Truyền Thông Chuyển Tiếp Hai Chiều Trong Môi Trường Vô Tuyến Nhận Thức 6815783.Pdf

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG NHẬT TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội 2014[.]

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG NHẬT TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG NHẬT TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS NGUYỄN LINH TRUNG Hà Nội - 2014 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Linh Trung dành nhiều thời gian công sức để hướng dẫn nghiên cứu giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Nhân đây, xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội thầy cô công tác Khoa Điện Tử Viễn Thông trường tạo nhiều điều kiện để tơi học tập hồn thành tốt khóa học Mặc dù tơi có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q báu q thầy bạn Tác giả luận văn NGUYỄN HỒNG NHẬT Luận văn nằm khuôn khổ Đề tài Nghị định thư mã số 39/2012/HĐ/NĐT LỜI CAM ĐOAN “Tôi cam đoan nội dung trình bày luận văn kết công việc nghiên cứu nội dung chưa đăng gửi hay trình bày luận văn khác Luận văn không chứa đựng tài liệu đăng hay viết trước người khác việc sử dụng tài liệu dùng để tham khảo cho luận văn này.” Ký tên: Học viên: Nguyễn Hồng Nhật Mục lục Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh sách hình vẽ Danh mục từ viết tắt MỞ ĐẦU Chương MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU 1.1 Mạng chuyển tiếp hai chiều [2] 1.2 Mơ hình hệ thống [10] 9 11 Chương MƠ HÌNH CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU KẾT HỢP 2.1 Mơ hình hệ thống chế truyền liệu [1] 2.2 Phân tích mơ hình [1] 2.2.1 Tính tốn dung truyền 2.2.2 Thông lượng tổng xác suất truyền hỏng [1] 2.3 Tóm tắt kết chương 2.3.1 Mơ hình 2.1.1.a 2.3.2 Mơ hình 2.1.1.b 2.4 Mô thảo luận 2.4.1 Mô 2.4.2 Thảo luận 13 13 15 15 19 23 23 24 24 24 26 Chương MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU CHỌN LỌC 3.1 Mô hình hệ thống relay selection amplify-and-forward - khuếch đại chuyển tiếp chọn lọc (RS-AF) [6] 3.2 Lựa chọn nút chuyển tiếp mạng RS-AF[6] 3.2.1 Optimal relay selection amplify-and-forward - Lựa chọn chuyển tiếp tối ưu (O-RS-AF) 27 27 29 29 3.3 3.4 3.5 3.6 3.2.2 Sub-optimal relay selection amplify-and-forward - Lựa chọn chuyển tiếp cận tối ưu (S-RS-AF) Phân tích hoạt động [6] 3.3.1 Phân tích chế S-RS-AF 3.3.2 So sánh Symbol error rate - tốc độ lỗi bit (SER) chế S-RS-AF so với All-participate amplify-and-forward - khuếch đại chuyển tiếp (AP-AF) Cấp phát công suất [6] Tóm tắt kết chương Mô thảo luận 3.6.1 Mô mạng chuyển tiếp hai chiều chọn lọc 3.6.2 Thảo luận 30 30 30 34 36 37 38 38 42 Chương ẢNH HƯỞNG SUY GIẢM CỦA PHẦN CỨNG TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU 4.1 Mơ hình phân tích [7] 4.2 Phân tích biểu thức xác suất truyền hỏng tỷ lệ lỗi bit 4.2.1 Phân tích xác suất truyền hỏng 4.2.2 Phân tích tỷ lệ lỗi bit 4.3 Tóm tắt kết chương 4.4 Mô tác động suy giảm phần cứng thu phát 4.5 Thảo luận 43 43 45 45 47 48 49 50 KẾT LUẬN 52 Tài liệu tham khảo 54 Danh sách hình vẽ 1.1.1.Mạng chuyển tiếp chiều 1.2.1.Mô hình kênh