nghiên cứu kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ trong hệ thống truyền thông hợp tác

Các từ viết tắt AF Amplify-and-Forword: Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp BEP Bit Error Probability: Xác suất lỗi bit BER Bit Error Rate: Tỉ số lỗi bit CC Coded Cooperative: Kỹ thuật

Lời cam đoan

Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ

án hoặc công trình đã có từ trước Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷ luật của Khoa

Sinh viên thực hiện

Phân chia công việc trong nhóm

-Tổng quan về truyền thông hợp tác (khác với sinh viên Nguyễn Thanh Nhàn)

Chương 2

-Nghiên cứu phần phân loại các kỹ thuật phân tập kết hợp

- Nghiên cứu phần các kỹ thuật phân tập kết hợp thường

sử dụng trong truyền thông hợp tác

Chương 3

- Nghiên cứu phần hiệu năng của hệ thống SR và hệ thống IRSR

- Nghiên cứu hiệu năng của

kỹ thuật DSSC trong hệ thống

SR

Mục lục

Lời cam đoan i

Phân chia công việc trong nhóm ii

Mục lục iii

Các từ viết tắt vi

Lời nói đầu viii

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 1

1.1 Giới thiệu chương 1

1.2 Tổng quan về truyền thông hợp tác (Cooperative Communication) 1

1.2.1 Nhu cầu phát triển của truyền thông vô tuyến 1

1.2.2 Kỹ thuật MIMO – Multi Input Multi Output 2

1.2.3 Truyền thông hợp tác – Cooperative Communication 3

1.3 Mô hình kênh chuyển tiếp và các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp 5

1.3.1 Mô hình kênh chuyển tiếp và ứng dụng trong truyền thông hợp tác 5

1.3.2 Các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp 8

1.3.2.1 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward: DF) 8

1.3.2.2 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward: AF) 10

1.3.2.3 Các kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi 12

1.3.2.4 Hợp tác mã hóa (Coded Cooperative: CC) 14

1.4 Ưu nhược điểm của truyền thông hợp tác 16

1.4.1 Ưu điểm 16

1.4.2 Nhược điểm 17

1.5 Kết luận chương 18

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP KẾT HỢP 19

2.1 Giới thiệu chương 19

2.2 Kỹ thuật phân tập kết hợp 19

2.3 Phân loại các kỹ thuật phân tập kết hợp 20

2.3.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC) 20

2.3.2 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp (Switched Combining) 21

2.3.3 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC) 22

2.3.4 Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining: EGC) 23

2.3.5 Một số dạng kỹ thuật phân tập kết hợp “lai ghép” khác 23

2.4 Các kỹ thuật phân tập kết hợp thường sử dụng trong hệ thống truyền thông hợp tác 23

2.4.1 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa phân bố (Distributed Maximal Ratio Coombining: DMRC) 24

2.4.2 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn phân bố (Distributed SelectionCombining: DSC) 25

2.4.3 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ (Distributed Switch-and-Stay Combining: DSSC) 27

2.5 Nhận xét sơ lược về các kỹ thuật phân tập kết hợp ứng dụng trong truyền thông hợp tác 27

2.6 Kết luận chương 28

Chương 3: KỸ THUẬT KẾT HỢP CHUYỂN TIẾP VÀ GIỮ TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 29

3.1 Giới thiệu chương 29

3.2 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp (Switched Combining) 29

3.3 Kỹ thuật SSC trong hệ thống truyền thông hợp tác 30

3.4 Mô hình cơ bản và nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật DSSC 31

3.4.1 Điều kiện xảy ra quá trình chuyển nhánh thu 31

3.4.2 Xác suất được lựa chọn của mỗi nhánh thu 32

3.4.3 Hiệu năng của hệ thống sử dụng kỹ thuật DSSC 34

3.4.3.1 Xác suất lỗi bit 34

3.4.3.2 Xác suất dừng 35

3.4.3.3 Hiệu suất sử dụng phổ 35

3.5 Ứng dụng kỹ thuật DSSC vào hệ thống lựa chọn chuyển tiếp 36

3.5.1 Hiệu năng của hệ thống Selection relaying network-SR (mạng lựa chon chuyển

tiếp) 37

3.5.2 Mô hình hệ thống 37

3.5.3 Đánh giá hiệu năng 40

3.5.3.1 Kỹ thuật DSSC cho hệ thống SR 42

3.5.3.2 Kỹ thuật truyền gia tăng cho hệ thông SR 47

3.6 Kết luận chương 49

Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 50

4.1 Giới thiệu chương 50

4.2 Kỹ thuật DSSC ứng dụng cho hệ thống lựa chọn chuyển tiếp 50

4.3 Kết luận chương 57

Kết luận và hướng phát triển đề tài 58

Tài liệu tham khảo 59

Phụ lục A: Ý nghĩa ký hiệu 61

Phụ lục B: Một số code mô phỏng chủ yếu được sử dụng trong đồ án 63

Các từ viết tắt

AF Amplify-and-Forword: Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp

BEP Bit Error Probability: Xác suất lỗi bit

BER Bit Error Rate: Tỉ số lỗi bit

CC Coded Cooperative: Kỹ thuật hợp tác mã hóa

cdf Comulative Distribution Function: Hàm phân phối tích lũy

CSI Channel State Informaition: Thông tin trạng thái kênh truyền

DF Decode-and-Forword: Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp

DRPRS Dual-hop Partial Relay Selection: Hệ thống lựa chọn chuyển tiếp theo chặng

DSC Distribution Selection Combining: Kỹ thuật kết hợp lựa chọn phân bố

DSSC Distribution Switch-and-Stay Combining: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ

phân bố

IRSR Incremental Relaying for Selection Relaying network: Kỹ thuật truyền gia tăng

sử dụng cho hệ thống lựa chọn chuyển tiếp

M-QAM Multi Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biên độ cầu phương

nhiều mức

MIMO Multi Input Multi Output: Kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và thu

MRC Maximal Ratio Combining: Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa.

