang

NAK NegativeAcknowledgement Phản hồi tiêu cực

NRP Normalized Received Power Công suất thu chuẩn hóa

PDP Power Delay Profile Lý lịch trễ công suất

SR-ARQ Selective Repeat ARQ Cơ chế phát lại có lựa chọn

Sequence Number Lựa chọn sốSW-ARQ Stop-and-wait ARQ Cơ chế phát dựng và đợi

DANH MỤC HÌNH VẼ

HÌNH 1.1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN [2] 5

HÌNH 1.2: MÔ HÌNH HỆ THÔNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN [1] 6

HÌNH 1.3: HIỆN TƯỢNG ĐA ĐƯỜNG [2] 9

HÌNH 1.4: HIỆU ỨNG DOPPLER [2] 10

HÌNH 1.5: MẬT ĐỘ PHỔ CỦA TÍN HIỆU THU [2] 11

HÌNH 1.6A: KÊNH TRUYỀN CHỌN LỌC TẦN SỐ (F0<W) [2] 12

HÌNH 1.6B: KÊNH TRUYỀN KHÔNG CHỌN LỌC TẦN SỐ (F0>W) [2] 12

HÌNH 1.7: HÀM MẬT ĐỘ XÁC SUẤT CỦA PHÂN BỐ RAYLEIGH [2] 15

HÌNH 1.8: HÀM MẬT ĐỘ XÁC SUẤT CỦA PHÂN BỐ RICEAN: K =   DB (RAYLEIGH) VÀ K = 6 DB VỚI K >>1, GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH CỦA PHÂN BỐ RICEAN XẤP XỈ VỚI PHÂN BỐ [2] GAUSS 17

HINH 1.9: MO HINH LÝ LỊCH TRỄ CÔNG SUẤT TRUNG BÌNH [1] 20

HÌNH 2.1: THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA ARQ [3] 23

HÌNH 2.2: PHÁT LẠI THEO CƠ CHẾ DỪNG VÀ ĐỢI [3] 25

HÌNH 2.3: STOP-AND-WAIT ARQ CÓ DÙNG SN/RN [3] 27

HÌNH 2.4: GIẢN ĐỒ THỜI GIAN KHI TRUYỀN TỪ PHÁT SANG THU, KHÔNG CÓ LỖI [3] 28

HÌNH 2.5: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CƠ CHẾ CỬA SỔ TRƯỢT [3] 33

HÌNH 2.7A: GIẢN ĐỒ THỜI GIAN PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT CỬA

SỔ, W> 2A+1 [3] 36 HÌNH 2.7B: GIẢN ĐỒ THỜI GIAN PHƯƠNG PHÁP TRƯỢT CỬA SỔ TRƯỢT, W<2A+1 [3] 36 HÌNH 2.8: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG SELECTIVE REPEAT [3] 40 HÌNH 3.1: MÔ HÌNH DỮ LIỆU 45 HÌNH 3.2: MÔ HÌNH 2 TRẠNG THÁI KÊNH 46 HÌNH 3.3: SƠ ĐỒ CHUYỂN ĐỔI 4 TRẠNG THÁI (GOOD/BAD) 47 HÌNH 3.4: HIỆU SUẤT THÔNG LƯỢNG VỚI KHỐI LỖI XÁC SUẤT N=10 52 HÌNH 3.5: HIỆU SUẤT THÔNG LƯỢNG ĐỐI VỚI KHỐI LỖI XÁC SUẤT (N=10), CHƯƠNG TRÌNH GBN-ARQ CỔ ĐIỂN, 2-COPY, CHƯƠNG TRÌNH ĐỀ XUẤT 1( Α= 0.08, Β=0.0243, Λ=0.008, V=0.04), CHƯƠNG TRÌNH ĐỀ XUẤT 2 (V=0.01), CHƯƠNG TRÌNH ĐỀ XUẤT

3 (V=0.0067) 53

Hình 3.6: hiệu suất thông lượng đối với khối lỗi xác suất (n=10), chương trình GBN-ARQ cổ điển, 2-copy, chương trình đề xuất 1( α= 0.08, β=0.0243, v=0.008, λ=0.04) , chương trình đề xuất 2 (α= 0.08, β=0.0243, v=0.008 λ=0.02) 54