truyền chuyển tiếp hai chiều 2.1.1.Mơ hình mạng Các ký hiệu số kênh khe thời gian chế truyền khe thời gian (chỉ số phía trên) chế khe thời gian (chỉ số phía dưới) Hai mơ hình truyền (a) (b) 2.4.1.Dung (dung lượng) trung bình đầu cuối mạng 2.4.2.Thơng lượng tổng mạng theo tốc độ bit đầu cuối cách ly đường truyền BS-RS lý tưởng 3.1.1.Sơ đồ khối mơ hình đề xuất RS-AF chế AP-AF 3.6.1.Mô giá trị SER chế O-RS-AF chế S-RS-AF (với ps = pr = 1) 3.6.2.Mô SER chế S-RS-AF AP-AF 3.6.3.SER mô so với kết phân tích gần biễu diễn dạng công thức 3.6.4.So sánh SER sử dụng cấp phát công suất đồng cấp phát công suất tối ưu 3.6.5.Mô SER chế S-RS-AF thay đổi tỉ lệ cấp phát công suất với N = 4.1.1.Sơ đồ khối phân tích tác động phần cứng mạng chuyển tiếp hai chiều 4.4.1.Xác suất truyền hỏng nút T1 theo công suất phát P1 Các tham số mô phỏng: x = 25 − 1, Ω1 = 2, Ω2 = 1, P1 = P2 = 2P3 4.4.2.SER nút T1 theo công suất phát P1 Các tham số mô phỏng: x = 25 − 1, Ω1 = Ω2 = 1, P1 = P2 = 2P3 10 11 14 25 26 28 39 40 40 41 41 43 49 50 Các từ viết tắt AF: Amplify-and-Forward - khuyếch đại chuyển tiếp AP-AF: All-participate amplify-and-forward - khuếch đại chuyển tiếp BS: Base Station - trạm sở CDF: Hàm phân phối xác suất tích lũy CDR: Coordinated direct/relay - kết hợp trực tiếp chuyển tiếp DF: Decode-and-Forward - giải mã chuyển tiếp EPA: Equal power allocation - cấp phát công suất đồng MGF: Moment-generating function - Hàm sinh mômen ML: Maximum likelihood - xấp xỉ liền kề OP: Outage probability - xác suất truyền hỏng OPA: Optimal power allocation - cấp phát công suất tối ưu O-RS-AF: Optimal relay selection amplify-and-forward - Lựa chọn chuyển tiếp tối ưu PDF: Hàm phân phối xác suất RS-AF: relay selection amplify-and-forward - khuếch đại chuyển tiếp chọn lọc SER: Symbol error rate - tốc độ lỗi bit SNDR: Signal-to-noise-and-distortion ratio - tỷ số tín hiệu nhiễu méo dạng SNR: Signal noise ratio - tỷ số tín hiệu nhiễu S-RS-AF: Sub-optimal relay selection amplify-and-forward - Lựa chọn chuyển tiếp cận tối ưu MỞ ĐẦU Vô tuyến nhận thức (cognitive radio) khái niệm mới, đề xuất giáo sư Mitola, cho phép hệ thống vơ tuyến cảm nhận môi trường xung quanh tự điều chỉnh tham số truyền phát để đạt tối ưu Vơ tuyến nhận thức có nhiều ứng dụng ứng dụng quan trọng để cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần, phần gây sách phân bố phổ tần cố định Ý tưởng hệ thống vô tuyến sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức tiến hành hoạt động truyền phát mà không cần phải đăng ký/mua trước tần số cách truyền phát băng tần trống truyền song song với hệ thống sơ cấp (có quyền tần số) mà không gây can nhiễu cho So sánh hai phương pháp, phương pháp sau (còn gọi phương pháp truyền theo đề xuất giáo sư Goldsmith) cho hiệu suất phổ tần cao hệ thống dễ dàng đảm bảo chất lượng dịch vụ đặc biệt cho dịch vụ đòi hỏi thời gian thực Tuy nhiên, nhược điểm công suất phát hệ thống thứ cấp (hệ thống sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức) phải bị giới hạn để không gây can nhiễu cho hệ thống sơ cấp dẫn đến kết vùng phủ sóng hệ thống thứ cấp bị giới hạn Chuyển tiếp hai chiều (two way relaying) ứng dụng quan trọng mã mạng (network coding) lớp vật lý cho phép cải thiện đáng kể hiệu suất phổ tần cách tận dụng tính chất quảng bá kênh truyền vô tuyến Với hai nút nguồn nút chuyển tiếp, hiệu suất phổ tần cải thiện 100% nhận quan tâm mạnh mẽ cộng đồng khoa học giới năm gần Có nhiều chế sử dụng cho mạng chuyển tiếp hai chiều Việc lựa chọn mơ hình chế phù hợp mạng chuyển tiếp cần dựa vào nghiên cứu đánh giá mặt lý thuyết dựa vào tiêu chí đánh giá mạng độ phân tập, xác suất truyền hỏng, thông lượng mạng dung mạng Để giải vấn đề đó, luận văn nghiên cứu so sánh số mơ hình truyền chuyển tiếp hai chiều theo tiêu chí đề cập, cho sở để hiểu rõ cách hoạt động mạng chuyển tiếp đồng thời đưa đánh giá mơ hình mạng dựa theo tiêu chuẩn kỹ thuật đặc trưng mạng vơ tuyến Ngồi ra, luận văn nghiên cứu mức độ ảnh hưởng phần cứng đến hoạt động mạng chuyển tiếp hai chiều nào, cụ thể tham số SER xác suất truyền hỏng mạng Luận văn chia làm phần sau: - Phần mở đầu - Chương 1: trình bày khái niệm liên quan đến mạng chuyển tiếp hai chiều - Chương 2: nghiên cứu mơ hình truyền liệu kết hợp kiểu trực tiếp chuyển tiếp - Chương 3: nghiên cứu chế chuyển tiếp chọn lọc mạng chuyển tiếp hai chiều - Chương 4: đề cập tác động suy giảm phần cứng nút chuyển tiếp đến tham số hoạt động mạng - Phần kết luận Các mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều chương chương tham khảo tài liệu [1, 6] Nội dung chương đề cập tài liệu [7] Luận văn tập trung nghiên cứu giao thức chuyển tiếp hai chiều hoạt động hiệu môi trường vô tuyến nhận thức Các tham số đánh giá hiệu lớp vật lý xác suất truyền hỏng (outage probability), tỷ lệ lỗi trung bình (symbol error rate) kênh truyền fading khảo sát tập trung vào nội dung nghiên cứu đề cập mặt lý thuyết đồng thời thực chứng minh chi tiết kết quả, thực mô so sánh với kết mà tác giả trình bày [1, 6, 7] Phương pháp nghiên cứu kết hợp mơ hình tốn xác suất mô Monte-Carlo Các vấn đề đạt luận văn nghiên cứu mơ hình truyền thông chuyển tiếp hai chiều sử dụng chế Amplify-and-Forward - khuyếch đại chuyển tiếp (AF), chứng minh chi tiết kết nêu [1, 6, 7] thực mơ xác kết 11 ˆ có dạng W ˆ = g1 (W1 , Y1 ) Việc giải mã Tại nút mạng 1, tin ước lượng W nút mạng xảy tương tự Ta thấy rằng, mạng chuyển tiếp hai chiều, hai nút mạng trao đổi thông tin cho kênh truyền qua trung gian nhiều nút chuyển tiếp Điều xảy thực tế trường hợp nút đặt xa khoảng cách công suất hạn chế nên trao đổi trực tiếp thơng tin với Một ví dụ cụ thể máy trạm di động môi trường trao đổi thông tin qua đường truyền vệ tinh Mạng chuyển tiếp hai chiều chia làm loại loại DF loại AF Việc hiểu kỹ thuật mạng chuyển tiếp hai chiều đóng vai trị quan trọng nghiên cứu kỹ thuật mã mạng để tăng hiệu suất sử dụng nhằm tiếp cận giới hạn dung lượng mạng 12 CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU KẾT HỢP Cơ chế truyền liệu chuyển tiếp hai chiều mạng vô tuyến có lợi ích thơng lượng truyền thơng qua: - Kết hợp hai luồng liệu với sử dụng mã mạng - Sử dụng thông tin biết để bỏ bớt tín hiệu dư tách