Đánh giá hiệu quả các phương pháp lựa chọn relay trong mạng truyền thông hợp tác

I H C QU C GIA THÀNH PH H CHÍ MINH I H C BÁCH KHOA BK TP.HCM TH U QU L A CH N RELAY TRONG M NG TRUY N THÔNG H P TÁC CHUYÊN NGÀNH: K THU NT MÃ S : 605270 LU TP H 2013 C HOÀN THÀNH T I I H C BÁCH KHOA - Cán b HCM ng d n khoa h c: TS H Cán b ch m nh n xét 1: Cán b ch m nh n xét 2: TS HU Lu cb ov t ngày 30 tháng 12 ih Thành ph n H NG HCM m: PGS.TS PH M H NG LIÊN TS HU TS H TS VÕ QU NG Xác nh n c a Ch t ch H ngành sau lu CH T CH H NG ng Khoa qu n lý chuyên c s a ch a (n u có) N- NT I H C QU C GIA TP.HCM C NG HÒA XÃ H I CH I H C BÁCH KHOA T NAM c l p - T - H nh phúc NHI M V LU ên: MSHV: 11140042 24/09/1987 Chí Minh Chuyên ngành: I : 605270 TÀI: U QU L A CH N RELAY TRONG M NG TRUY N THÔNG H P TÁC II NHI M V VÀ N I DUNG: Kh o sát a ch n relay m ng truy n thông h p tác d a gi i mã chuy n ti p (DF) Thi t l p bi u th c xác su t thi t h t (outage probability) c a l a ch n relay Mô ph ng hi nh ng khuy n ngh phù h p a l a ch n relay III NGÀY GIAO NHI M V : 14/01/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 06/12/2013 V CÁN B NG D N: TS H Tp HCM CÁN B NG D N CH NHI M B N- NT 2014 O L IC L u tiên, em xin g i l i bi c ti n TS H ng d n em hồn thành lu , n tình ng n nghiên c u khoa h c, rèn luy n cho em cách làm vi c khoa h c ng th ng em q trình hồn tài Nh t k p ti Em xin c b o, truy n- lu n t , nh n tình ch t cho chúng em nh ng ki n th c k thu t n n t ng chuyê s quan tr em hồn thành lu c chun mơn ng s nghi p il ic ng viên chia s nh ng ki n th c quí báu giúp em hoàn thành th t t t lu M l n th c nh ng kinh nghi m cơng tác nghiên c u cịn h n ch mong nh tài cịn nhi u thi u sót Em c s góp ý c a th y b n TP H Chí Minh, ngày 06 tháng 12 H c viên th c hi n Th TÓM T T LU H th i nh tin mà không ng kênh truy n tin c y truy n Tuy nhiên, nh ng h n ch c a h th ng s d ng nhi u anten t ng c a thi t b c thi t b l n, không thu n ti n u cu i, công su t phát cho t t c anten l n làm hi u su t h th ng gi m Nh m t h th ng MIMO o i, ng truy n thông h p tác Truy n thông h p tác s d ng m t ho c nhi u thi t b relay tham gia vào vi c chuy n ti p tín hi u gi a ngu relay vào vi c chuy n ti p có th làm gi m t l l i bit d ng nhi u xác c a thơng tin; nhiên cách làm g p h n ch v công su t phát hi u qu s d phân tích l a ch s d a h tr chuy n ti p thông tin t ngu n m t cách tin c y v i hi u qu t phát th p i ABSTRACT MIMO systems were born, aiming at increasing channel capacity and communication reliability without increasing transmission bandwidth However, the disadvantages of these systems are several antennas deployed at transmitters and receivers, making system size large and inappropriate for mobility of mobile devices Difficulties pay the ground for the proposal of virtual MIMO systems, namely cooperative communication systems Cooperative communication uses one or many relays to assist information