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các giải pháp công nghệ hạ tầng mạng

truyền thông, hàng loạt các yêu cầu mới được đặt ra đối với các vấn đề khai thác và

triển khai hệ thống trong môi trường mạng thực tiễn Bài toán quản lý mạng viễn

thông luôn là mối quan tâm hàng đầu và là một trong những vấn đề quan trọng nhất

cần giải quyết của các nhà khai thác viễn thông Tùy thuộc vào các giải pháp công

nghệ và các ứng dụng triển khai mà các nhà khai thác lựa chọn và xây dựng các hệ

thống quản lý, điều khiển một cách thích hợp để nâng cao hiệu quả vận hành và

khai thác mạng Trên thực tế trao đổi thông tin trong mạng, có thể xảy ra tình trạng

phía phát truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn khả năng xử lý của phía thu, dẫn đến bộ

đệm của phía thu sẽ đầy dần và bị tràn Trong trường hợp này, phía thu không thể

nhận thêm các gói dữ liệu từ phía phát dẫn đến việc phía phát phải thực hiện truyền

lại dữ liệu, gây lãng phí băng thông trên đường truyền

Khi truyền thông tin trong mạng, thông tin truyền từ phía phát sang phía thu

có thể bị sai lỗi hoặc mất còn việc thông tin bị mất thì cần phải thực hiện truyền lại

thông tin Còn việc thông tin bị sai thì cần phải tìm hiểu nguyên nhân để sửa sai, Có

hai cách để sửa sai:

 Sai do bên thu và sửa lỗi trực tiếp bên thu với điều kiện là thông tin trước khi

truyền phải được cài các mã sửa lỗi Như vậy số lượng bít thông tin có thể sửa sai

phụ thuộc vào số lượng mã sửa sai và số bít thông tin thêm vào cho mục đích sửa

sai Số bít thông tin thêm vào càng lớn thì số bít có thể sửa sai càng nhiều, tuy nhiên

hiệu suất thông tin lại thấp

 Sửa sai bằng yêu cầu bên phát truyền lại thông tin Với phương pháp này thì chỉ

cần thêm các bít thông tin phục vụ cho mục đích phát hiện lỗi, do đó hiệu suất

truyền thông tin cao hơn so với trường hợp trên Tùy từng phương pháp mà yêu cầu

cửa sổ khác nhau cửa sổ của GBN-ARQ là (N-1) và cửa sổ của Selective-Repeat là

(N+1)/2, Bên gửi chỉ có thể gửi tối đa lượng thông tin chứa trong cửa sổ này

Tuy nhiên khi có lỗi xảy ra với khung thông tin thì toàn bộ khung thông tin

phải được truyền lại Các cơ chế phát lại được chia ra làm 3 loại chính:

1 Cơ chế phát lại dừng và đợi (Stop-and-Wait ARQ)

2 Cơ chế phát lại theo nhóm (Go-back-N ARQ)

3 Cơ chế phát lại có lựa chọn (Selective –Repeat ARQ)

Cơ chế phát lại dừng và đợi (Stop-and-Wait ARQ): là một dạng của điều

khiển dòng truyền dừng và đợi đã mở rộng để chứa các chức năng truyền lại dữ liệu

trong trường hợp dữ liệu bị mất hoặc bị hư hỏng Ưu điểm là đơn giản xong nhược

điểm là trễ do quá trình dừng và đợi vì vậy mà hiệu suất kém

Cơ chế phát lại theo nhóm (Go-back-N ARQ): Phía phát sẽ được phát nhiều

hơn một khung thông tin trước khi nhận được báo nhận từ phía thu Số khung cực

đại mà phía phát có thể phát là N, được gọi là kích thước cửa sổ Với cơ chế hoạt

động này được gọi là cơ chế cửa sổ trượt (sliding window) Ưu điểm của phương

pháp Go-back-N ARQ là hiệu suất cao hơn so với phương pháp ARQ dừng và đợi

Cơ chế xử lý thông tin ở phía thu khá đơn giản và không cần bộ đệm Để phương

pháp này hoạt động có hiệu quả thì kích thước của cửa sổ phải nhỏ hơn module của

một frame 1 đơn vị

Cơ chế phát lại có lựa chọn (Selective-Repeat ARQ): cũng sử dụng kỹ thuật

cửa sổ trượt Nếu không có lỗi xảy ra, quá trình diễn ra giống với Go-back-N Nếu

có lỗi xảy ra, chỉ những gói lỗi được phát lại Cơ chế này giúp tăng hiệu quả sử

dụng đường truyền so với cơ chế Go-back-N Tuy nhiên, cơ chế Selective-Repeat

hoạt động phức tạp hơn do nó yêu cầu phía thu phải có khả năng xử lý các khung

thông tin đến phía thu không theo thứ tự Ngoài ra, phía thu cần phải có bộ đệm để

