ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT DỪNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG THEO MÔ HÌNH KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP BÁN SONG CÔNG

ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT DỪNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG THEO MÔ HÌNH KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP BÁN SONG CÔNG ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT DỪNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG THEO MÔ HÌNH KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP BÁN SONG CÔNG ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT DỪNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG THEO MÔ HÌNH KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP BÁN SONG CÔNG ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT DỪNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG THEO MÔ HÌNH KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP BÁN SONG CÔNG ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT DỪNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG THEO MÔ HÌNH KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP BÁN SONG CÔNG ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT DỪNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG THEO MÔ HÌNH KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP BÁN SONG CÔNG

DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG THEO MÔ HÌNH KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP

BÁN SONG CÔNG

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

AMPS Advanced Mobile Phone Service

AWGN Additive White Gaussian Noise

BTS Base Transceiver Station

CDF Cumulative Distribution Function

CDMA Code Division Multiple Access

EDGE Enhanced Data Rate for GSM for Evolution

FDMA Frequency Division Multiple Access

GPRS General Packet Radio Service

ITU International Telecommunication Union

LTE Long-Term-Evolution

MIMO Multiple-Input and Multiple-Output

PDF Probability Density Function

PSR Power Splitting Base Relaying Protocol

TACS Total Access Communications System

TDMA Time Division Multiple Access

TD-SCDMA Time Division Synchronous Code Division Multiple AccessTSR Time Switching Base Relaying Protocol

UMTS Universal Mobile Telecommunication System

WCDMA Wideband Code Division Mulple Access

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU ĐỀ TÀI

1.1 Lý do lựa chọn đề tài:

Mạng di động ra đời và mang đến nhiều giá trị tích cực cho đời sống con người

Nó không chỉ giúp chúng ta giải quyết công việc một cách dễ dàng mà nó còn phục

vụ nhu cầu vui chơi giải trí, đồng thời giúp kết nối bạn bè, kết nối thế giới Từ cuốithế kỷ XX, mạng di động thế hệ đầu (1G) tiên được phát minh và đưa vào sử dụng ởcác nước phát triển như Châu Âu, Mỹ và Nga, trở thành một phát minh gây bức phálớn trong phương thức giao tiếp truyền tin giữa người với người mà không bị phụthuộc bởi khoảng cách địa lý

Chỉ sau hơn 4 thập kỷ hình thành và phát triển, mạng di động đã tiến hóa khôngngừng và đã lên đến thế hệ thứ 5 (5G), với mục đích nâng cấp và phục vụ tốt nhấtcho người dùng, mang đến những chất lượng tối ưu nhất về tốc độ truyền, dunglượng truyền, dữ liệu truyền, các chức năng mở rộng tin nhắn thoại, âm thanh, hìnhảnh ưu việt so với bước ban đầu Tuy nhiên, vấn đề khó tránh khỏi là khi số lượngngười dùng ngày càng tăng lên, làm cho hệ thống mạng di động trở nên quá tải mặc

dù trên lãnh thổ Việt Nam có hơn 96.000 trạm BTS trên tổng diện tích với kinh phíđầu tư với hơn 30.000 tỷ Bởi thế, việc nghiên cứu và phát triển đưa ra các giải phápnhư việc sử dụng các nút mạng di động đóng vai trò là những anten trung gian thuphát tín hiệu từ BTS đến người dùng khi thiết bị di chuyển ra ngoài tầm phủ sóngcủa BTS từ đó việc trao đổi thông tin luôn diễn ra liên tục và đảm bảo chất lượngdịch vụ

1.2 Cơ sở khoa học của đề tài:

Tín hiệu bắt đầu từ node nguồn sẽ được phát đi đến node relay trước khiđược truyền tới node đích Thực tế thì relay thường được cung cấp năng lượng từ bộnguồn, tuy nhiên để giải quyết vần đề về năng lượng là cái đề các thế hệ sau cầnnghiên cứu sao cho tối ưu nhất về chất lượng lẫn chi phí vận hành Vì thế việc lợi

dụng năng lượng có trong tín hiệu phát đi để cung cấp cho chính Relay trung gian

đã trở thành bài toán cần được giải quyết để giúp Relay hoạt động ổn định trongmọi điều kiện mà không bị vướng bận vấn đề nguồn cấp

1.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài:

Trong đề tài ta sẽ xét kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) là một trongnhững kĩ thuật đang được các nhà nghiên cứu thực nghiệm từ lý thuyết đi đến thực

tế Trong hệ thống AF, năng lượng sẽ được thu hoạch (EH) từ trong sóng vô tuyến(RF) và tận dụng năng lượng đó để chuyển tiếp mang thông tin từ nguồn đến đích

Hệ thống này gồm hai giao thức: dựa trên thời gian chuyển đổi (TSR) và cấu trúcphân tách công suất (PSR) Hai giao thức này sẽ có những đặc điểm riêng ta sẽ đisâu vào tìm hiểu ở Chương 2

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

• Tìm hiểu về kỹ thuật chuyển tiếp AF

• Tìm hiểu mô hình nút chuyển tiếp

• Tìm hiểu mô hình mạng truyền thông bán song công

• Cơ sở việc nghiên cứu về AF

• Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật AF

• Đánh giá hai giao thức TSR và PSR trong hệ thống AF trên các tiêu chí dunglượng và thông lượng

CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC VỀ CÁC THẾ HỆ THÔNG TIN DI ĐỘNG VÀ

MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC.