tín hiệu mong muốn Dựa nguyên tắc này, tác giả đề xuất chế khác nhằm cải thiện thêm thơng lượng mạng vơ tuyến, truyền liệu chuyển tiếp trực tiếp dạng truyền kết hợp xem xét Kết phân tích cho thấy truyền kiểu kết hợp cải thiện thông lượng tương tự chế truyền chuyển tiếp Các nghiên cứu gần tập trung nhiều vấn đề mở rộng độ bao phủ tăng độ phân tập mạng vô tuyến Nhiều kỹ thuật truyền liệu chuyển tiếp giới thiệu phổ biến AF DF chương trước Các kỹ thuật áp dụng kiểu truyền liệu chuyển tiếp chiều hai chiều Nghiên cứu giới thiệu số phương pháp chuyển tiếp hai chiều khác để tăng thông lượng truyền Các phương pháp liên quan đến việc hệ thống vô tuyến kết hợp việc truyền trực tiếp chuyển chiều lên xuống Nghiên cứu đưa hai chế kết hợp truyền trực tiếp chuyển tiếp để nút Base Station - trạm sở (BS) sử dụng thông tin biết phục vụ cho việc hủy nhiễu xen Chúng ta gọi chế chế truyền coordinated direct/relay - kết hợp trực tiếp chuyển tiếp (CDR) Chương trình bày sau: Phần 2.1 mơ tả mơ hình hệ thống chế truyền Phần 2.2 phân tích so sánh mơ hình khe thời gian mơ hình khe thời gian hai yếu tố tốc độ tổng (sum-rate) thông lượng tổng (sum-throughput) Phần 2.3 tóm tắt kết đạt mặt phân tích Phần mơ trình bày 2.4 2.1 Mơ hình hệ thống chế truyền liệu [1] Cơ chế truyền CDR bao gồm trạm gốc BS, nút chuyển tiếp (RS) hai nút đầu cuối U V, hình 2.1.1(a) Các nút có cơng suất phát đơn vị băng thơng chuẩn hóa Hz Mỗi kênh truyền phức hi , i ∈ {1, 2, 3, 4, 5} có tính đối xứng, biết đầu thu, có phân bố Rayleigh với E[|hi |2 ] = Ký hiệu xi gói ký tự Trong mơ hình 2.1.1a, gói tin trạm phát BS muốn gửi đến U x1 , nhiên tín hiệu nhận có dạng y = hx1 + z, z nhiễu Tương tự V muốn gửi gói tin x2 đến BS Trong mơ hình 2.1.1b, U muốn gửi gói tin x3 cho BS BS muốn gửi gói tin x4 cho V 13 Hình 2.1.1: Mơ hình mạng Các ký hiệu số kênh khe thời gian chế truyền khe thời gian (chỉ số phía trên) chế khe thời gian (chỉ số phía dưới) Hai mơ hình truyền (a) (b) Tín hiệu thu nhiễu Gauss BS,RS,U V khe thời gian j ký hiệu yij zik ∼ CN (0, N0 ), i = {B, R, U, V } j = {1, 2, 3}.Tỷ số Signal noise ratio - tỷ số tín hiệu nhiễu (SNR) cho kênh truyền i ký hiệu γi = |hi |2 /N0 dung lượng kênh ký hiệu C(γi ) = log2 (1 + γi ) Kênh trực tiếp BS-U giả sử yếu U nhận tín hiệu thơng qua nút chuyển tiếp RS để giải mã liệu từ trạm BS Tại RS, tín hiệu nhận điều chỉnh tỷ lệ để phù hợp điều kiện truyền • Trong chế khe thời gian mơ hình 2.1.1a (thứ tự khe thời gian biểu thị nhãn màu đỏ hay nhãn phía hình 2.1.1a), trước hết, BS gửi x1 đến RS, thứ hai, RS nhận khuếch đại/chuyển tiếp ký tự vừa nhận đến U, thứ ba, V gửi x2 đến BS • Trong chế khe thời gian mơ hình 2.1.1b (biểu thị nhãn màu đỏ hay nhãn phía hình 2.1.1b), trước tiên U gửi x3 đến RS, thứ hai RS chuyển ký tự nhận đến BS, thứ ba BS gửi x4 đến V Trong chế khe thời gian, thông lượng mạng tăng lên việc truyền liệu sử dụng khe thời gian Thứ tự truyền chế đề nghị biểu thị nhãn màu xanh hay nhãn phía hình 2.1.1 14 • Mơ hình 2.1.1a, khe thời gian thứ nhất, BS gửi x1 đến RS Khe thời gian thứ 2, RS khuếch đại chuyển tiếp ký tự nhận