có thể lưu tạm thời các khung thông tin này Phương pháp Selective-Repeat ARQ

chỉ truyền lại các frame bị hỏng hay thất lạc nên có vẻ hiệu quả hơn so với việc

chuyển lại tất cả các frame bị hỏng của phương pháp Go-back-N ARQ, nhưng do cơ

chế chọn lọc và lưu trữ mà máy thu phải có, cùng với cơ chế chọn lọc phức tạp nên

phương pháp Selective-Repeat ARQ có chi phí đắt hơn Tuy phương pháp

Selective-Repeat ARQ có hiệu quả hơn nhưng phương pháp Go-Back-N ARQ dễ

thiết lập hơn nên được sử dụng nhiều hơn

Trên thực tế người ta đã nghiên cứu áp dụng GBN-ARQ cho kênh vô tuyến

nhằm có được hiệu quả thông lượng cao Qua phân tích và nghiên cứu giao thức

GBN-ARQ cung cấp thông lượng cao hơn, so với các ARQ khác tương đương theo

một loạt các điều kiện tỷ lệ lỗi Được sự chỉ dẫn của PGS.TS Lê Nhật Thăng tôi xin

phép thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học khóa 2014- 2015 với tiêu đề “Phân tích

và đánh giá hiệu năng giao thức GBN-ARQ” Với mục đích nghiên cứu đánh giá

hiệu năng giao thức GBN-ARQ

Ngoài phần mở đầu và kết luận thì luận văn được viết thành ba chương

chính bao gồm:

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống thông tin vô tuyến, kênh vô tuyến các ảnh

hưởng đến chất lượng đường truyền Đưa ra các mô hình cơ bản của kênh vô tuyến

Chương 2: Giới thiệu chung về ARQ, phân loại và so sánh các giao thức

ARQ (Stop-and-Wait, Go-back-N, Seletive-Repeat), giới thiệu giao thức

GBN-ARQ

Chương 3: Đưa ra biểu đồ trạng thái, các thông số đánh giá, phân tích đánhgiá hiệu năng giao thức GBN-ARQ cùng với kết quả và đưa ra kiến nghị

Do điều kiện thời gian, kiến thức còn hạn hẹp, nên bài luận văn sẽ không

tránh khỏi những thiều sót về nội dung cũng như hình thức Học viên thực hiện rất

mong nhận được sự quan tâm, chỉ bảo của quý Thầy, Cô và các anh (chị) để bài

luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

1.1Giới thiệu chương

Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông

tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến Mạng thông tin vô tuyến

ngày nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống

hiện đại

Hình 1.1: Kênh truyền vô tuyến [2]

Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền làmột trong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp Nó là môitrường để truyền thông tin từ máy phát đến máy thu Vì thế chương này tìm hiểu cácthông tin về kênh truyền Đó là, các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền, cácdạng kênh truyền và các mô hình kênh truyền cơ bản Ngoài ra chương này còn giớithiệu khái quát về hệ thống thông tin vô tuyến

1.2 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến

Hình 1.2 thể hiện một mô hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến.Nguồn tin trước hết qua mã hoá nguồn để giảm các thông tin dư thừa, sau đó được

mã hoá kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra Tín hiệu sau khi qua mã kênhđược điều chế để có thể truyền tải đi xa Các mức điều chế phải phù hợp với điềukiện của kênh truyền Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ởmáy thu sẽ trải qua các bước ngược lại so với máy phát Kết quả tín hiệu được giải

mã và thu lại được ở máy thu Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượngkênh truyền và các phương pháp điều chế và mã hoá khác nhau Do đó ngày nay các

kỹ thuật mới ra đời nhằm cải thiện chất lượng kênh truyền nói riêng và mạng vôtuyến nói chung, một trong những kỹ thuật đó là MC-CDMA