OFDM Orthogonal Frequency Divition Multiplexing: Kỹ thuật ghép kênh phân chia

theo tần số trực giao

pdf Probability Density Function: Hàm mật độ xác suất

QoS Quality Of Service: Chất lượng dịch vụ

SC Selection Combining: kỹ thuật kết hợp lựa chọn

SEC Switch and Examine Combining: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và kiểm tra

SER Symbol Error Rate: Tỉ số lỗi kí hiệu

SNR Signal-to-Noise Ratio: Tỉ sô tín hiệu trên nhiễu

SSC Switch and Stay Combining: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ

SSCSR Switch and Stay Combining for Selection relaying network: Kỹ thuật kết hợp

chuyển tiếp và giữ sử dụng cho hệ thống lựa chọn chuyển tiếp

Lời nói đầu

Truyền thông liên lạc là một nhu cầu thiết yếu của bất kì một xã hội phát triển nào Trong đó truyền thông vô tuyến đóng một vai trò rất quan trọng Trong suốt 20 năm gần đây, truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc và được dự đoán

sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa Với sự triển khai các dịch vụ như truyền thông di động, ứng dụng truyền hình di động…, chúng ta đang chứng kiến nhu cầu ngày càng tăng về tộc độ dữ liệu trong hệ thống di động tế bào thế hệ thứ 3 (3G) và điều này tạo nên xu hướng tiến lên các thế hệ tiếp theo Công nghệ “truyền thông hợp tác” trong những năm gần đây đã được những nhà nghiên cứu quan tâm và đã có những phương

án triển khai cho công nghệ mới mẻ này trong tương lai gần Cùng với các công nghệ mới như “vô tuyến thông minh”, truyền thông hợp tác sẽ là những cơ sở tốt để các nhà sản xuất lựa chọn phương thức truyền thông cho công nghệ 5G trong tương lai

Đồ án này sẽ đưa ra cái nhìn sơ lược về hệ thống truyền thông hợp tác, kỹ thuật phân tập kết hợp và phần trọng tâm sẽ là đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật kết hợp “chuyển tiếp và giữ” ứng dụng rong hệ thống truyền thông hợp tác

Nội dung đồ án gồm có 4 chương:

 Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông hợp tác

 Chương 2: Tổng quan kỹ thuật phân tập kết hợp

 Chương 3: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ trong truyền thông hợp tác

 Chương 4: Mô phỏng và đánh giá hệ thống

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

1.1 Giới thiệu chương

Chương đầu tiên của đồ án này sẽ đưa ra cái nhìn tổng quát về các khái niệm

“truyền thông hợp tác”, “nút chuyển tiếp relay”, “kênh chuyển tiếp”, cũng như các giao thức, kỹ thuật hoạt động phổ biến của nút chuyển tiếp, một số ưu nhược điểm của truyền thông hợp tác cũng sẽ được nêu lên một cách tóm tắt

1.2 Tổng quan về truyền thông hợp tác (Cooperative Communication)

1.2.1 Nhu cầu phát triển của truyền thông vô tuyến

Truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc trong suốt 20 năm gần

đây và được dự đoán sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa Với sự triển khai các dịch vụ như truyền thông di động, ứng dụng truyền hình di động… Chúng ta đang chứng kiến nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ dữ liệu trong hệ thống di động tế bào thế hệ thứ 3 (3G) và điều này tạo nên xu hướng tiến lên các thế hệ tiếp theo

Mặt khác, hiệu năng truyền dẫn của các dịch vụ có nhu cầu về băng thông kể trên phải đối mặt với những hạn chế cơ bản do sự suy yếu tín hiệu gây ra bởi kênh truyền

vô tuyến Đặc biệt, khi tín hiệu đi từ phía phát đến phía thu, sự truyền sóng điện từ phải chịu ảnh hưởng của các yếu tố như phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ Thêm vào đó, truyền

đa đường gây nên những sự thăng giáng nhanh chóng của biên độ, pha làm trễ và

thường dẫn đến hiện tượng fading Những sự suy yếu trên có thể bù đắp bằng nhiều

cách như tăng công suất phát, mở rộng băng thông hay sử dụng các loại mã hóa sửa sai

ECC (Error Control Coding) Tuy nhiên, công suất và băng thông là những tài nguyên

vô tuyến có giới hạn và khá “đắt đỏ” Trong khi đó, việc sử dụng các loại mã hóa sửa sai sẽ làm hạn chế tốc độ truyền dẫn Vì thế, việc có được một luồng truyền dữ liệu tốc

độ cao và đáng tin cậy qua những kênh truyền vô tuyến nhạy với lỗi là một thách thức lớn đối với việc thiết kế các hệ thống vô tuyến