2.1 Khái quát về quá trình hình thành mạng thông tin di động:

Hệ thống thông tin di động (hay hệ thống tế bào số) là một hệ thống dùng liênliên lạc thông qua sóng điện, có thể vừa liên lạc vừa di chuyển được trong vùng phủsóng của các trạm Các dịch vụ của điện thoại di động đầu tiên cho đến cuối nhữngnăm 1970 mới xuất hiện, những hệ thống điện thoại di động này chưa thực sự tiệnlợi và có dung lượng rất thấp vì vậy sự phát triển của hệ thống này là không ngừng

để tiếp tục cải thiện, nâng cao chất lượng dịch vụ cho người dùng

Hình 2-1: Quá trình phát triển mạng thông tin di động

Thực tế ra đời từ 1920 dùng cho các cảnh sát Mỹ trao đổi thông với nhau Nhưngđến những năm 1970 thì một hệ thống di động AMPS (advanced mobile phoneservice) do nhóm Bell LaBST triển khai Tiếp đó đến 1982 Bưu chính viễn thôngcủa liên minh châu âu sáng lập nhóm phụ trách về di động là GSM (Group SpecialMobile) để chuẩn hóa thống nhất cho các hệ thống thông tin di động trên toàn châu

âu Đến năm 1991 thì hãng Qualcom bắt đầu triển khai công nghệ CDMA trên các

hệ thống thông tin di động theo chuẩn IS-95 (Interim Standard-95A)

Hình 2-2: Thống kê thuê bao và thị phần công nghệ di động trên toàn cầu

Tại Việt Nam thì mãi đến năm 1992 thì hệ thống thông tin di động đầu tiên ra đờivới tầm 5000 thuê bao Từ đó lần lượt các nhà cung cấp dịch vụ thông tin di độnglần lượt ra đời:

• Năm 1993 nhà mạng Mobifone được thành lập là sự liên doanh giữa công tybưu chính viễn thông Việt Nam (VNPT) và tập đoàn COMVIK của ThụyĐiển

• Đến 1996 thì VNPT tiếp tục lập ra Vinafone

• Năm 2002, Tập đoàn TELECOM của Hàn Quốc xâm nhập thị trường ViệtNam với tên là Sfone nhưng hoạt động được vài năm do không phù hợp nênsớm bị khai tử

• 6/2004, Công ty viễn thông quân đội với tên là Viettel hình thành và khôngngừng lớn mạnh mang tầm quốc tế

Hình 2-3: Lịch sử phát triển thông tin di động ở Việt Nam đến 2011

2.2 Mạng thông tin di động qua các thế hệ:

2.2.1 Mạng di động thế hệ đầu tiên (1G):

Từ cuối năm 1979 thì 1G mới bắt đầu thương mại hóa nhưng chưa rộng rãi làmạng di động vô tuyến xuất hiện trong thời kì đầu tiên trên thế giới nên còn kháđơn giản và còn nhiều nhược điểm Sau thời kì đó cuộc cách mạng về mạng di động

mở ra mỗi 10 năm là một công nghệ mạng di động mới ra đời Mạng di động 1G là

hệ thống giao tiếp thông tin qua tín hiệu analog

Mạng di động 1G sử dụng các anten thu và phát sóng gắn ngoài thiết bị,được kết nối theo tín hiệu tương tự truyền đến các trạm thu phát sóng để nhận tín vàhiệu xử lý thoại qua các module gắn bên trong thiết bị di động Vì thế lí do mà cácthế hệ mạng di động đầu tiên trên thế giới có kích thước lớn và cồng kềnh do vừatích hợp cùng lúc 2 module phát (TX) và thu tín hiệu (RX)

Tần số chỉ từ 150MHz nhưng có rất nhiều chuẩn kết nối tùy theo vùng: NMT(Nordic Mobile Telephone) do Bắc Âu và Nga dùng, AMPS (Advanced MobilePhone System) là chuẩn Mỹ, TACS (Total Access Communications System) làchuẩn Anh, JTAGS là của Nhật Bản, C-Netz của Tây Đức, Radiocom cho Pháp,RTMI chuẩn Ý…Công nghệ sử dụng cho 1G là FDMA và điều chế tần số (FM)

Hình 2-4: Sơ đồ hệ thống mạng di dộng 1G

Các mặt hạn chế của thế hệ mạng di động 1G:

• Tính bảo mật hạn chế do thuật toán mã hóa kém nên còn đơn giản

• Dễ bị biến dạng tín hiệu do xử lý nhiễu chưa tốt, vấn đề công nghệ

• Không thể sử dụng thích hợp với các tiêu chuẩn thông tin mới

• Thiết bị di dộng quá cồng kềnh

• Lãng phí về nguồn tài nguyên tần số

• Không đáp ứng được khối lượng người dùng lớn

2.2.2 Mạng di động thế hệ thứ 2 (2G)

Là thế hệ mạng thông tin di động mang tính cải cải tiến đột phát cũng nhưkhác biệt hoàn toàn so với thế hệ mạng di động đầu tiên (1G) Mạng thông tin diđộng 2G sử dụng công nghệ di dộng số với các tín hiệu kỹ thuật số digital thay chotín hiệu analog của thế hệ 1G trước đó và được tung ra mở rộng toàn cầu với chuẩnGSM được sử dụng lần đầu tiên tại Phần Lan trong năm 1991