Tín hiệu đích Giải mã hóa nguồn Giải mã hóa kênh

 a k

 ,

k a

1.3 Kênh truyền vô tuyến

1.3.1 Giới thiệu

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi

mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truyền

hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn

ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua

kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối…, bị phản xạ, tán

xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading Và kết quả là ở máy

thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát Điều này ảnh

hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Do đó việc nắm vững những

đặc tính của kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể chọn lựa một cách

thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và các thông số

tối ưu của hệ thống

Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai

loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading)

Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình công suất tín hiệu hoặc độ

suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng Hiện tượng này chịu

ảnh hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa

máy phát và máy thu Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật cản cao

Các thống kê về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh

truyền theo hàm của khoảng cách

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu Điều

này xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí không gian (nhỏ khoảng nửa bước

sóng) giữa phía phát và phía thu Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải thời gian

(time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của

kênh truyền Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian

vì sự di chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống

di động:

- Phản xạ xẩy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích

thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF

- Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởimột nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng Nhiễu xạ làhiện tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phátđến phía thu mà không cần đường truyền thẳng Nó thường được gọi là hiệu ứngchắn (shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởivật cản không thể truyền xuyên qua

- Tán xạ xẩy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghềlàm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng Trongmôi trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ là cột đèn, cột báo hiệu, tánlá

1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath)

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường

không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xẩy ra là do giữa nơi

phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy,

sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi

sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác Hiện tượng

này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation) Do hiện tượng đa

đường, tín hiệu thu được là tổng của các bản sao tín hiệu phát Các bản sao này bị

suy hao, trễ, dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tuỳ thuộc vào pha của từng thành

phần mà tín hiệu chồng chập có thể được khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn

Ngoài ra khi truyền tín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa

đường và nơi thu nhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tượng này

gọi là sự phân tán đáp ứng xung (impulse dispersion) Hiện tượng méo gây ra bởikênh truyền đa đường thì tuyến tính và có thể được bù lại ở phía thu bằng các bộcân bằng

Hình 1.3: Hiện tượng đa đường [2]

1.3.2.2 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát vàmáy thu như trình bày ở hình 1.4 Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệuthu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler

Giả thiết góc tới của tuyến n so với hướng chuyển động của máy thu là α n,

khi đó tần số Doppler của tuyến này là:

Trong đó f 0 , v, c lần lượt là tần số sóng mang của hệ thống, vận tốc chuyển

động tương đối của máy thu so với máy phát và vận tốc ánh sáng Nếu αn = 0 thì tần

) (

2 t



) (

1 t



Trạm phát

Hình 1.4: Hiệu ứng Doppler [2]

Giả thiết tín hiệu đến máy thu bằng nhiều luồng khác nhau với cường độngang hàng nhau ở khắp mọi hướng, khi đó phổ của tín hiệu tương ứng với tần sốDoppler được biểu diễn như sau:

2 0 max

Phổ tín hiệu thu được biểu diễn lại ở hình 1.5

Mật độ phổ tín hiệu thu bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Doppler do Jake tìm ra

năm 1974 và được gọi là phổ Jake Ý nghĩa của phổ tín hiệu này được giải thích

như sau: Giả thiết tín hiệu phát đi ở tần số sóng mang f

0

, khi đó tín hiệu thu được sẽ

không nhận được ở chính xác trên tần số sóng màng f

Hình 1.5: Mật độ phổ của tín hiệu thu [2]

1.3.2.3 Suy hao trên đường truyền

Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phátđến máy thu Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khácphục bằng các phương pháp điều khiển công suất

1.3.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhàcao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên, hiệntượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Vì vậy,hiệu ứng này được gọi là fading chậm.

1.3.3 Các dạng kênh truyền

Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát

mà ta có

- Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

- Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian

1.3.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số

Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứngtần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảngtần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.6 là f0

Trên hình 1.6a, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băngthông của tín hiệu phát Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền khôngcho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền

đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau Dạng kênh truyền như vậy được gọi làkênh truyền chọn lọc tần số

Hình 1.6a: Kênh truyền chọn lọc tần số (f 0 <W) [2]

Hình 1.6b: Kênh truyền không chọn lọc tần số (f 0 >W) [2]

Ngược lại, trên hình 1.6b, kênh truyền có f

0

lớn hơn nhiều so với băng thông

của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự

suy giảm và dịch pha gần như nhau Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh

truyền không chọn lọc tần số hoặc kênh truyền fading phẳng

1.3.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và không chọn lọc thời gian

Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất

trên đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc… luôn luôn có những vật thể mới

xuất hiện và những vật thể cũ mất đi… Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền

phản xạ, tán xạ… qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn

thay đổi theo thời gian

Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là Coherent

time Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay

đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian)

Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (Symbol duration) rất lớn so với

Coherent time thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian Ngược

lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (Symbol duration) rất nhỏ so với

Coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời

gian hay phẳng về thời gian

1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản

1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh

Trong những kênh vô tuyến di động, phân bố Rayleigh thường được dùng để

mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu

được hoặc đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ Chúng ta biết rằng

đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao tuân theo phân bố Rayleigh

Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xác suất:

Với σ là giá trị rms (hiệu dụng) của điện thế tín hiệu nhận được trước bộ tách đường bao (evelope detection) σ2 là công suất trung bình theo thời gian.

Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị R

cho trước được cho bởi hàm phân bố tích lũy:

2

2 0

2

R r

Giá trị hiệu dụng của đường bao là 2  (căn bậc hai của giá trị trung

bình bình phương) Giá trị median của r tìm được khi giải phương trình:

1.3.4.2 Phân bố Ricean

Trong trường hợp fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu đến trựctiếp máy thu mà không bị phản xạ hay tán xạ (thành phần light-of-sight) với côngsuất vượt trội Khi có thành phần này, phân bố sẽ là Ricean Trong trường hợp này,các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau đượcxếp chồng lên tín hiệu light-of-sight Tại ngõ ra của bộ tách đường bao, điều này cóảnh hưởng như là cộng thêm thành phần DC vào các thành phần đa đường ngẫunhiên Giống như trong trường hợp dò sóng sin trong khi bị nhiễu nhiệt, ảnh hưởng

của tín hiệu light-of-sight (có công suất vượt trội) đến bộ thu cùng với các tín hiệu

đa đường (có công suất yếu hơn) sẽ làm cho phân bố Ricean rõ rệt hơn Khi thành

phần light-of-sight bị suy yếu, tín hiệu tổng hợp trông giống như nhiễu có đường

bao theo phân bố Rayleigh Vì vậy, phân bố bị trở thành phân bố Rayleigh trong

trường hợp thành phần light-of-sight mất đi

Hình 1.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh [2]

0 σ 2σ 3σ 4σ 5σ

p(r) 0 6065 /

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean

2 2 2

( ) 2 0

A: Biên độ đỉnh của thành phần light-of-sight

Io: Là hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi thông số k được định nghĩa như là tỉ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần light-of-sight) và công suất các thành phần đa đường:

2 2

2

A k



Hay viết dưới dạng dB

2 2

k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean.

Khi A →0, k  0 ( dB) thành phần light-of-sight bị suy giảm về biên

độ, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh Hình 1.8 mô tả hàm mật độ xác

suất của phân bố Ricean

1.3.4.3 Mô hình kênh trong miền thời gian

1.3.4.3 Mô hình kênh trong miền thời gian

Xây dựng mô hình kênh là điều không thể thiếu được khi nghiên cứu thông tin vô tuyến Kênh vô tuyến phađinh đa đường có thể được đặc trưng theo toán học bằng bộ lọc tuyến tính thay đổi theo thời gian Trong miền thời gian, ta có thể rút ra tín hiệu đầu ra kênh bằng tích chập tín hiệu đầu vào kênh với hàm đáp ứng xung kim kênh thay đổi

theo thời gian h(τ,t).τ,t).t) Ta có thể biểu diễn hàm đáp ứng xung kim kênh

như sau:

1

( ) 0

p(r)

k = dB

k = 6 dB

Hình 1.8: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean: k = dB (Rayleigh) và k

= 6 dB Với k >>1, giá trị trung bình của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố [2]

Gauss

Lưu ý rằng trong môi trường thực tế, {1 ( )},{t 1 ( )},{t 1 ( )}t thay đổi theothời gian Trong phạm vi hẹp (vào khoảng vài bước sóng λ { ( )},{ ( )}1 t 1 t có thể coi

là ít thay đổi Tuy nhiên các pha {  1 ( )}t thay đổi ngẫu nhiên trong khoảng [-π,π].Tất cả các thông số kênh được đưa ra ở đây đều được định nghĩa từ lý lịch trễ côngsuất (PDP), PDP là một hàm được rút ra từ đáp ứng xung kim PDP được xác địnhnhư sau:

1 2

1 0

trong đó P,max= max {P} (1.16)

Lưu ý rằng khi có tia đi thẳng, tia vượt trội là tia đầu tiên và là tia đi thẳng,tương ứng với P1,max P0 tại  0 0

Thông số thứ hai là trải trễ trung bình quân phương,  là môment bậc hai của PDP chuẩn hóa, được biểu diễn như sau:

Vì pha của các tia không còn nữa, các thông số kênh phải hầu như không đổi

trong diện hẹp, với điều kiện là các đường truyền hoàn toàn phân giải

Rõ ràng rằng biên độ, pha và trễ trội của tất cả các xung thu tạo nên mô hình

kênh miền thời gian Quy luật phân bố của biên độ, pha và mô hình lý lịch trễ công

suất cho kênh trong nhà như sau:

Các pha của các đường truyền độc lập tương hỗ so với nhau (không tương

quan) và có phân bố đều trong khoảng [-π, π]

Nếu ta coi rằng tất cả các đường truyền đều có thể được tạo ra từ cùng một

quá trình thống kê và rằng quá trình tạo đường truyền này là quá trình dừng nghĩa

rộng so với biến t, thì biên độ của các dường truyền tán xạ sẽ tuân theo phân bố

Rayleigh (được xác định theo công thức 1.4) và PDP biên độ của tất cả các đường

truyền (gồm cả LOS) sẽ tuân theo phân bố Rice (xác định theo công thức 1.9)

Hình 1.9 biểu diễn mô hình của lý lịch trễ công suất trung bình (PDP: Power Delay Profile) cho một kênh vô tuyến đa đường Đường đầu tiên là LOS có công suất cao nhất Sau đó là các đường có mức công suất không đổi cho đến trễ trội mà sau đó các đường có công suất giảm tuyến tính theo dB Ta có thể biểu diễn PDP này theo dB như sau:

tin hiệu đi thẳng với công suất tín hiệu của phần mức không đổi và Z là độ dốc của

phần giảm tuyến tính trong PDP Nếu sử dụng quan hệ trên cho phân bố Rice, ta có

thể nhận được công suất biên độ của tín hiệu đi thẳng từ thừa số K trong công thức

(1.16) và biên độ tín hiệu các đường còn lại theo quan hệ này

Hình 1.9: Mô hình lý lịch trễ công suất trung bình [1]

1.3.4.4 Mô hình kênh trong miền tần số

Mô hình kênh trong miền tần số được trình bày ở dạng phổ công suất (DPS:

Delay Power Spectrum) DPS trong trường hợp này biểu diễn hàm truyền đạt kênh

Mô hình này nhận được trên cơ sở áp dụng chuyển đổi Fouier cho đáp ứng xung

của kênh ( xem công thức 1.19) quá trình này chứng tỏ rằng tán thời của kênh mang

1

1 ( )

Trong đó P(0)= h(0)2biểu thị công suất thành phần sóng đi thẳng( LOS),

biểu thị thành phần không đổi của mật độ phổ công suất, biểu thị mũ giảm vàđược xác định như sau:

ln10 10

z

z đo bằng dB/ns biểu thị độ dốc phần giảm tuyến tính của PDF.

Ta định nghĩa công suất thu chuẩn hóa (NRP: Normalized Received Power) là tỷ số giữa công suất thu và công suất phát như sau:

Trong đó PR ký hiệu cho công suất thu, PT ký hiệu cho công suất phát

Từ  h( ) định nghĩa theo (1.20), ta có thể rút ra biểu thức liên quan đến NRP, thừa số K và trải trễ trung bình quan phương  như sau :

max

1 0

1.4 Kết luận chương 1

Chương 1 đã nêu lên các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng của kênhtruyền, đó là hiệu ứng đa đường, hiệu ứng Doppler, suy hao đường truyền và hiệuứng bóng râm, từ đây muốn cải thiện chất lượng kênh truyền thì cần phải khắc phụccác hiện tượng này, do vậy mà nhiều kỹ thuật đã ra đời nhằm khắc phục nhượcđiểm nâng cao hiệu suất đường truyền có thể kể đến kỹ thuật ARQ (yêu cầu tự độngphát lại) Các kỹ thuật ARQ được trình bày tại chương 2 của luận văn đưa ra 3phương pháp ARQ từ đơn giản đến phức tạp, những so sánh đưa ra lựa chọn giaothức phù hợp nhằm nâng cao hiệu suất đường truyền, cụ thể đưa ra đánh giá về giaothức GBN-ARQ và tìm hiểu tại sao lại dùng giao thức GBN-ARQ để nâng cao hiệusuất đường truyền đó chính là mục đích của luận văn