Đạt được tốc độ truyền cao hơn, độ tin cậy truyền dẫn cao hơn, đó là hai nhu cầu chính trong sự phát triển của truyền thông vô tuyến Có thể đạt được hai yếu tố trên mà

không cần phải nâng công suất truyền hay băng thông cần thiết, đó là nhờ áp dụng độ lợi phân tập (diversity gain) và độ lợi ghép kênh (multiplexing gain) bằng cách sử dụng

các kỹ thuật phân tập như thời gian, tần số, không gian… Trong đó, phân tập không gian có thể đạt được cả độ lợi phân tập và ghép kênh Ứng dụng tiêu biểu chính là kỹ thuật MIMO

1.2.2 Kỹ thuật MIMO – Multi Input Multi Output

MIMO được xây dựng dựa trên chuẩn 802.11g và 802.11n của Viện kỹ thuật Điện

và Điện tử (Institute of Electrical and Electronic Engineers - IEEE), thường được sử dụng kết hợp với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal

Frequency Division multiplexing - OFDM) Các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông hiện đã và đang tiêu chuẩn hóa MIMO để đưa vào sử dụng trong các chuẩn của mạng 3G như HSDPA (High Speed Downlink Packet Access)

Với hệ thống MIMO, nhiều anten được sử dụng tại hai đầu thu phát của đường truyền vô tuyến, có thể nâng cao đáng kể tốc độ dữ liệu và độ tin cậy của mạng vô tuyến Việc sử dụng nhiều anten thu ở phía phát và thu cho phép tín hiệu truyền có thể

đi theo các đường truyền độc lập nhau Do đó, nhiều bản sao của cùng một tín hiệu sẽ cùng đến phía thu Các phiên bản này sẽ được kết hợp để xác định tín hiệu nguyên thủy

đã truyền đi và góp phần chống lại ảnh hưởng của fading Khác với phân tập thời gian hay tần số, hiệu suất sử dụng băng thông không bị ảnh hưởng, năng lượng được chia sẻ trên các anten truyền Dung lượng hệ thống được cải thiện bằng độ lợi ghép kênh không gian

Hình 1.1: Hệ thống MIMO

Mặt dù MIMO có những lợi ích to lớn như trên, những sẽ là rất khó khăn khi triển khai kỹ thuật này trên các thiết bị di động cầm tay Do kích thước giới hạn của những thiết bị này (chúng ta biết răng để đạt được phân tập không gian giữa các anten phải có một khoản cách tối thiểu nhất định để đảm bảo tính độc lập giữa các kênh truyền khoảng cách này càng lớn nếu sử dụng tần số nhỏ và trong môi trường chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của tán sắc) Ngoài ra còn các vấn đề về chi phí và sự phức tạp về phần cứng vì vậy việc triển khai nhiều anten trên chúng là bất khả thi và không có tính thực tiễn

1.2.3 Truyền thông hợp tác – Cooperative Communication

Ta biết rằng, mỗi thiết bị di động thường chỉ có một anten và vì thế không thể riêng

rẽ tạo thành phân tập không gian Tuy vậy, nếu giả sử một thiết bị di động có thể nhận

dữ liệu từ các thiết bị di động khác, và truyền dữ liệu đó cùng với dữ liệu của chính bản thân nó Và bởi kênh truyền fading đối với các thiết bị di động khác nhau là độc lập thống kê với nhau, nên việc đạt được phân tập không gian là hoàn toàn khả thi Việc truyền đi nhiều tín hiệu sẽ góp phần tạo nên phân tập, góp phần chống lại ảnh hưởng của fading

Đó chính là ý tưởng chính của khái niệm truyền thông hợp tác (Cooperative

Communication), tạo nên phân tập không gian bằng một phương thức mới hay còn gọi

là hệ thống các anten phân tập không gian “ảo” (hay hệ thống MIMO ảo) Có nghĩa là các thiết bị di động chỉ có một anten, nhưng chúng có thể “chia sẻ” anten của mình với các thiết bị khác để tạo thành hệ thống anten phân tập không gian Khi đó, dữ liệu của

mỗi người dùng (user) được truyền không chỉ bởi chính thiết bị của người đó mà còn

được truyền bởi những thiết bị di động khác Vì thế đương nhiên là trên quan điểm thống kê thì việc nhận diện tín hiệu truyền đi ở phía thu sẽ trở nên đáng tin cậy hơn Và quan trọng là nếu so với MIMO truyền thông hợp tác không cần phải quan tâm đến vấn

đề tích hợp nhiều anten vào các thiết bị di động, vốn là một vấn đề đòi hỏi chi phí, kích thước thiết bị và sự phức tạp về công nghệ và phần cứng Nhờ vậy, các ứng dụng của truyền thông hợp tác vào các mạng vô tuyến như mạng thông tin di động [2] là cực kì hứa hẹn

Hình 1.2: Truyền thông hợp tác

1.3 Mô hình kênh chuyển tiếp và các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp

1.3.1 Mô hình kênh chuyển tiếp và ứng dụng trong truyền thông hợp tác

Hình 1.3: Mô hình kênh chuyển tiếp ba đầu cuối

Được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1971 bởi Van der Meulen, kênh chuyển tiếp

(relay channel) và các đầu cuối của nó là những cơ sở của việc nghiên cứu về truyền thông hợp tác Kênh chuyển tiếp cổ điển là một kênh truyền thông với ba đầu cuối Đặc điểm dễ nhận ra của kênh chuyển tiếp là sự xuất hiện của thành phần đầu cuối gọi là

nút chuyển tiếp (node relay) Với vai trò tiếp nhận, xử lý và truyền đi các tín hiệu mang

thông tin để cải thiện hiệu năng của hệ thống Đối với mô hình kênh chuyển tiếp cổ điển, nút chuyển tiếp chỉ đơn thuần có nhiệm vụ duy nhất là trợ giúp cho đường truyền trực tiếp giữa nút nguồn và nút đích Tuy nhiên, khái niệm nút chuyển tiếp trong truyền thông hợp tác đã được mở rộng hơn:

► Đó có thể là những đầu cuối cố định, không có thông tin của riêng nó để truyền

đi (hay còn gọi là chuyển tiếp hợp tác)

► Hoặc có thể là những đầu cuối vừa có chức năng phát thông tin của chính nó, vừa có chức năng như một đầu cuối “hợp tác” để truyền thông tin của các đầu cuối

“đối tác” của nó hay còn gọi là hợp tác người dùng (User Cooperation)

Trong hai loại hình nút chuyển tiếp trên, chuyển tiếp hợp tác có ý nghĩa thực tiễn hơn do nút thực hiện chuyển tiếp là cố định Vì thế, điều kiện kênh truyền giữa nó và nút đích (Trạm gốc trong thông tin di động chẳng hạn) là tương đối ổn định hơn so với trường hợp còn lại Thêm vào đó, khi thực hiện chức năng chuyển tiếp thì nút chuyển tiếp phải có các bước xử lý với các dữ liệu nhận được từ các nút khác vì thế sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn Và đây lại là một lợi thế của nút chuyển tiếp cố định so với nút chuyển tiếp là một thiết bị di động Mặt khác, nếu sử dụng hình thức hợp tác người dung sẽ này sinh một số vấn đề phức tạp cần phải giải quyết như: tính bất thường về số lượng, vị trí và tính cân bằng của các thuê bao di động

Ngoài ra, dựa vào số chặng (Hop) giữa nút nguồn và nút đích ta có thể phân loại kỹ thuật chuyển tiếp hợp tác làm hai loại: chuyển tiếp hai chặng (Two-hop relaying) và chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relaying) Từ tên gọi trên, ta có thể thấy rõ rang về

Ngoài ra, có thể phân loại kỹ thuật chuyển tiếp thành: chuyển tiếp đơn hướng way Relay) và chuyển tiếp song hướng (Two-way Relay)

► Chuyển tiếp đơn hướng: hệ thống đơn giản chỉ có một nút nguồn S, nút đích D

và nút chuyển tiếp R Do sự giới hạn về hiệu suất sử dụng phổ nên nút chuyển tiếp chỉ

có thể hoạt động ở chế độ bán song công Nghĩa là tại một thời điểm, nút chuyển tiếp chỉ có thể truyền hoặc nhận

► Chuyển tiếp song hướng: hệ thống này được xem xét ở [6] khi có hai nút nguồn S1 và S2 cùng truyền đồng thời đến cho nút chuyển tiếp R ở khe thời gian truyền đầu tiên Ở khe thời gian truyền thứ hai, R sẽ chuyển tín hiệu nhân được đến cả S1 và S2 Chuyển tiếp song hướng giúp giải quyết vần đề suy giảm hiệu suất sử dụng phổ khi sử dụng nút chuyển tiếp

Ta xét ví dụ đơn giản về trường hợp sử dụng nút chuyển tiếp là một đầu cuối cố định: nêu hai đầu cuối (là nút nguồn và nút đích) muốn liên lạc với nhau nhưng đường truyền giữa chúng có chất lượng thấp thì đầu cuối thứ ba sẽ được xem như là một nút chuyển tiếp để hỗ trợ cho đường truyền trực tiếp (direct communication) giữa hai đầu cuối kia Nút nguồn sẽ truyền quảng bá (broadcasd) bản tin tới cho tất cả các nút đích

và nút chuyển tiếp Còn nút chuyển tiếp sẽ xử lý theo một phương thức nhất định và chuyển tiếp thông tin nhận được (đã qua xử lý) từ nút nguồn tới nút đích qua đường truyền chuyển tiếp (Relaying Transmission)

Thực tế là các nút chuyển tiếp không thể thu và phát cùng lúc do sự không thể tránh khỏi của hiệu ứng coupling giữa mạch phát và mạch thu Điều này dẫn đến giới hạn half-duplex, và đây chính là nguyên nhân chính mà sự truyền dẫn từ nút nguồn qua nút chuyển tiếp đến nút đích trong truyền thông hợp tác được chia thành hai pha thời gian truyền Nghĩa là chúng chỉ có thể hoạt động ở chế độ bán song công, chủ yếu thực hiện qua hai giai đoạn truyền:

► Ở giai đoạn thứ nhất, mỗi nút gửi thông tin về nút đích và đồng thời thông tin này cũng được những người dùng khác tiếp nhận Đây là nhờ tính chất quảng bá của kênh vô tuyến

► Ở giai đoạn thứ hai, các nút chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp thông tin mà nó nhận được từ các nút khác tới nút đích

Mỗi nút có thể giải mã thông tin nhận được và chuyển tiếp đi, đây là kỹ thuật giải

mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward, viết tắt là DF) Hoặc đơn giản là khuếch đại

và truyền đi, đây là kỹ thuật khuếch đại-và-chuyển tiếp (Amplify and Forward, viết tắt

là AF) Và như vậy, truyền thông hợp tác chịu một sự suy giảm trong hiệu suất sử dụng phổ tổng quát với hệ số ½ khi so sánh với truyền thông điểm-điểm truyền thống

1.3.2 Các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp

Các kỹ thuật hay cách thức hoạt động của nút chuyển tiếp là cách thức mà nút

chuyển tiếp xử lý thông tin tiếp nhận từ nút nguồn và chuyển tiếp về phía nút đích còn gọi là các kỹ thuật chuyển tiếp Hai kỹ thuật chuyển tiếp phổ biến thường được sử dụng nhiều trong các hệ thống truyền thông hợp tác:

► Kỹ thuật giải mã-và-chuyển tiếp (Decode-and-Forward hay DF)

► Kỹ thuật khuếch đại-và-chuyển tiếp (Amplify and Forward hay AF)

1.3.2.1 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward: DF)

Kỹ thuật chuyển tiếp này còn được biết đến như là kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo, cơ

bản nó thực hiện những phương thức xử lý số tín hiệu Ở mô hình này, nút chuyển tiếp hoạt động như là một trạm lặp (repeater) thông minh và giải mã/ giải điều chế tín hiệu nhận được từ nút nguồn ở khe thời gian truyền thứ nhất hay ở pha truyền thứ nhất Quá trình này sẽ loại bỏ sự hiện diện của nhiễu Cụ thể về cách thức hoạt động của kỹ thuật

► Ở pha thời gian truyền thứ hai, nút chuyển tiếp thưc hiện giải mã bản tin nhận được từ nút nguồn Sau đó tái giải mã và chuyển tiếp về phía nút đích Tín hiệu thu

ở nút đích:

, = ℎ , + , ► Ở nút đích, máy thu sẽ tổng hợp các phiên bản của cùng một tín hiệu và cố gắng xác định lại tín hiệu gốc đã được phát ra bởi nút nguồn

► Với:

 là bản tin phát,

 , là công suất phát của nút nguồn và nút chuyển tiếp,

 ℎ , , ℎ , , ℎ , tương ứng là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích

 , , , , , tương ứng là nhiễu trên các kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích

Tuy nhiên, quá trình xử lý số ở nút chuyển tiếp chịu ảnh hưởng nhiều của hiệu năng truyền dẫn ở hướng nút nguồn – nút chuyển tiếp Nếu mã CRC không được sử dụng việc giải mã tín hiệu thu từ nút nguồn sẽ không đạt hiệu quả tốt nhất Sẽ là rất khó để nút chuyển tiếp có thể giải mã tín hiệu mà không xảy ra lỗi và lỗi sẽ được tích lũy nếu qua nhiều chặng, ảnh hưởng hiệu năng của kỹ thuật chuyển tiếp và độ lợi phân tập

Để giải quyết vấn đề kể trên, người ta đã xem xét giải pháp là nút chuyển tiếp chỉ nên trợ giúp hợp tác với nút nguồn nếu nó có khả năng giải mã hoàn hảo tín hiệu mà nó nhận được từ nút nguồn Số lượng lỗi có thể được kiểm tra tại nút chuyển tiếp, sử dụng

mã kiểm tra CRC Giải pháp này được gọi là giao thức DF thích nghi Nói cách khác,

tín hiệu được truyền đến nút đích chỉ bằng những nút chuyển tiếp mà đáp ứng được yêu cầu rằng tỉ số SNR của tín hiệu nó nhận từ nút nguồn phải đạt trên 1 ngưỡng nhất định Bởi vì có nhiều nút chuyển tiếp trong mạng, chỉ nên lựa chọn những nút chuyển tiếp cho hiệu quả truyền tốt nhất

Hình 1.4: Kỹ thuật DF

1.3.2.2 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward: AF)

Ở mô hình này nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại những gì nó nhận được từ

nút nguồn Quá trình khuếch đại tương ứng với 1 biến đổi tuyến tính xảy ra tại nút chuyển tiếp AF còn được gọi là mô hình chuyển tiếp không tái tạo và cơ bản là nó thực hiện những phương thức xử lý tương tự cho tín hiệu Cụ thể về cách thức hoạt động của kỹ thuật AF như sau:

► Ở pha thời gian truyền thứ nhất, nút đích dựa vào bản chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến để truyền bản tin đến nút nguồn và các nút chuyển tiếp

 Tín hiệu thu ở nút đích: = ℎ , + , ,

 Tín hiệu thu ở nút chuyển tiếp: = ℎ , + ,

► Ở pha thời gian truyền thứ hai, nút chuyển tiếp thực hiện khuếch đại bản tin nhận được từ nút nguồn (với hệ số khuếch đại G) và chuyển tiếp về phía nút đích Tín hiệu thu ở nút đích:

, = ℎ , + , ► Ở nút đích máy thu sẽ tổng hợp các phiên bản của cùng một tín hiệu và cố gắng xác định lại tín hiệu gốc đã được phát ra bởi nút nguồn

► Với:

 là bản tin phát,

 , là công suất phát của nút nguồn và nút chuyển tiếp,

 ℎ , , ℎ , , ℎ , tương ứng là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích

 , , , , , tương ứng là nhiễu trên các kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích

Khi so sánh với những phương thức chuyển tiếp khác, AF là phương thức đơn giản nhất Tuy nhiên, AF là mô hình chịu nhiều ảnh hưởng của nhiễu truyền hơn cả Do ở quá trình nút chuyển tiếp thực hiện khuếch đại ngay cả nhiễu cũng được khuếch đại theo