Mạng di động 2G giúp cho người sử dụng di động với 3 lợi ích tiến bộ trongsuốt một thời gian dài: phạm vi kết nối khá rộng, mã hoá dữ liệu theo dạng số, và sựxuất hiện dịch vụ tin nhắn - SMS Các tín hiệu voice khi được thu nhận sẽ đuợc mãhoá thành các tín hiệu digital dưới nhiều dạng mã hiệu nên bảo mật cao, giúp chonhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một dãy băng thông, tiết kiệm được

thời gian và chi phí Hơn thế nữa mạng 2G sử dụng ít năng lượng, yêu cầu phầncứng thiết bị nhỏ gọn hơn thiết bị mạng 1G…

Hình 2-5: Sơ đồ hệ thống mạng di động 2G

Mạng di động 2G được chia làm 2 nhánh: TDMA (Time Division MultipleAccess) và CDMA cùng có nhiều dạng kết nối mạng khác nhau phụ thuộc yêu cầu

sử dụng của từng thiết bị di động cũng như hạ tầng mạng di động của từng quốc gia

Hình 2-6: Sơ đồ tiêu chí của mạng 2G và 2.5G

Mạng 2.5G là sự giao thoa giữa 2 thế hệ mạng 2G và 3G Xét về chức năngthì mạng 2.5G cung cấp một số lợi ích tương tự với mạng 3G và có thể dùng cơ sở

hạ tầng sẵn có của các nhà mạng từ 2G trong các mạng GSM và CDMA Và điểm

nổi bật hơn cả của mạng 2.5G đó chính là cộng nghệ GPRS - công nghệ kết nối trựctuyến, để lưu chuyển data được dùng bởi những nhà cung cấp dịch vụ viễn thôngGSM.

Tuy nhiên mạng di động 2G chưa đáp ứng hoàn toàn được nhu cầu truy cặpmạng Internet và về tốc độ nên do đó mạng di động thế hệ 3 tiếp tục ra đời

Hình 2-7: Các trạng thái của điện thoại ở mạng 2G

Mặt hạn chế mạng 2G:

• Tín hiệu digital còn yếu

• Đường cong bị phân rã góc

• Phạm vi truyền nhận âm thanh kém phụ thuộc khoảng cách cùng phủ

• Chưa thực nhiều ứng dụng mở rộng dành cho người dùng

2.2.3 Mạng di động thế hệ thứ 3 (3G):

Là mạng di động mang đến cho chúng ta nhiều tiện ích hơn ngoài dữ liệuthoại mà còn các dữ liệu ngoài thoại (tin nhắn nhanh, gửi email, âm thanh, tải dữliệu, video clips, hình ảnh )

Hình 2-8: Sơ đồ hệ thống mạng di động 3G

Mạng di động thế hệ 3 hình thành như là một chuẩncó tên IMT-2000 của Tổchức Viễn thông Thế giới (ITU) sáng lập Ban đầu 3G sẽ được kế hoạch là chỉ cómột chuẩn chung trên thế giới, nhưng thực tế 3G được bị chia thành 4 phần:

• Tốn nhiều băng, sử dung băng tần cao.

• Chi phí cho bản quyền tần số lớn

Các tính năng nổi bật của mạng 3G:

Hình 2-10: So sánh mạng 3G và 4G qua các hoạt động của thiết bị di động

Yêu cầu kỹ thuật của mạng 4G gồm có một kênh với băng thông mở rộng lêntới 40MHz và mạng chuyển mạch gói tin (Packet Switching) dựa vào địa chỉ IP

Công nghệ mạng 4G gồm có: TD-SCDMA, SDR, UMTS, OFDM, WiMaX,MIMO

Mặt hạn chế mạng di động thế hệ 4G:

• Tiêu phí nhiều năng lượng cho thiết bị vì thế tuổi thọ pin kém và bộ vi

xử lý của thiết bị di động phải được thay đổi thường xuyên

• Kết nối có sự giới hạn chỉ trong nội vi thành phố lớn hoặc khu đô thịtrung tâm

Các tính năng nổi bật mạng di động thế hệ 4G:

• Hệ thống sử dụng phổ tần số rất hiệu quả

• Tính bảo mật cao

• Có dung lượng mạng cao hơn các mạng thế hệ trước đó

• Cung cấp thêm nhiều dịch vụ có chất lượng cao

• Có tỷ lệ chuyển giao các dữ liệu lớn hơn

2.2.5 Mạng di động thế hệ thứ 5 (5G)

Theo các nhà nghiên cứu thì mạng di động thế hệ 5 (5G) sẽ có thể đạt tốc độnhanh hơn 100 lần so với mạng thế hệ 4 (4G) đang được sử dụng nước ta hiện nay.Nhờ vậy, xe hơi tự lái có thể đưa ra nhanh chóng những quyết định quan trọng tùythuộc theo hoàn cảnh và thời gian Các tính năng video call sẽ có chất lượng hìnhảnh tốt hơn, giúp cho chúng ta cảm giác như đang sử dụng một mạng nội bộ

Hình 2-11: Mục tiêu băng rộng của mạng 5G

Mạng di động thế hệ 5 (5G) sử dụng sóng milimet Sóng milimet đặc trưngcho phổ tín hiệu RF giữa khoảng các tần số 20GHz và 300GHz có bước sóng từ 1đến 15mm, nhưng xét về phương diện mạng vô tuyến và những thiết bị thông tin thì

tên gọi sóng milimet tương đương với các dải tần số 60GHz, 38GHz, 24GHz.Những dải tần số 70GHz, 80GHz thời gian gần đây cũng đang được sử dụng Vớidải tần số này thiết bị dùng có thể cải thiện rất nhiều về băng thông và tốc độ mạngkhông dây.