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ARQ

2.1 Tổng quan về ARQ

Yêu cầu tự động phát lại Automatic Repeat-Request (ARQ) là một kỹ thuậtđược sử dụng để đảm bảo rằng một dòng được phân phối chính xác cho người sửdụng mặc dù lỗi xảy ra trong quá trình truyền ARQ hình thức cơ bản của giao thứcpeer-to-peer cung cấp cho việc chuyển giao đáng tin cậy của thông tin ARQ đượcphát triển ba loại giao thức cơ bản , được xây dựng từ đơn giản đến phức tạp Giảđịnh rằng người dùng tạo ra một chuỗi các khối thông tin để truyền, cơ chế ARQđòi hỏi khối để chứa một tiêu đề với kiểm soát thông tin đó là điều cần thiết để hoạtđộng thích hợp Như trong hình 2.1 máy phát cũng sẽ nối CRC bit kiểm tra mà baogồm các tiêu đề và các bit thông tin cho phép người nhận để xác định xem lỗi đãxảy ra trong quá trình truyền

Gói tin

Khung thông tin

Khung Điều khiển

Trạm A

Khung điều khiển

CRC Header Khung thông tin

Các giao thức ARQ được áp dụng trong một số kịch bản Truyền thống, các

ứng dụng phổ biến nhất liên quan đến việc truyền tải trên một kênh truyền thông

ARQ được giới thiệu ở đây để đảm bảo độ tin cậy, như đường dây thông tin liên lạc

đã trở nên ít nhiễu, các giao thức ARQ đã được thực hiện thường xuyên hơn ở các

cạnh của mạng để cung cấp độ tin cậy xuyên suốt (end-to-end) trong việc truyền tải

các gói dữ liệu qua nhiều bước nhảy trong một mạng, đó là qua kênh thông tin liên

lạc và nhiều thiết bị mạng khác

Ngoài các mã lỗi phát hiện, các yếu tố cơ bản khác của giao thức ARQ bao

gồm khung thông tin đó chuyển các gói tin sử dụng, khung kiểm soát, và thời gian

ra cơ chế, như hình 2.1 Thông tin điều khiển là các khối nhị phân ngắn mà bao gồm

một tiêu đề đó cung cấp các thông tin điều khiển tiếp theo là CRC Khung điều

khiển bao gồm ACK, trong đó thừa nhận việc tiếp nhận chính xác của khung hoặc

nhóm các khung nhất định; NAKs, trong đó chỉ ra rằng một khung đã nhận lỗi và

rằng người nhận là hành động nhất định; và một ENQ khung yêu cầu, mà lệnh thu

để hành động để báo cáo tình trạng của nó các cơ chế thời gian cần thiết phải nhắc

hành động nhất định để duy trì dòng chảy của khung hình chúng ta có thể hình

dung được truyền và nhận làm việc như về đảm bảo giao hàng đúng và có trật tự

của chuỗi các gói tin được cung cấp bởi người gửi

Khi truyền thông tin trong mạng, thông tin truyền từ phía phát sang phía thu

có thể bị sai lỗi hoặc mất Trong trường hợp thông tin bị mất, cần phải thực hiện

truyền lại thông tin Với trường hợp thông tin bị sai, có thể sửa sai bằng cách: Yêu

cầu phía phát truyền lại: phía thu sau khi kiểm tra và phát hiện có lỗi sẽ yêu cầu phía

phát truyền lại thông tin

Khác với sửa lỗi trực tiếp bên thu, trong trường hợp sửa lỗi bằng cách truyền

lại, thông tin trước khi phát chỉ cần thêm các bit thông tin phục vụ cho mục đích

phát hiện lỗi (số bit thêm vào ít hơn so với trường hợp sửa lỗi) do đó hiệu suất

truyền thông tin cao hơn so với trường hợp trên Tuy nhiên, trong trường hợp có lỗi