transmission from a source to a destination Employing several relays requires more transmission bandwidth and consumes more energy Therefore, this thesis will analyze and evaluate the performance of relay selection methods in order to forward the information from the source reliably with high bandwidth efficiency and low total transmit power ii L u c a Các k t qu , s li u nêu lu c Tơi xin hồn tồn ch u trách nhi m v i nh ng l nói TPHCM, ngày 06 tháng 12 H c viên th c hi n Th iii M CL C L IC i TÓM T T LU i ABSTRACT ii L iii M C L C iv DANH M C T VI T T T vi DANH M C HÌNH V vii I THI TÀI I Lý ch tài II Kh o sát công trình nghiên c u III Tính c p thi t c IV Ph m vi nghiên c u V M c tài tài VI u Nghiên c u lý thuy t Mô ph ng h th ng VII B c c lu N TH C T NG QUAN I Kênh truy n ng thông tin vô n T ng quan kênh truy n Các y u t ng thông tin vô n 11 n 12 ng kênh truy n fading 16 ng thi u h t (outage capacity) 17 Các k thu t phân t p 17 H th ng MIMO 19 II M ng truy n thông h p tác 23 Relay vai trò relay m ng truy n thông h p tác 24 chuy n ti p tín hi u 25 iv A CH N RELAY TRONG M NG TRUY N THÔNG H P TÁC 30 I Mơ hình kh o sát 30 II Các a ch n relay 37 M c tiêu 37 a ch n relay 37 T QU MÔ PH NG 49 I Mơ hình mơ ph ng 49 II K t qu mô ph a ch n relay 49 Các thông s K t qu mô ph ng 50 T LU n 49 NG PHÁT TRI N 63 K t lu n 63 ng phát tri n 64 TÀI LI U THAM KH O 65 v DANH M C T VI T T T AF Amplify And Forward AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Rate CC Cooperative Communication CF Compress And Forward CSI Channel State Information CTS Clear-To-Send DF Decode And Forward EF Estimate And Forward MIMO Multiple-input And Multiple-output MISO Multi- Input Single-Output MRC Maximal Ratio Combining RTS Ready-To-Send SIMO Single-Input Multi-Output SISO Single-Input Single-Output SNR Sigal To Noise Ratio vi K t qu mô ph ng GVHD: TS H i h s phân chia công su t c mô ph ng theo s = (0:1] Xác su t thi u h t ic a ng v i t ng h p Ptot / N0 = 10 dB, 14dB, 18dB Hình 4.4: K t qu xác su t thi u h t ( i v i PP1 i h s phân chia công su t ngu n relay D a vào k t qu mô ph ng, t giá tr nh nh t u cho ngu i giá tr n t l tín hi u nhi u gi a ngu n-relay relayn k t qu tín hi 2.2 = 0.5, t c công su t , s làm nh u s ng ng c t i relay ho c t Mô ph ng PP3 2.2.1 i công su t fading gi a ngu n-relay, relayi giá tr Th l i kênh truy n trung bình gi a n c thay 54 K t qu mô ph ng C GVHD: TS H nh thông s : s ng relay K=4; R=1 bps/Hz; =0.5; Ptot / N0 = [0:24] dB Hình 4.5: K t qu xác su t thi u h t ( outage probability) i giá tr công su t fading c a i v i PP3: ng hình v Omega < 1, Omega = 1, Omega > 1) D a vào k t qu mô ph ng, giá tr Giá tr nh giá tr s tín hi u nhi u gi a n s l i ph thu c vào thông s l n B i t tín hi u nh t ct i máy thu b l i s gi m 2.2.2 Th is ng relay 55 K t qu mô ph ng C GVHD: TS H nh thông s : R=1 bps/Hz; =0.5; Ptot / N0 = [0:24] dB, công su t fading gi a n b ng b ng 