Hình 2-12: Dự đoán số lượng người dùng hướng đến 2030

Mạng di động thế hệ 5 sẽ giải quyết vấn đề về tài nguyên tần số và số lượngngười dùng ngày càng tăng Và mục tiêu về tốc độ là không ngừng cải thiện 1Gbpsvới người dùng tĩnh và 100Mbps với người dùng động Mục tiêu tốc độ thấp nhất ởkhu vực thành thi phải đạt 100Mbps, có khả năng mở rộng hàng triệu thiết bị trongIoT hay D2D theo nhu cầu thị trường do đó cần một dung lượng rất lớn

Hình 2-13: Quá trình nghiên cứu phát triển mạng 5G hướng đến 2021

2.3 Hệ thống truyền thông hợp tác

2.3.1 Định nghĩa về giao thức giao tiếp

Giao thức giao tiếp hay còn gọi là giao thức truyền thông, giao thức

liên mạng, giao thức tương tác, giao thức trao đổi thông tin (tiếng Anh làcommunication protocol) - trong công nghệ thông tin gọi tắt là giao thức Là mộttập hợp các quy tắc chuẩn dành cho việc biểu diễn dữ liệu, phát tín hiệu, chứng thực

và phát hiện lỗi dữ liệu - những việc cần thiết để gửi thông tin qua các kênh truyềnthông, nhờ đó mà các máy tính (và các thiết bị) có thể kết nối và trao đổi thông tinvới nhau Các giao thức truyền thông dành cho truyền thông tín hiệu số trong mạngmáy tính có nhiều tính năng để đảm bảo việc trao đổi dữ liệu một cách đáng tin cậyqua một kênh truyền thông không hoàn hảo Như vậy các máy trên mạng muốn giaotiếp với nhau thì phải có chung một giao thức

2.3.2 Các vấn đề về giao thức mạng

Một giao thức mạng được đưa ra thường tập trung các vấn đề sau:

o Cải thiện về tốc độ thông tin truyền qua mạng

o Độ tin cậy càng cao càng tốt, để giảm thiểu rủi ro đánh cấp thông tinkhi truyền

Trong thông tin di động thế hệ mới việc truyền thông tin dữ liệu qua mạng làviệc truyền nhận thông tin dữ liệu giữa các node mạng với nhau Các node mạng có

chức năng là như trạm trung gian relay chuyển tiếp mang thông tin đi xa hơn đếnđúng đích cần gửi Các giao thức mạng vẫn còn những hạn chế nhất định nên cácnhà nghiên cứu cũng đang không ngừng phát triễn nhựng thành tựu ưu việt hơn.

2.3.3 Khái niệm truyền thông hợp tác vô tuyến

Trong lĩnh vực truyền thông không dây thì các tín hiệu thường suy giảm kênhtruyền tín hiệu không được trong điều kiện tốt do các yếu tố khách quan như: hiệuứng fading, hiệu ứng đa đường, hiệu ứng bóng râm… Truyền thông hợp tác là mộttrong những giải pháp khả thi để cải thiện kênh truyền và tăng tốc độ truyền dẫn.Thường được ứng dụng trong truyền dẫn vô tuyến như mạng cảm biến không dây,mạng di động tế bào…

Hình 2-14: Mô hình truyền thông hợp tác

2.3.4 Phương pháp truyền thông đơn chặng và đa chặng:

Các mạng vô tuyến di động hiện tại (CDMA, GSM và IEEE 802.16) hoạt độngvới cấu trúc liên kết điểm đến đa điểm, trong đó chỉ có hai thành phần mạng chính

là trạm phát gốc (BS) và trạm di động tức thiết bị di động người dùng (MS)

Hình 2-15: Mô hình truyền thông đơn chặng

Trong khi đó, mạng chuyển tiếp đa chặng là sự kết hợp của giữa các liên kếtngắn để phủ sóng một khu vực rộng lớn hơn bằng cách sử dụng các thiết bị chuyểntiếp trung gian giữa 1 trạm phát gốc (BS) và các máy thu (MS) gọi là relay chuyểntiếp Thực tế đa chặng chia làm 2 loại: chuyển tiếp hai chặng (two-hop relaying) và

đa chặng (multi-hop relaying)

Hình 2-16: Mô hình hệ thống truyền thông đa chặng

Đặc trưng phương pháp truyền thông đa chặng:

• Các node trung gian được xem là nhỏ giá thành thấp, cấu tạo đơn giản và tiêuthụ ít năng lượng Và điều đặc biệt là tính năng thu hoạch năng lượng sửdụng nguồn năng lượng vô tuyến từ nguồn phát đề sử dụng

• Nhiễu ở máy thu: Yếu tố không thể tránh khỏi trong truyền thông tin lànhiễu Do đó việc lọc nhiễu ở phía thu là một khâu quan trọng và phức tạp.