Hình 1.5: Kỹ thuật AF

1.3.2.3 Các kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi

Các kỹ thuật AF và DF đơn thuần được gọi là các kỹ thuật chuyển tiếp cố định

(fixed relaying) Bởi vì nút thực hiện chức năng chuyển tiếp luôn luôn tham gia vào quá trình truyền thông hợp tác cho dù điều kiện kênh truyền có ra sao đi nữa Thực tế

là không phải lúc nào quá trình truyền thông hợp tác cũng mang lại lợi ích Ví dụ như

do ảnh hưởng của chế độ truyền bán song công Tốc độ truyền dữ liệu và việc sử dụng DOF (degree of freedom) sẽ bị giảm sút Điều này nói lên rằng, xác định khi nào nên

sử dụng truyền thông hợp tác là một điều quan trọng

Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng chế độ lựa chọn (Selection Mode), hoặc chế độ truyền gia tăng (Incremental Mode) cho các nút chuyển tiếp

► Chế độ lựa chọn: so sánh các đặc tính truyền dẫn của kênh truyền giữa nút nguồn – nút chuyển tiếp với một ngưỡng cho trước Chỉ khi các đặc tính kênh truyền đạt yêu cầu (tốt hơn ngưỡng đã cho) thì mới ứng dụng truyền thông hợp tác với nút chuyển tiếp này Chìa khóa quan trọng của chế độ lựa chọn chính là chất lượng của kênh truyền giữa nút nguồn – nút chuyển tiếp Tương ứng với chế độ này, ta có:

 AF chế độ lựa chọn (SAF),

 DF chế độ lựa chọn (SDF)

Tuy vậy, chế độ lựa chọn phù hợp với mô hình DF hơn Bởi vì chế độ lựa chọn chỉ chú ý đến chất lượng kênh truyền giữa nút nguồn – nút chuyển tiếp Nhưng đối với mô hình AF, kênh truyền giữa nút nguồn – nút chuyển tiếp và nút chuyển tiếp – nút đích đều quan trọng bởi vì nút chuyển tiếp chỉ thực hiện quá trình khuếch đại chứ không phải giải mã

► Chế độ chuyển tiếp gia tăng: thông tin phản hồi từ nút đích sẽ cho biết chất lượng của đường truyền từ nút nguồn đến nút đích Nếu chất lượng đường truyền

không tốt, nút chuyển tiếp sẽ tham gia vào quá trình truyền để hình thành quá trình truyền hợp tác Chìa khóa của quá trình này chính là chất lượng của kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích Trong khi đó, chế độ lựa chọn chỉ chú ý đến chất lượng kênh truyền giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp Nhưng trong mô hình DF, lỗi sẽ bị tích lũy

và sẽ gây ảnh hưởng xấu đến hệ thống nếu kênh truyền giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp không được đảm bảo Ở những mô hình cố định và ở chế độ lựa chọn, nút chuyển tiếp lặp lại việc chuyển tiếp bản tin nhận từ nút nguồn, việc này có thể dẫn đến suy giảm việc sử dụng DOF (Degree Of Freedom), trong khi ở chế độ truyền gia tăng, truyền thông hợp tác chỉ được sử dụng khi cần thiết, tuy nhiên đòi hỏi phải có kênh truyền riêng biệt cho quá trình hồi tiếp thông tin từ nút đích Tương ứng với chế độ này, ta có:

 AF chế độ chuyển tiếp gia tăng (IAF),

 DF chế độ chuyển tiếp gia tăng (IDF)

Tuy vậy, chế độ lựa chọn phù hợp với mô hình AF hơn

Xét về khía cạnh độ tin cậy và hiệu năng, IAF cho kết quả tốt nhất Về khía cạnh phức tạp của thuật toán, AF là đơn giản nhất và có thể đạt được đầy đủ độ lợi phân tập, SDF cũng có thể làm được như vậy nhưng nó phức tạp hơn so với AF

1.3.2.4 Hợp tác mã hóa (Coded Cooperative: CC)

Mô hình này sẽ tích hợp quá trình “hợp tác” vào quá trình mã hóa kênh Các phần khác nhau của những từ mã của mỗi nút được gửi đi trên những kênh fading khác nhau Mỗi nút thực hiện giải mã chính xác thông tin mà nó nhận được từ nút mà nó hợp tác, sau đó thực hiện tái mã hóa rồi chuyển tiếp đi Với những bít thông tin được truyền lặp

đi lặp lại trên những kênh truyền khác nhau thì hiệu năng của hệ thống sẽ được nâng cao Nếu một nút không thể thực hiện giải mã được thông tin mà nó nhận được từ nút khác nó sẽ chuyển về chế độ không hợp tác

Ở hình 1.6, thiết bị di động sẽ mã hóa thông tin cần truyền dùng mã CRC Trong suốt quá tình truyền hợp tác, các bit thông tin đã được mã hóa sẽ được chia thành 2 phần chứa các bit thông tin N1 và N2 (độ dài của từ mã nguyên thủy là N1+N2 bit) và

sử dụng 2 khe thời gian để truyền đi N1 và N2

Hình 1.6: Kỹ thuật CC

 Ở khe thời gian truyền thứ nhất, mỗi thiết bị di động sẽ truyền đi các bít N1 của riêng chúng và cố gắng thực hiện việc giải mã cá bít thông tin được truyền đi bởi “đối tác” của chúng

 Nếu quá trình giải mã ở trên thành công (được kiểm tra bởi CRC), thiết bị

di động sẽ truyền đi các bit thông tin N2 của “đối tác” ở khe thời gian truyền thứ 2 Nếu thiết bị di động không thể giải mã chính các thông tin

từ “đối tác” nó sẽ truyền đi các bit thông tin N2 của riêng nó, nghĩa là truyền ở chế độ không hợp tác