1, S ng relay tham gia vào m i v i K=3; K=4; K=5 Hình 4.6: K t qu xác su t thi u h t ( is outage probability) ng relay K= 3; K= 4; K= D a vào k t qu mô ph ng, giá tr is ng h u cho th y, v vi c l a ch n relay không ph thu c vào s 2.2.3 Th i v i PP3: it , ng relay truy n d li u bit 56 K t qu mô ph ng C GVHD: TS H nh thông s : s ng relay K=4; =0.5; Ptot / N0 = [0:24] dB, công su t fading gi a n b ng b ng 1, T truy n d li i R=0.6 bps/Hz; R=1bps/Hz; R=1.4bps/Hz Hình 4.7: K t qu xác su t thi u h t ( it truy n d n l n, xác su t thi u h t s cao, t c u khôi ph c t 2.2.4 Th i ph thu c vào t l n t c t truy n l n B i s bit truy m t giây m kh i v i PP3: truy n bit R= 0.6 bps/Hz; R= 1bps/Hz; R= 1.4bps/Hz D a vào k t qu mô ph ng, giá tr li u bit Giá tr outage probability) th i h s phân chia công su t ngu n relay 57 K t qu mô ph ng C GVHD: TS H nh thông s : s ng relay K=4; R=1bps/Hz; công su t fading gi a n b ng b ng 1, i h s phân chia công su t c mô ph ng theo s = (0:1] Xác su t thi u h t ic a ng v i t ng h p Ptot / N0 = 10 dB, 14dB, 18dB Hình 4.8: K t qu xác su t thi u h t ( i v i PP3: i h s phân chia công su t ngu n relay D a vào k t qu mô ph ng, t giá tr nh nh t u cho ngu n t l tín hi u nhi u gi a ngu n-relay relayn k t qu tín hi 2.3 i giá tr = 0.5, t c công su t , s làm u s ng ng c t i relay ho c t So sánh gi a PP1 PP2 v i PP3 Th 58 K t qu mô ph ng 2.3.1 GVHD: TS H i công su t fading gi a ngu n-relay, relayi giá tr C c thay l i kênh truy n trung bình gi a n nh thông s : s ng relay K=4; R=1 bps/Hz; =0.5; Ptot / N0 = [0:24] dB Hình 4.9: K t qu xác su t thi u h t ( outage probability) so sánh gi a PP1 PP2 v i PP3 c a i giá tr công su t fading c a ng hình v Omega < 1, Omega = 1, Omega > 1) D a vào k t qu mô ph ng, c a PP1 PP2 nh tín hi u nh ct i thơng s i giá tr theo PP1 PP2 s c , giá tr u ch ng t , mb v i PP3 Th 59 K t qu mô ph ng 2.3.2 is C GVHD: TS H ng relay nh thông s : R=1 bps/Hz; =0.5; Ptot / N0 = [0:24] dB, công su t fading gi a n b ng b ng 1, S ng relay tham gia vào m i v i K=4; K=5 Hình 4.10: K t qu xác su t thi u h t ( PP1 PP2 v i PP3 is D a vào k t qu mơ ph ng, Ngồi ra, outage probability) so sánh gi a ng relay K= 4; K= is ng relay K, giá tr c a PP3 i giá tr c a PP3 c a PP1 PP2 nh u ch ng t , tín hi u nh ct theo PP1 PP2 s m b o thông i PP3 2.3.3 Th it truy n d li u bit 60 K t qu mô ph ng C GVHD: TS H nh thông s : s ng relay K=4; =0.5; Ptot / N0 = [0:24] dB, công su t fading gi a n b ng b ng T truy n d li i R=0.6 bps/Hz; R=1bps/Hz Hình 4.11: K t qu xác su t thi u h t ( gi a PP1 PP2 v i PP3 outage probability) so sánh i t truy n bit R= 0.6 bps/Hz; R= 1bps/Hz D a vào k t qu mô ph ng, giá tr giá tr c c a PP1 PP2 nh u ch ng t , s bit truy n l n, kh c tín hi u t i t giây m t c a PP3 s th v i PP1 PP2 Th 61 K t qu mô ph ng 2.3.4 GVHD: TS H i h s phân chia công su t ngu n relay C nh thông s : s ng relay K=4; R=1bps/Hz; công su t fading gi a n b ng b ng 