Hình 2-17: Năng lượng relay chuyển tiếp sử dụng

tiếp

3.1 Mô hình bán song công:

Bán song công là hình thức truyền hay trao đổi thông tin là trong mỗi thời điểmtruyền thông tin chỉ đi theo một hướng thực hiện chỉ một một nhiệm vụ là phát hoặcthu mang tính tuần tự Kênh thông tin có đặc tính có thể truyển được cả hai chiềunhưng không đồng thời

Một ví dụ gần gũi về bán song công là cuộc thoại trên hai thiết bị bộ đàm Tín hiệuđược truyền trong cùng một tần số, chỉ có một người nói và một người nghe trênmỗi thời điểm truyền nên người nói hay dùng từ ngữ đặc biệt để báo hiệu là mình đãkết thúc một câu rồi nhả nút bấm sau đó người sau bấm nút và nói đáp lại

Hình 3-1: Mô hình hệ thống bán song công

3.2 Giới thiệu về kĩ thuật chuyển tiếp:

3.2.1 Kỹ thuật chuyển tiếp:

Mục tiêu quan trọng trong việc tối ưu một mạng di động là càng ngày tăngcường được dung lượng, phạm vi phủ sóng mở rộng và phí vận hành giảm xuống đócũng là những vấn đề những nhà mạng phải làm để cải thiện chất lượng dịch vụ vàcông nghệ Thực tế có nhiều giải pháp để nâng cao về dung lượng và mở rộng phạm

vi thêm phủ sóng như giải pháp đa anten (MIMO), truyền dẫn đa điểm phối hợp Trong đó kỹ thuật chuyển tiếp cũng là một trong những kĩ thuật góp phần thực hiệnnhững nhiệm vụ trên

Ngày nay thì mạng chuyển tiếp được sử dung rất rộng rãi để giảm bớt nhữngảnh hưởng hiện tượng fading đồng thời để khả năng bao phủ được tăng cường.Trong hệ thống thì nút chuyển tiếp có chức năng hỗ trợ các node nguồn chuyển tiếp

dữ liệu node nguồn đến các node đích do đó phạm vi được mở rộng

Hình 3-2: Minh hoạ trong kĩ thuật chuyển tiếp [2]

Một mô hình chuyển tiếp cơ bản gồm có ba thành phần: node nguồn (S), node chuyển tiếp (R), node đích (D)

Nguyên lý: node chuyển tiếp (node R) được dùng để để nhận và truyền dữ liệu

từ nguồn (node S) và thiết bị người dùng UE (node D) có thể thông qua nhiểu nút chuyển tếp truyền dẫn qua nhiều chặng đó gọi là truyền thông đa chặng

Trong trường hợp có nhiều nhiều relay chuyển tiếp thì node đích sẽ chọn relay

có đường truyền dung lượng tốt nhất để nhận đó gọi là chuyển tiếp kênh chọn lựa

Kĩ thật chuyển tiếp mang lại một hiệu quả vượt trội trong truyền dẫn vô tuyến.Một hệ thống mạng mà có các node relay trung gian, các node này có sự liên kết vớinhau tạo thành “tuyến đường” truyền dữ liệu từ nguồn đến đích Nói cách khác, hệthống truyền thông hợp tác vô tuyến là một tập hợp n số node tham gia, chuyểnthông tin dữ liệu từ điểm này tới điểm khác trong hệ thống thông tin di động

Sử dụng truyền dẫn chuyển tiếp có nhiều ưu điểm nhất là về công suất phát vàthu, khả năng tái sử dụng năng lượng từ trong tần số phát cho relay trung gian để sử

dụng đó gọi là sự thu hoạch năng lượng So với truyền thông đơn chặng thì đachặng có thêm độ lợi kênh truyền

Thường thì chất lượng đường truyền được quyết định bởi:

• Hiện tượng fading

• Hiện tượng fading đa đường hay còn gọi là hiệu ứng đa đường (multi path)

• Nhiễu giao thoa liên kí tự (ISI)

Trong chuyển tiếp đơn hướng dẫn tới việc không hiệu quả khi sử dụng băngthông hệ thống và đặc biệt là nhũng trong hệ thống truyền thông tốc độ cao

Thực tế thì các node chuyển tiếp không thể thực hiện thu và phát cùng lúc vìkhông thể tránh được hiệu ứng coupling giữa trạm phát và trạm thu Điều này dẫnđến giới hạn trong truyền bán song công (HD)

Hoạt động khi ở chế độ bán song công thì chủ yếu thực hiện qua hai giai đoạntruyền là:

+Ở giai đoạn I, mỗi node gửi thông tin về node đích và cũng đồng thời thông

tin này sẽ được những người dùng khác tiếp nhận nhưng nhận Đó là tính chấtquảng bá của kênh vô tuyến

+ Ở giai đoạn II, các node chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp thông tin mà nó nhận

được từ các node khác tới node đích

Hình 3-3: Mô hình chuyển tiếp [2]