Nói chung, bằng cách này mỗi thiết bị di động luôn truyền đi bản tin gồm N1 + N2 bit ở 2 khe thời gian truyền Cuối cùng, ở phía thu sẽ tiến hành giải mã khối thông tin

mà nó nhận được Ngoài các mô hình chuyển tiếp phổ biến kể trên còn có các kỹ thuật chuyển tiếp khác:

► Nén và chuyển tiếp (Compress-and-Forward: CF): nút chuyển tiếp sẽ thực hiệu

nén tín hiệu nhận được từ nút nguồn và chuyển tiếp về phía nút đích Mã Wyner-Ziv thường được dùng để tối ưu hóa việc quá trình nén (Wyner-Ziv là một dạng mã hóa nguồn phân tán – distributed source coding)

► Hợp tác mã hóa không gian – thời gian (space-time coded Cooperative: STTC):

điểm khác biệt cơ bản giữa STTC và CC là STTC cho phép các thiết bị đầu cuối đồng thời truyền dữ liệu trên những kênh đa truy cập của riêng nó và của “đối tác”.Trong khi đối với kỹ thuật CC, thiết bị đầu cuối chỉ có thể truyền dữ liệu trên kênh truyền của riêng nó

► Hợp tác mã hóa mạng (Network-Coded Cooperative: NCC): kết hợp mã hóa mạng (Network Coding) vào kỹ thuật CC Mã hóa mạng là công nghê multicast, ý

tưởng cốt lõi của mã hóa mạng là một nút trung gian sẽ không còn thực hiện chức năng

lưu trữ và chuyển tiếp (store-and-forward), mà thực hiện mã hóa và chuyển tiếp thông

tin mà nó nhận được, điều này sẽ làm tăng dung lượng và độ tin cậy cho toàn mạng Trước đây, khái niệm này thường được dùng trong mạng hữu tuyến Nhưng tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến rất thích hợp cho việc ứng dụng mã hóa mạng trong

mạng vô tuyến, và sự tương tác về thông tin giữa các nút vô tuyến có thể đạt được thông tin qua mã hóa mạng Vì vậy, việc kết hợp truyền thông hợp tác với mã hóa mạng sẽ được cải thiện hiệu quả và hiệu năng của hệ thống truyền thông vô tuyến

1.4 Ưu nhược điểm của truyền thông hợp tác

1.4.1 Ưu điểm

► Đạt được độ lợi phân tập kết hợp: truyền thông hợp tác khai thác phân tập không gian và thời gian trong mạng vô tuyến để nâng cao hiệu suất của hệ thống Lợi ích của phân tập kết hợp có thể được liệt kê như sau:

 Giảm thiểu công suất truyền cần thiết

 Nâng cao thông lượng

 Nâng cao độ tin cậy của truyền dẫn, nâng cao vùng phủ sóng của mạng [5]

► Cân bằng chất lượng dịch vụ QoS: đối với những hệ thống truyền thống, những

người dùng ở tại rìa vùng phủ sóng của mạng hoặc những người dùng thuộc vùng chịu ảnh hưởng của hiện tượng shadowing sẽ phải chịu giới hạn dung lượng Tuy nhiên, truyền thông hợp tác có thể vượt qua được sự khác biệt về QoS và cung cấp QoS đồng đều cho nhiều người dùng

► Tiết kiệm cơ sở hạ tầng xây dựng mạng: truyền thông hợp tác có thể làm đơn giản hóa việc triển khai một hệ thống khi không có đủ cơ sở hạ tầng cần thiết Chẳng hạn như, tại một vùng bị thiên tai, truyền thông hợp tác có thể được sử dụng cho việc liên lạc khi mà hệ thống thông tin di động tế bào hay các hệ thống liên lạc khác không thể hoạt động được nữa

► Giảm thiểu chi phí: truyền thông hợp tác có thể là giải pháp giảm thiểu chi phí xây dựng, cung cấp các dịch vụ mạng trong nhiều trường hợp Ví dụ, trong mạng thông

tin di động tế bào, người ta đã chỉ ra rằng chi phí để cung cấp 1 mức QoS cho tất cả người dùng sẽ được giảm thiểu nếu có sử dụng truyền thông hợp tác

1.4.2 Nhược điểm

► Sử dụng truyền thông hợp tác sẽ tiêu tốn nhiều tài nguyên vô tuyến hơn so với truyền trực tiếp Cụ thể , tài nguyên vô tuyến ở đây là khe thời gian, băng tần, mã trải hay mã không gian thời gian Các tài nguyên này cần được chỉ định cho các lưu lượng chuyển tiếp Nếu không có sơ đồ phân bố năng lượng hợp lý thì đường truyền chuyển tiếp hợp tác sẽ gây ra nhiễu, làm giảm hiệu suất của hệ thống

► Một hệ thống truyền thông hợp tác đòi hỏi các yêu cầu cao hơn về điều khiển truy nhập, đồng bộ, lập lịch, các biện pháp bảo mật so với các hệ thống truyền thông truyền thống Ngoài ra còn phải xem xét đến vấn đề truyền thông hợp tác óc thể gây xuyên nhiễu đến đường truyền trực tiếp

► Truyền thông hợp tác thường bao gôm bước tiếp nhận và xử lý gói tin tại nút chuyển tiếp trước khi nó được truyền đi tiếp Khi xét tới những dịch vụ nhạy với trễ như thoại, những dịch vụ truyền thông đa phương tiện phổ biến hiện nay thì trễ tại các bước xử lý ở nút chuyển tiếp rõ ràng không có lợi