đến U, V gửi x2 đến BS Việc nhận x2 BS bị xen tín hiệu khuếch đại x1 từ RS, nhiên BS biết x1 nên loại bỏ thành phần xen vào để tách x2 • Mơ hình 2.1.1b, khe thời gian thứ nhất, U gửi x3 đến RS BS gửi x4 đến V RS nhận tín hiệu xen x3 x4 , khuếch đại chuyển tiếp khe thời gian thứ BS biết x4 nên loại bỏ thành phần x4 để tách x3 V kết hợp tín hiệu nhận hai khe thời gian để giãi mã x4 Trong phần phân tích mơ hình 2.2 Phân tích mơ hình [1] 2.2.1 Tính tốn dung truyền Với chế mơ hình phần ta phân tích lại kết mà tác giả đưa tốc độ tổng chiều truyền xuống lên điều kiện giả sử tất nút phát biết tỉ số SNR tức thời thu 2.2.1.1 Mơ hình (2.1.1a) Cơ chế truyền khe thời gian: RS, U BS nhận tín hiệu tương ứng yR1 = h1 x1 + zR1 √ yU = h2 g1 yR1 + zU , yB3 = h3 x2 + zB3 với g1 = 1/(|h1 |2 + N0 ) (2.2.1) (2.2.2) Dung truyền V-BS từ BS-U: Cγ3 , CγE1U - Tính γ3 : Từ yB3 = h3 x2 + zB3 ta có γ3 = |h3 |2 /N0 - Tính γE1U : Thay yR1 vào biểu thức yU , ta được: √ √ √ yU = h2 g1 (h1 x1 + zR1 ) + zU = h2 g1 h1 x1 + (h2 g1 zR1 + zU ) (2.2.3) √ Thành phần nhiễu yU có phân phối (h2 g1 zR1 + zU ) ∼ CN (0, ((|h2 |2 g1 + 1)N0 ) γE1U = |h1 |2 |h2 |2 g1 |h1 |2 |h2 |2 = (|h2 |2 g1 + 1)N0 (|h2 |2 + 1/g1 )N0 Từ γ1 = |h1 |2 /N0 , γ2 = |h2 |2 /N0 , g1 = 1/(|h1 |2 + N0 ), suy ra: |h1 |2 = γ1 N0 , |h2 |2 = γ2 N0 , g1 = 1/[(1 + γ1 )N0 ] Thay vào ta được: (2.2.4) 15 γE1U = γ1 N0 γ2 N0 γ1 γ2 = (γ2 N0 + (1 + γ1 )N0 )N0 γ1 + γ2 + (2.2.5) Do mơ hình truyền khe thời gian chế cần khe thời gian nên dung lượng tổng là: CE1 = [C(γE1U ) + C(γ3 )] (2.2.6) Cơ chế truyền khe thời gian: Trong mơ hình khe thời gian, khe thời gian thứ BS gửi gói tin đến RS: yR1 = h1 x1 + zR1 (2.2.7) Khe thời gian thứ hai, RS gửi gói tin đến U, V gửi gói tin đến BS Do ảnh hưởng kênh truyền nên tín hiệu nhận U BS tương ứng (chú ý lúc nút chuyển √ tiếp RS có điều chỉnh lại công suất phát với hệ số g1 với g1 = 1/(|h1 |2 + N0 ): √ √ √ yU = h2 g1 yR1 + h4 x2 + zU = h2 g1 h1 x1 + h4 x2 + h2 g1 zR1 + zU √ yB2 = h1 g1 yR1 + h3 x2 + zB2 (2.2.8) (2.2.9) Trạm BS biết thành phần x1 nên loại bỏ thành phần tín hiệu: √ yeB2 = h3 x2 + h1 g1 zR1 + zB2 (2.2.10) SNR yU yeB2 ký hiệu là: γP 1U γP 1V Tính γP 1U (chú ý tín hiệu thu mong muốn U x1 x2 ): γP 1U |h2 |2 g1 |h1 |2 = |h4 |2 + (|h2 |2 g1 + 1)N0 (2.2.11) Thay |h1 |2 = γ1 N0 , |h2 |2 = γ2 N0 , |h4 |2 = γ4 N0 , g1 = 1/[(1 + γ1 )N0 ] ta được: γP 1U = = γ4 N0 + γ N0 γ N0 (1+γ1 )N0 γ N0 ( (1+γ )N0 + 1)N0 = γ1 γ2 γ4 (1 + γ1 ) + γ2 + (1 + γ1 ) γ1 γ2 γ1 + γ2 + γ4 + γ1 γ4 + Tính γP 1V : √ Thành phần nhiễu yeB2 có phân bố (h1 g1 zR1 + zB2 ) ∼ CN (0, ((|h1 |2 g1 + 1)N0 ) 16 γP 1V = |h3 |2 (|h1 |2 g1 + 1)N0 (2.2.12) Từ γ1 = |h1 |2 /N0 , γ3 = |h3 |2 /N0 , g1 = 1/(|h1 |2 +N0 ), suy ra: |h1 |2 = γ1 N0 , |h3 |2 = γ3 N0 , g1 = 1/[(1 + γ1 )N0 ] Thay vào ta được: γP 1V = γ3 N0 γ1 N ( (1+γ1 )N + 1)N0 = γ3 (γ1 + 1) γ3 N0 (1 + γ1 )N0 = (2γ1 N0 + N0 )N0 2γ1 + (2.2.13) Quá trình truyền liệu xảy khe thời gian nên dung lượng tổng là: CP = [C(γP 1U ) + C(γP 1V )] 2.2.1.2 (2.2.14) Mô hình 2(2.1.1b) Cơ chế truyền khe thời gian: Khe thời gian thứ nhất, U gửi liệu đến RS, tín