-Ưu điểm:

• Mở rộng thêm vùng phủ sóng của eNodeB (node S)

• Cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao, đặc biệt tại khu vực ranh giới củacell

• Nâng cao được chất lượng hệ thống

• Tối ưu hóa được việc tiêu thụ công suất của toàn hệ thống

• Giá thành thiết bị của relay chuyển tiếp thấp hơn trạm phát gốc eNodeB(node S)

• Nhỏ gọn hơn và dễ dàng lắp đặt có thể đặt cố định hay di động

-Nhược điểm:

• Trong chuyển tiếp, trạm phát gốc eNodeB sử dụng một vùng tài nguyên vôtuyến chung dùng cho một trong 3 liên kết kênh: liên kết trực tiếp (từ trạmeNodeB trực tiếp đến thiết bị người dùng), liên kết relay (từ trạm eNodeBđến node relay) và liên kết truy nhập (từ thiết bị người dùng đến node relay).Trong đó, liên kết relay và liên kết truy nhập sử dụng chung tài nguyên vôtuyến thông qua sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian(TDMA), do đó nó cũng làm giảm đi hiệu suất của trạm chuyển tiếp R

• Trạm chuyển tiếp R có bán kính vùng phủ khá nhỏ do công suất phát thấp,

độ lợi của anten thấp và tổn hao trên đường truyền cao theo hàm số mũ

• Trạm chuyển tiếp cần nhiều có tài nguyên vô tuyến để cho các đường kết nốirelay để kết nối đến trạm eNodeB

• Trạm chuyển tiếp cũng là một trong những nguyên nhân gây ra trễ trong hệthống vì phải có thêm các quá trình xử lý tín hiệu cũng như thu hoạch nănglượng trước khi truyền đi.

Có hai loại hình chuyển tiếp theo tiêu chuẩn 3GPP LTE-Advanced là chuyểntiếp loại 1 (Type-I) và loại 2 (Type-II) Trong kĩ thuật WiMAX thì hai loại này cótên gọi khác tương ứng là chuyển tiếp không trong suốt (Non Transparent Mode) vàchuyển tiếp trong suốt (Transparent Mode)

Hình 3-4: Loại hình chuyển tiếp [2]

Hình 3-5: Sơ đồ giải thuật xử lý tín hiệu trong truyền trực tiếp và chuyển giao

nhiều chặng [2]

3.2.2 Các nhân tố chính ảnh hưởng chất lượng kênh truyền:

-Hiện tượng đa đường (multi-path): trong truyền vô tuyến thì các sóng bức xạkhông bao giờ truyển được trực tiếp đến anten thu do không gian giữa anten phátthu luôn có vật cảng sóng truyền trực tiếp cho nên sóng thu được là sự chồng chậpcác sóng từ nhiều hướng khác nhaudo sự phản xạ, tán xạ từ cây cối, toàn nhà…

Hình 3-6: Hiện tượng đa đường

Tùy thuộc vào pha của từng thành phần mà phần tín hiệu chồng chập có thể khôiphục được hay hỏng hoàn toàn Hiện tượng này cũng có thể làm méo đáp ứng xung

và nơi thu tín hiệu là các đáp ứng xung độc lập với nhau gọi là sự phân tán đáp ứngxung (impulse dispersion) Hiện tượng này sẽ có thể khác phục bằng các bộ cânbằng ở phía thu

-Hiệu ứng doppler: xảy ra do sự chuyển động của máy phát và máy thu trongquá trình truyền, do sư xê dịch phổ tín hiệu thu so với tần số trung tâm một khoảnggọi là tần số doppler

-Suy hao trên đường truyền: là sự suy giảm công suất trung bình của máyphát đến máy thu do sự che chắn và suy hao có thể khắc phục bằng cách điểu khiểncông suất

-Hiệu ứng bóng râm (shadowing): do các vật thể trên đường truyền: đồi, núi,tòa nhà…làm biên độ tính hiệu bị giảm Hiện tượng này chỉ xảy ra trên khoảng cách

xa nên có tốc độ biến đổi chậm cỏn được gọi là fading chậm

3.2.3 Các kênh cơ bản:

-Kênh phân bố Rayleigh: kênh này thường thường có chức năng mô tả nhữngđường bao của tín hiệu fading phẳng nhận được hay cac đường bao của thành phần

đa đường riêng lẻ Tổng của hai nhiễu gaussian trực giao cũng tuân theo phân bốRayleigh

-Kênh phân bố Ricean: là một trường hợp của fading Rayleigh mà không cóthành phần tín hiệu nào có thể đến trực tiếp máy thu mà không bị phản xạ hoặc tán

xạ với công suất vượt trội khi đó khi có thành phần này gọi là phân bố Ricean Cácthành phần đa đường trong tín hiệu thu sẽ xếp chồng lên tín hiệu được truyền thẳng(light-of-sight), tại đường ra của bộ tách đường bao sẽ cos thành phần DC cộngthêm vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên

3.3 Vấn đề liên quan đến chuyển tiếp:

3.3.1 Các kĩ thuật chuyển tiếp dựa theo hướng truyền:

Hiện tại các nhà nghiên cứu vô tuyến dựa theo hướng truyền của hệ thống người taphân ra có hai kỹ thuật chuyển tiếp:

• Chuyển tiếp một chiều (one-way relay)

Hình 3-7: Chuyển tiếp một chiều [2]

• Chuyển tiếp hai chiều (two-way relay)

Hình 3-8: Chuyển tiếp hai chiều [2]

3.3.2 Các phương pháp chuyển tiếp:

Hai kĩ thuật chuyển tiếp phổ biến thường được sử dụng trong hệ thống truyềnthông hợp tác là chuyển tiếp cố định (fix relaying) và chuyển tiếp thích nghi(adaptive relaying).