1, i h s phân chia công su t c mô ph ng theo s ic a = (0:1] Xác su t thi u h t ng v i t ng h p Ptot / N0 = 10 dB, 14dB Hình 4.12: K t qu xác su t thi u h t ( PP1 PP2 v i PP3 outage probability) so sánh gi a i h s phân chia công su t ngu n relay D a vào k t qu mô ph ng, ta th y ng v i PP1 PP2 PP2 s kh t giá tr nh nh t c tín hi u t =0.5 theo PP1 n so v i PP3 Th 62 K t lu ng phát tri n GVHD: TS H : K T LU K t lu n Lu t NG PHÁT TRI N m t cách chi ti t nh m ch c relay phân t p cao v i hi u su t s d công su t phát t ng th p D a vào k t qu mô ph c: Xác su t thi u h t gi m khi: o S l i kênh truy n trung bình gi a n l n o T truy n d li u bit nh o H s phân chia công su t gi a ngu n relay b ng D a vào k t qu mô ph i thông s liên quan, mơ hình l a ch n relay theo ki u reactive proactive c xác su t thi u h t nh i mơ hình l a ch n relay theo ki u t ng ph n M c dù m t nhi u th i gian vi c l a ch n chuy n ti p tín hi a ch n theo ki u reactive t nh t Vì v i mơ hình c nh nh t, t c kh khôi ph c tín hi u thành cơng l n nh t c ch chuy n ti p tín hi u relay gi i mã thành cơng có t s tín hi u nhi u gi a relay n nh u nh ct tin c Th 63 K t lu ng phát tri n GVHD: TS H ng phát tri n T k t qu phân tích nghiên c u, Xét tài có th m r ng ng h p có n tr c ti p gi a hai thi t b u cu i K thu t chuy n ti p tín hi u t i relay d a vào AF ho c CC Xét th i gian x lý t i relay m t cách công b a ch n a ch n relay m ng truy n thơng h p tác, ngồi xác su t thi u h t m r ng vi u qu c a t u, ta có th a vào t l bit l i BER Th 64 TÀI LI U THAM KH O [1] K Performance Of Relay Selection In Cooperative Wireless Networks Over Rayleigh Fading C in Proceedings of IEEE CCECE, pp 1-5, May 2013 [2] Decode-and- in Proceedings of ICCSPA, pp 1-4, Feb 2013 [3] Networks Using Decode-and- in Proceedings of IEEE ICSPCC, pp 1-5, Aug 2013 [4] Probability Analysis Of An Amplify-and-forward Cooperative Communication SystemWith Multi-path Channels and Max- IET Communications, vol 7, no 5, pp 408-416, Mar 2013 [5] Achieving Relay Selection For Amplify-and- IEEE Trans Signal Processing, pp 5165-5180, Nov 2013 [6] tion Cooperation Protocol With Multiple Available IEEE Commu Letters, vol 17, no 6, pp 1172-1175, June 2013 [7] M M Eddaghel, U Probability Analysis Of Based On Single Relay S [8] Multi-path Cooperative Communication Scheme in Proceedings of IEEE ICC, pp 107-111, Oct 2012 A Dziri, D L Ruyet, D Roviras and M Probability Analysis Of The Decode And Forward Relay Over The Composite Fading Th 65 Multipath/Shadowing C in Proceedings of IEEE Eleventh International Workshop on SPAWC, pp 1-5, June 2010 [9] Y Zou and J Analysis Of Opportunistic Cooperation Over Rayleigh Fading C IEEE Trans Wireless Commun., vol 8, no 6, June 2009 [10] A Bletsas , A Khisti , D P Reed , A Diversity Method Based O IEEE Trans Inf Theory, vol 24, no 3, pp 659-672, Mar 2006 [11] L Network Information Theory For Wireless Communication: Scaling Laws And Optimal O IEEE Trans Inf Theory, vol 50, no 5, pp 748 767, May 2004 [12] Analysis Of Decode-and-forward Relaying With Selection C IEEE Commun Lett., vol 11, no 6, pp 489 491, June 2007 [13] B Wang, J Zhang, and A H C [14] The Capacity Of MIMO Relay IEEE Trans Inf Theory, vol 51, no 1, pp 29 43, Jan 2005 R Nikjah and N C Closed-Form Expressions For The Outage Probability And Ergodic Capacity Of Decode And Forward Opportunistic R in Proceedings of IEEE Global Telecom Conf, Nov- Dec 2009 [15] A.Adinoyi, Y Fan, H.Yanikomeroglu, and H V Poor O The Performance in Proceedings of IEEE VTC, pp 1-5, Sept 2008 [16] Strategies And Ca-pacity Theorems For Relay N IEEE Trans Inf Theory, vol 51, no 9, pp 3037 3063, Sept 2005 [17] A Muller and J Relay Selection In Dual-Hop Transmission Systems: Selection Strategies IEEE ICC, pp 4998 Th in Proceedings of 5003, 2007 66 [18] S Q Huang & H H formance Bounds Of Multi-relay Decode- and-forward Cooperative Networks Over Nakagami- in Proceedings of IEEE ICC, pp 1-5, June 2011 [19] A Bletsas, H Shin, and M Outage- IEEE Trans Inf Theory, vol 6, no 9, pp 1-11, Sept 2007 [20] E C V D -terminal Communication C Advances In Applied Probability, vol 3, pp 120 154, 1971 [21] T M Cover and A A E C Theorems For The Relay IEEE Trans Inf Theory, vol 25, no 5, pp 572 584, Sept 1979 [22] Diversity In Wireless Networks: E cient Protocols And Outage B IEEE Trans Inf Theory, vol 50, no 12, pp 3062 3080, Dec 2004 [23] A Chakrabarti, A D -duplex Estimate-and-forward relaying: Bounds And Code D in Proceedings of IEEE Int Symp on Inform Theory, pp 1239 1241, July 2006 [24] Through Coded C IEEE Trans Wireless Commun., vol 5, no 2, pp 283 289, Feb 2006 [25] A Bletsas, H Shin, and M Amplify-and-f Of Opportunistic IEEE Trans Inf Theory, vol 11, no 3, pp 261-263, Mar 2007 [26] W P Siriwongpairat, T Himsoon, W Su , and K J R Liu, Threshold-Selection Relaying For Decode-and-f in Proceedings of IEEE WCNC , vol 2, pp 1015-1020, 2006 Th 67 LÝ L CH KHOA H C C A H C VIÊN I LÝ L CH KHOA H C H Th Dân t c: i tính: N Kinh Tơn giáo: Ph t a ch liên l ng 11 Qu n Gò V p, TPHCM Email: II dttphuong87@yahoo.com O i h c: Th o: t Ngành h n t - Vi n thông H n tháng 04/2010 t o: Chính quy i h c Bách Khoa Cao h c: Th o: t Ngành h c: K thu n nt i h c Bách Khoa Th 68 ... th ng MIMO, m t k thu t phân t p n thông h p tác Công ngh truy n thông h p tác s d ng m t ho c nhi thông tin t ngu Th kho ng cách t ngu n chuy n ti p n relay t relay n Gi i thi s gi tài ,d hi u... tác có nhi u relay ch n relay t tài s a vào vi c c ng kênh truy n hay gi m thi u xác su t thi u h t Relay t s dùng giao th nh Hi u qu c a chuy n ti m ng thông tin h p tác s x lý thông tin n relay. .. gian t i tr m Nh n tr m, u qu c a h th ng thông tin Relay vai trò relay m ng truy n thông h p tác Trong h th ng thông tin vô n, vi c l cao không ph i gi i pháp t phát gi a tr m thi t b hi u qu c