hiệu RS thu được: yR1 = h2 x3 + zR1 (2.2.15) Khe thời gian thứ hai, RS gửi liệu đến BS (RS có điều chỉnh hệ số cơng suất phát g2 = 1/(|h2 |2 + N0 ): √ √ √ yB2 = h1 g2 yR1 + zB2 = h1 g2 h2 x3 + (h1 g2 zR1 + zB2 ) (2.2.16) Khe thời gian thứ 3, BS gửi liệu đến V: yV = h3 x4 + zV (2.2.17) SNR yB2 , yV γE2U , γ3 (γ3 = |h3 |2 /N0 ): Hoàn toàn tương tự, ta được: γE2U = γ1 γ2 γ1 + γ2 + (2.2.18) Dung truyền tổng: CE2 = [C(γE2U ) + C(γ3 )] (2.2.19) CE2 = CE1 (2.2.20) Để ý ta có Cơ chế truyền khe thời gian: Trong mơ hình này, khe thời gian thứ nhất, U truyền liệu đến RS, BS truyền đến V Tín hiệu nhận RS V tương ứng là: yR1 = h2 x3 + (h1 x4 + zR1 ), yV = h3 x4 + (h4 x3 + zV ) (2.2.21) 17 Khe thời gian thứ hai: RS phát liệu cho BS,V (RS điều chỉnh công suất phát g3 = 1/(|h1 |2 + |h2 |2 + N0 ) Tín hiệu thu BS V: √ yB2 = h1 g3 yR1 + zB2 , √ yV = h5 g3 yR1 + zV (2.2.22) √ √ √ yV = h5 g3 h2 x3 + h5 g3 h1 x4 + h5 g3 zR1 + zV (2.2.23) BS biết x4 , loại bỏ thành phần x4 yB2 tín hiệu: √ √ y˜B2 = h1 g3 h2 x3 + (h1 g3 zR1 + zB2 ) (2.2.24) SNR y˜B2 γP 2U : γ N0 γ N0 γP 2U γ1 γ2 |h1 |2 g3 |h2 |2 γ1 N0 +γ2 N0 +N0 = = = γ N (|h1 |2 g3 + 1)N0 2γ1 + γ2 + ( γ1 N0 +γ1 N0 +N0 + 1)N0 (2.2.25) Nút V chọn lựa tách x4 từ yV yV tùy theo gieo giá trị SNR tín hiệu đó: SNR yV yV tương ứng γV γV Ta có: |h3 |2 γ3 N0 γ3 γV = = = (2.2.26) |h4 | + N0 γ4 N0 + N0 γ4 + γV |h5 |2 g3 |h1 |2 = = |h5 |2 g3 |h2 |2 + |h5 |2 g3 N0 + N0 γ5 γ1 = γ5 γ2 + γ5 + γ1 + γ2 + γ5 N0 γ1 N0 γ1 N0 +γ2 N0 +N0 γ N0 γ N0 γ5 N0 N0 γ1 N0 +γ2 N0 +N0 + γ1 N0 +γ2 N0 +N0 + N0 Đặt γP 2V = max(γV , γV ), ta có dung tổng trình truyền qua khe thời gian: CP = [C(γP 2U ) + C(γP 2V )] (2.2.27) Chú ý dung kênh truyền khe thời gian thứ hai CP 2U không phụ thuộc vào kênh truyền đầu cuối U V Một số trường hợp: - Nếu bỏ qua kênh truyền U-V V nhận liệu từ trạm BS khe thời gian thứ nhất, lúc đó: CP = [C(γP 2U ) + C(γ3 )] (2.2.28) - Nếu kênh truyền BS-RS lý tưởng, tức γ1 → ∞, lúc γV = γ5 , đó: 18 γ2 γ3 CP = [C( ) + C(max( , γ5 ))] 2 γ4 + 2.2.2 (2.2.29) Thông lượng tổng xác suất truyền hỏng [1] Trong phần ta giả sử phát SNR thu tốc độ truyền liệu kênh R Thông lượng tính kênh R(1 − Pout ), Pout xác suất truyền hỏng Thơng lượng truyền tổng là: R (1 − Pout1 + − Pout2 ) (2.2.30) với Pout1 Pout2 xác suất truyền hỏng hai đầu thu U,V 2.2.2.1 Mơ hình 1(2.1.1a) Cơ chế truyền khe thời gian: Xác suất truyền hỏng đến U PE1U = P [C(γE1U ) < R] (2.2.31) Ta biết |h1 |2 ∼ exp(1), |h2 |2 ∼ exp(1), hàm mật độ xác suất |h1 |2 |h2 |2 là: ( f (x) = e−x x≥0 x a] γ1 + γ2 + (2.2.37) 19 ˆ a N0 e−N0 γ2 dγ2 P [γ2 ≤ a] = (2.2.38) γ1 γ2 P[ < a|γ2 > a] = N02 γ1 + γ2 + ˆ ˆ ∞ a(γ2 +1) γ2 −a e−N0 γ2 a e−N γ1 dγ1 dγ2 (2.2.39) e−N0 γ1 dγ1 dγ2 (2.2.40) a Suy ˆ ˆ a PE1U = N0 e −N0 γ2 dγ2 + ˆ ∞ N02 e −N0 γ2 a(γ2 +1) γ2 −a a a ˆ a PE1V = P [C(γ3 ) < R] = P [γ3 < a = N0 e−N0 γ3 dγ3 = − e−aN0 (2.2.41) N0 e−N0 γ2 dγ2 = − e−aN0 (2.2.42) Khi γ1 → ∞ γ1 γ2 γ1 +γ2 +1 → γ2 , đó: ˆ PE1U = P [C(γ2 ) < R] = P [γ2 < a] = a Thông lượng tổng chế khe thời gian là: TE1 = R R R (1 − PE1U + − PE1V ) = e−aN = eN0 (1−2 ) 2 (2.2.43) Cơ chế truyền khe thời