Trong chuyển tiếp cố định: Có nhiều phương pháp chuyển tiếp cố định đangđược áp dụng ngày nay như: khuếch đại và chuyển tiếp (AF), giải mã và chuyểntiếp (DF), nén và chuyển tiếp (CF), giải điều chế và chuyển tiếp (DMF)… Trongcác phương pháp đã nêu thì khuếch đại và chuyển tiếp (AF) và giải mã và chuyểntiếp (DF) là hai phương pháp được sử dụng phổ biến nhất

Trong chuyển tiếp thích nghi gồm có chuyển tiếp chọn lọc (selective ralaying)

và chuyển tiếp gia tăng (incremental relaying)

Đề tài này ta chủ yều tìm hiểu về chuyển tiếp cố định cụ thể là kỹ thuật khuếch

và chuyển tiếp (AF)

• Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hay còn được gọi là mô hình chuyển tiếpkhông tái tạo (Non Regenerative Relay): đơn giản là nó sẽ nhận khuếch đạicác tín hiệu từ node nguồn và chuyển đến node đích Thường kĩ thuật nàydùng trong khi thời gian tính toán và công suất của trạm có giới hạn hay cóthời gian trì hoãn mà tín hiệu thường dễ bị suy hao nên cần được khuếch đạilên trước khi truyền tiếp tục đến node đích

Hình 3-9: Phương pháp chuyển tiếp AF [2]

• Giải mã và chuyển tiếp (DF) hay còn có tên gọi khác là mô hìnhchuyển tiếp tái tạo (Regenerative Relay): mô hình này thì node chuyển tiếpnhư một trạm lặp thông minh (smart repeater) và thực hiện được việc giãi

này có thể loại bỏ các thành phần nhiễu trong thông tin Phương pháp dùngtrong việc truyền tín hiệu số chỉ giải mã và mã hóa nên nhiễu không đượckhuếch đại.

Hình 3-10: Phương pháp chuyển tiếp DF [2]

Hai phương pháp này có những ưu điểm và nhược điểm riêng nên trong tùy điềukiện mà sử dụng phương pháp cho hiệu quả Thậm chí có sự kết hợp giữa haiphương pháp này gọi là giải mã, khuếch đại và chuyển tiếp phương pháp này đơngiản và độ trễ xử lý thấp nhưng vẫn còn lỗi lan truyền

Khác với kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) thì kỹ thuật khuếch đại và chuyểntiếp (AF) có thêm độ lợi là G giúp khuếch đại được tín hiệu nhưng lại vô tìnhkhuếch đại cả nhiễu

Với các kỹ thuật này, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu theo công thức chung như sau:

E SNR

E

=

(3.1)Với tỉ lệ SNR được tính bởi công thức trên và tuỳ vào từng loại giao thức là PSRhay TSR thì ta sẽ có những công thức tương ứng, ta có thể xác định được công thứcxác suất dừng hệ thống:

( 2 ) 1

p = −e−λ u (3.3)

(Cả giao thức PSR và TSR đều có cùng công thức trên và chúng sẽ được chứngminh trong phần phụ lục A)

Đối với truyền dẫn bị hạn chế bới nguồn truyền với tốc độ bít R không đổi, thìtín hiệu có thể bị ngắt bởi fading ngẫu nhiên của kênh truyền không dây Do đó,thông lượng trung bình có thể được tính tuỳ thuộc vào giao thức nào trong kỹ thuậttruyền

3.3 Mô hình của giao thức chuyển tiếp:

3.3.1 Mô hình PSR:

Hình 3-11: Các node và hướng truyền trong mô hình chuyển tiếp điển hình

TEnergy Harvesting at R

Transmission

S → R Information Transmission

((1 − ρ)P)

Hình 3-12: Phân bố thời gian thu hoạch năng lượng và chuyển giao thông tin

trong một chu kỳ T với giao thức PSR

Trong thực tế có tồn tại đường truyền trực tiếp giữa node nguồn và node đích,

S: Trạm nguồn

D: Máy đích

R: Máy chuyển tiếp

T/2T/2

relay chuyển tiếp Thường thì máy thu tại node D sử dụng cơ chế là thu lựa chọn (selection combining-SC) để thu tín hiệu ở những node truyền tín hiệu mạnh nhất Tại vị trí node chuyển tiếp R có sự thu hoạch năng lượng từ trạm tại node nguồn

S với việc sử dụng phân chia các khe thời gian với các nhiệm vụ khác nhau trong đềtài này là dựa trên giao thức chuyển tiếp là phân chia theo công suất PSR (Power Splitting -based Relaying), và xuyên suốt đề tài ta sẽ dựa trên phương thức truyền khuếch đại và chuyển tiếp AF

Pha đầu tiên node nguồn truyền năng lượng và thông tin đến node chuyển tiếp trên một kênh truyền fading Rician Và sau đó tại node chuyển tiếp nhận khuếch đạitín hiệu nhận được và chuyển thông tin đến node đích qua kênh truyền fading Rayleigh Vì các máy chuyển tiếp có sự hạn chế về năng lượng thường được đặt không quá xa trạm phát gốc nguồn S truyền để thu năng lượng tốt hơn Trên thực tiễn, các kênh giữa node nguồn và node của máy chuyển tiếp có đường truyền trực tiếp (LOS)

Tất cả những máy tại node phát và thu được trang bị với một anten và cũng còn phụ thuộc vào kĩ thuật triển khai mạng

Các giả thuyết được đặt ra tại node chuyển tiếp R:

• Relay sẽ không được cấp năng lượng từ nguồn ngoài vì năng lượng đượcthu hoạch cấp từ nút nguồn S sẽ đủ cho truyền thông tin, trong thực tế năng lượng được thu hoạch được chưa sử dụng hết sẽ được lưu giữ trong thiết bị lưu trữ năng lượng Nhờ đó mà nguồn năng lượng được chủ động hơn không xảy ra việc năng lượng không đủ để phát đi

• Vẫn có nguồn ngoài cung cấp nhưng ở đây không gọi là relay chuyển tiếp

mà được gọi là repeater chuyển tiếp thường dùng cho mạng 4G

Hình 3-11 là một ví dụ về mô hình AF dựa vào việc thu hoạch năng lượng gồm

có hai node đầu cuối và một relay tại giữa Trong đó, P là công suất được cấp phát,yr(t) tín hiệu tại relay Trong suốt nữa khối thời gian đầu phần nhỏ tín hiệu công suấtnhận được, ρP là phần năng lượng được phân chia sử dung cho việc thu hoạch vàduy trì công suất nhận được, (1-ρ)Pđược sử dụng cho việc truyền thông tin từ node

nguồn đến relay, ở đây thì 0ρ 1≤ ≤ Một phần nhỏ năng lượng, ρđược sử dụng thuhoạch năng lượng tại node relay có ảnh hưởng đến thông lượng thu được tại nodeđích Sau đây là những phân tích trong việc thu hoạch và chuyển thông tin tại noderelay trong giao thức PSR:

• Thu hoạch năng lượng:

Hình 3-13: Sơ đồ khối của tín hiệu relay nhận được trong giao thức PSR [24]

Theo sơ đồ khối trên thì công suất được phân chia theo tỉ lệ ρ:(1-ρ).

Tương đương ρ ( )y t r = ρP hs( )s t + ρn r, thu hoạch năng lượng Eh tại relay được đưa

TEHηρP h

0< <η 1là hiệu suất chuyển đổi năng lượng, phụ thuộc phần cứng mạch thu

năng lượng và trong quá trình chỉnh lưu

Ps là công suất phát truyền của node nguồn

PR là công suất truyền từ node relay

là hệ số chuyển đổi công suất đặc trung cho giao thức PSR, 0 < ≤ 1

• Cơ chế truyền relay có giới hạn năng lượng:

Tại node nguồn S sẽ truyền một tín hiệu với công suất trung bình đủ để nodechuyển tiếp relay có thể nhận được hoàn toàn, tín hiệu nhận được ở node chuyểntiếp relay có thể được công thức hóa như sau:

s(t): là tín hiệu được lấy mẫu và chuẩn hóa từ nguồn

, : là các loại nhiễu trắng phức Gaussian (AWGN) tại node relay và có phươngsai là

h: là biên độ fading kênh truyền từ node nguồn S tới node relay R, và tuân theo hàm mật độ xác suất (PDF) hay còn được gọi là hệ số kênh truyền

Trong nửa khối thời gian T/2 còn lại thì sau tín hiệu nhận được tại node relay thì sau đó được khuếch đại lên với độ lợi G rồi chuyển tới node đích Tín hiệu nhận được tại node đích được biểu diễn như sau:

nD là nhiễu trắng phức Gaussian và phương sai (tức công suất) là N0

g: là biên độ fading kênh truyền tại node nguồn S tới node relay R, nói cách khác là độ lợi kênh truyền g

G: là độ lợi chuyển tiếp đặc trưng cho hệ thống AF

• Phân tích thông lượng:

Sau khi xác định được độ lợi G thì ta sẽ có được các mối quan hệ tín hiệu và thành phần nhiễu, từ đó suy ra tỷ số giữa tín hiệu trên nhiễu SNR từ đầu này cuối tới đầu cuối khác (end to end) của hệ thống truyền thông hai chặng Công thức tính của SNR được suy ra như sau, phần phụ lục A sẽ làm rõ thêm vấn đề này:

    (3.8)

( 1

signal part in S

S noise pa t in r S

SNR

ηρη

-Truyền dẫn delay-limitted: Với phương pháp này thì thông lượng τ phụ thuộc

vào giá trị của các hằng số Ps, η, ρ , R, N0và các đại lượng này biểu diễn thôngqua công thức tính xác suất dừng cụ thể là trong các kí hiệu a, b, c, d được nêu trong(A.46a), (A.46b), (A.46c), (A.46d) :

+Xác suất dừng:

( 2 ) 1

T

(3.13)