gian: Từ γP 1U trên, ta có: γ1 γ2 + < 2R γ1 + γ2 + γ4 + γ1 γ4 + γ1 γ2 ⇔ < a, với a = 2R − γ1 + γ2 + γ4 + γ1 γ4 + C(γP 1U ) < R ⇔ C(γP 1U ) < R ⇔ γ1 γ2 − a(γ1 + γ2 + 1) < γ4 a(1 + γ1 ) γ1 γ2 Khi γ1 γ2 − a(γ1 + γ2 + 1) ⇔ γ1 +γ < a, biểu thức +1 γ1 γ2 (Chú ý P [ γ1 +γ < a] = PE1U ) +1 +γ2 +1) Đặt γ1 γ2 −a(γ =b a(1+γ1 ) Do xác suất truyền hỏng U: (2.2.44) 20 PP 1U = P [C(γP 1U ) < R] γ1 γ2 − a(γ1 + γ2 + 1) γ1 γ2 = PE1U + P [γ4 > | ≥ a] a(1 + γ1 ) γ1 + γ2 + Ta xét điều kiện P [γ4 > γ1 γ2 γ1 +γ2 +1 ≥ a ⇔ γ1 (γ2 − a) ≥ a(1 + γ2 ) ⇔ γ1 ≥ a(1+γ2 ) γ2 −a γ1 γ2 γ1 γ2 − a(γ1 + γ2 + 1) | ≥ a] a(1 + γ1 ) γ1 + γ2 + ˆ ∞ ˆ ∞ ˆ ∞ −N0 γ2 −N0 γ1 = N0 e e e−N0 γ4 dγ4 dγ1 dγ2 a(1+γ2 ) γ2 −a ˆ PP 1U = PE1U + ( γ2 ≥ N03 ˆ ∞ e ˆ ∞ −N0 γ2 b ∞ −N0 γ1 a(1+γ2 ) γ2 −a e−N0 γ4 dγ4 dγ1 dγ2 e (2.2.45) b Xác suất truyền hỏng V: PP 1V = P [C(γP 1V )] < R] = P [ PP 1V a(2γ1 + 1) = P [γ3 < ] = N02 γ1 + ˆ γ3 (γ1 + 1) < a] 2γ1 + ˆ ∞ e−N0 γ1 Trong trường hợp γ1 → ∞, ta có: γP 1U = γ3 (γ1 +1) 2γ1 +1 PP 1U → a(2γ1 +1) γ1 +1 với a = 2R − e−N0 γ3 dγ3 dγ1 (2.2.46) γ1 γ2 γ1 +γ2 +γ4 +γ1 γ4 +1 → γ2 1+γ4 , γP 1V = γ3 ˆ ∞ ˆ a(1+γ4 ) γ2 −N0 γ4 e−N0 γ2 dγ2 dγ4 = P[ < a] = N0 e + γ4 0 ˆ ∞ ˆ ∞ −N0 γ4 −N0 γ2 a(1+γ4 ) = N0 e [−e |0 ]dγ4 = N0 e−N0 γ4 (1 − e−N0 a(1+γ4 ) )dγ4 0 R PP 1U = −e−N0 γ4 |∞ −N0 a −N0 γ4 (1+a) ∞ −N0 a eN0 (1−2 ) − e e |0 = − e =1− 1+a 1+a 2R (2.2.47) 21 PP 1V γ3 = P [ < a] = N0 ˆ 2a R −2N0 a e−N0 γ3 dγ3 = −e−N0 γ3 |2a = − e2N0 (1−2 = 1−e ) (2.2.48) Lúc thông lượng tổng là: R TP 2.2.2.2 R 2N0 (1−2R ) eN0 (1−2 ) R + ) = [1 − PP 1U + − PP 1V ] = (e 2 2R (2.2.49) Mơ hình 2(2.1.1b) Cơ chế truyền khe thời gian: Do CE2 = CE1 nên thông lượng tổng chế khe thời gian mơ hình 2: TE2 = TE1 (2.2.50) Cơ chế truyền khe thời gian: Ta xét kênh truyền BS-RS lý tưởng, tức γ1 → ∞ ⇒ γP 2U = γ22 , theo trên: γ2 γ3 , γ5 ))] CP = [C( ) + C(max( 2 γ4 + (2.2.51) Xác suất truyền hỏng U: PP 2U = P [C(PP 2U ) < R] = P [C( γ2 γ2 ) < R] = P [ < a] 2 R PP 2U = PP 1V = − e2N0 (1−2 (với a = 2R − 1) ) (2.2.52) Xác suất truyền hỏng V: PP 2V = P [C(γP 2V ) < R] = P [C(max( = P [max( γ3 , γ5 ) < a] γ4 + γ3 , γ5 )) < R] γ4 + R PP 2V eN0 (1−2 ) γ3 N0 (1−2R ) = P[ < a].P [γ5 < a] = (1 − )(1 − e ) γ4 + 2R Thông lượng tổng: (2.2.53) 22 R (1 − PP 2U + − PP 2V ) R R e2N0 (1−2 ) R 2N0 (1−2R ) eN0 (1−2 ) N0 (1−2R ) [e + +e − ] = 2R 2R TP = TP = 2.3 R R N0 (1−2R ) 1 e [1 + R − eN0 (1−2 ) (1 − R )] 2 (2.2.54) Tóm tắt kết chương Các kết đạt chương tìm cơng thức dung truyền thơng lượng truyền hai mơ hình minh họa hình vẽ 2.1.1 Với mơ hình ta có chế truyền (cơ chế khe thời gian chế khe thời gian hình 2.1.1) Các cơng thức dung truyền thông lượng truyền từ kết (2.2.6), (2.2.14), (2.2.20), (2.2.27), (2.2.43), (2.2.49), (2.2.50) (2.2.54) Sau tóm tắt kết chương này: 2.3.1 Mơ hình 2.1.1a Dung truyền mạng: • Cơ chế khe thời gian: CE1 = [C(γE1U ) + C(γ3 )], với γE1U = γ1 γ2 , γ1 + γ2 + (2.3.1) γi = |hi |2 /N0 tỷ số SNR cho kênh truyền i, N0 công suất nhiễu Gauss C(x) = log2 (1 + x) • Cơ chế khe thời gian: CP = [C(γP 1U ) + C(γP 1V )], (2.3.2) với γP 1U = γ1 γ2 γ3 (γ1 + 1) , γP 1V = γ1 + γ2 + γ4 + γ1 γ4 + 2γ1 + Thơng lượng mạng: • Cơ chế khe thời gian: TE1 = R tốc độ truyền (số bit/ký tự) R N0 (1−2R ) e , (2.3.3) 23 • Cơ chế khe thời gian: R TP 2.3.2 R R eN0 (1−2 ) = (e2N0 (1−2 ) + ) 2R (2.3.4) Mơ hình 2.1.1b Dung truyền mạng: • Cơ chế khe thời gian: CE2 = CE1 (2.3.5) CP = [C(γP 2U ) + C(γP 2V )], (2.3.6) • Cơ chế khe thời gian: với γP 2U = γ1 γ2 2γ1 +γ2 +1 , γ1 γP 2V = max( γ4γ+1 , γ5 γ2 +γ5γ+γ ) +γ2 +1 Tải FULL (56 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Dự phịng: fb.com/KhoTaiLieuAZ Thơng lượng mạng: • Cơ chế khe thời gian: TE2 = TE1 (2.3.7) • Cơ chế khe thời gian: TP = R R N0 (1−2R ) 1 e [1 + R − eN0 (1−2 ) (1 − R )] 2 (2.3.8) Từ kết phân tích, với mơ hình truyền chuyển tiếp tác giả đề xuất chế để cải thiện hoạt động mạng Việc kiểm chứng kết phân tích thực phần 2.4 sau 2.4 Mô thảo luận 2.4.1 Mô γ1 γ2 ) + C(γ3 )] CE1 = CE2 = [C(γE1U ) + C(γ3 )] = [C( 3 γ1 + γ2 + 1 γ1 γ2 = [log2 (1 + ) + log2 (1 + γ3 )] γ1 + γ2 + 1 γ1 γ2 γ3 (γ1 + 1) [C(γP 1U ) + C(γP 1V )] = [C( ) + C( )] 2 γ1 + γ2 + γ4 + γ1 γ4 + 2γ1 + 1 γ1 γ2 γ3 (γ1 + 1) = [log2 (1 + ) + log2 (1 + )] γ1 + γ2 + γ4 + γ1 γ4 + 2γ1 + CP = 24 [C(γP 2U ) + C(γP 2V )] γ1 γ2 γ3 γ5 γ1 = [C( ) + C(max( , ))] 2γ1 + γ2 + γ4 + γ5 γ2 + γ5 + γ1 + γ2 + 1 γ1 γ2 γ3 γ5 γ1 = [log2 (1 + ) + log2 (1 + max( , ))] 2γ1 + γ2 + γ4 + γ5 γ2 + γ5 + γ1 + γ2 + CP = Tải FULL (56 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ Khi kênh truyền BS-RS lý tưởng γ1 → ∞ hai đầu cuối cách ly γ4 = 0: R TE1 = TE2 = R2 (1 − PE1U + − PE1V ) = e−aN0 = R2 eN0 (1−2 ) TP = R [1 TP = R N0 (1−2R ) [1 2e − PP 1U + − PP 1V ] = + 2R R 2N0 (1−2R ) (e R − eN0 (1−2 ) (1 − + eN0 (1−2 2R R) ) )] 2R Hình 2.4.1: Dung (dung lượng) trung bình đầu cuối mạng Hình 2.4.1 kết mơ dung mạng giả sử với kênh Rayleigh với SNR trung bình 13dB γi = 13db, với i ∈ {1; 2; 3} 25 Hình 2.4.2: Thông lượng tổng mạng theo tốc độ bit đầu cuối cách ly đường truyền BS-RS lý tưởng Hình 2.4.2 mơ thơng lượng mạng điều kiện kênh truyền BS-RS lý tưởng hai đầu cuối cách ly 2.4.2 Thảo luận Kết so sánh dung truyền mạng hình 2.4.1 cho thấy chế khe thời gian có dung truyền tốt chế khe thời gian trường hợp giá trị SNR thấp (nhỏ 5dB), trường hợp SNR cao chế khe thời gian có dung truyền mạng lớn Khi xét thông lượng mạng cho kết tương tự, thơng lượng mạng sử dụng chế khe thời gian tốt chế khe thời gian điều kiện tốc độ truyền bit thấp (nhỏ bit (hay ký tự) ) Nghiên cứu cho thấy tốc độ truyền bit cao chế khe thời gian cho kết tốt 6815783 ... 1.1.1: Mạng chuyển tiếp chiều Truyền thơng hai chiều giới thiệu cho trường hợp truyền thông điểm - điểm Việc sử dụng nút chuyển tiếp cho truyền thông hai chiều gọi chuyển tiếp hai chiều, mà hai điểm... chuyển tiếp chiều mà ta xét sau 1.1 Mạng chuyển tiếp hai chiều [2] Truyền thông hai chiều giới thiệu cho trường hợp truyền thông điểm - điểm Việc sử dụng nút chuyển tiếp cho truyền thông hai chiều. .. chiều gọi chuyển tiếp hai chiều, mà hai điểm hay nút trao đổi thơng tin thông qua nhiều điểm chuyển tiếp Chuyển tiếp hai chiều đạt hiệu suất băng thông tốt so sánh với mạng chuyển tiếp chiều 9