► Việc lập lịch phức tạp: trong hệ thống truyền thông hợp tác, không chỉ có lưu lượng từ nút nguồn mà cả lưu lượng từ nút chuyển tiếp cũng cần phải được lập lịch Vì thế, việc lập lịch sẽ trở nên phức tạp hơn và sẽ càng phức tạp hơn nếu như có nhiều người dùng và nhiều nút chuyển tiếp tham gia trong mạng

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP KẾT HỢP

2.1 Giới thiệu chương

Ở chương này, ta sẽ tìm hiểu một cách tổng quát về kỹ thuật phân tập kết hợp, sự

phân loại của nó cũng như một số ví dụ về sự ứng dụng của kỹ thuật này trong hệ thống truyền thông hợp tác

2.2 Kỹ thuật phân tập kết hợp

Những nhà thiết kế hệ thống truyền thông vô tuyến luôn phải đối mặt với vấn đề kênh truyền fading, vấn đề khiến biên độ và pha của tín hiệu luôn thay đổi bất thường theo thời gian Vì thế, các nhà thiết lế đã đối phó với vấn đề này bằng cách sử dụng các

kỹ thuật phân tập Kỹ thuật phân tập là kỹ thuật sử dụng nguồn tài nguyên thông tin (tần số, khe thời gian…) nhiều hơn mức tối thiểu cần thiết cho việc thu và phát tín hiệu

để đảm bảo chất lượng của hệ thống thông tin Có nhiều dạng phân tập, điển hình là:

► Phân tập không gian: tín hiệu được truyền trên nhiều đường khác nhau Trong

truyền dẫn hữu tuyến, người ta truyền trên nhiều sợi cáp Trong truyền dẫn vô tuyến

người ta hay sử dụng phân tập anten Chẳng hạn như phân tập phát (transmit diversity) / phân tập thu (receive diversity) là phân tập trên nhiều anten phát / anten thu Nếu các anten đặt gần nhau khoảng vài bước sóng thì gọi là phân tập gần (microdiversity) Nếu các anten đặt cách xa nhau thì gọi là phân tập xa (macrodiversity)

► Phân tập thời gian: tín hiệu được truyền đi ở những thời điểm khác nhau

► Phân tập phân cực: tín hiệu được truyền đi bằng cách dùng những sóng phân

cực khác nhau

► Phân tập tần số: tín hiệu được truyền đi trên nhiều tần số khác nhau, hoặc trên

một phổ tần rộng bị tác động của fading lựa chọn tần số

Kỹ thuật phân tập kết hợp (Diversity Combining): là kỹ thuật ứng dụng để kết hợp

nhiều tín hiệu nhận được ở phía thu sử dụng phân tập thu để có được một tín hiệu chất lượng tốt hơn Phân tập kết hợp là một công cụ tuyệt vời có thể được ứng dụng trong

hệ thống truyền thông vô tuyến để làm giảm bớt ảnh hưởng của fading, chỉ ra phương thức mà tín hiệu từ các nhánh phân tập được kết hợp Phân tập kết hợp đòi hỏi một số lượng các phiên bản của cùng một tín hiệu truyền đến từ phía thu Tất cả đều mang nội dung như nhau nhưng trải qua những kênh fading độc lập nhau Phân tập kết hợp có những đặc điểm chính sau đây:

► Nhân những phiên bản của cùng một tín hiệu mang thông tin, những phiên bản này đi trên ít nhất là 2 kênh fading độc lập với nhau

► Kết hợp những phiên bản đó với nhau theo một số phương pháp nhất định để nâng cao tỉ số SNR nhận tổng quát và giảm tỉ số BER phía thu

Khi đánh giá hiệu năng của một hệ thống phân tập kết hợp, người ta thường quan tâm đến các thông số như sau:

► SNR trung bình sau khi đã qua quá trình phân tập kết hợp

► BER trung bình hay SER (tỉ số Symbol lỗi) trung bình

► Xác suất dừng

► Thời gian xảy ra gián đoạn liên lạc trung bình

2.3 Phân loại các kỹ thuật phân tập kết hợp

Phân tập kết hợp có thể được chia thành các kỹ thuật phân tập khác nhau như sau:

2.3.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC)

Trong N tín hiệu thu được từ các nhánh, tín hiệu có chất lượng tốt nhất (có tỉ số SNR tức thời cao nhất) sẽ được lựa chọn Kỹ thuật này dễ thực hiện nhưng không tối

ưu vì nó không sử dụng hết tất cả các tín hiệu thu được từ các nhánh Thêm vào đó, kỹ thuật này đòi hỏi việc phải thường xuyên theo dõi chất lượng trên tất cả các nhánh thu Trong thực tế, rất khó để đo đạt trực tiếp được SNR, thường thì công suất tổng cộng cao nhất (cả tín hiệu và nhiễu) sẽ được dùng làm thước đo [9]

Hình 2.1: kỹ thuật SC

2.3.2 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp (Switched Combining)

Kỹ thuật này còn được gọi là kỹ thuật phân tập quét (scanning diversity) Các tín

hiệu thu được từ các nhánh thu sẽ được quét theo thứ tự cho tới khi tìm được 1 tín hiệu

có chất lượng vượt qua 1 ngưỡng cho trước Tín hiệu này sẽ trở thành tín hiệu được chọn Cho tới khi chất lượng của nó giảm dưới ngưỡng đó thì tiến trình quét tìm tín hiệu có chất lượng vượt ngưỡng lại được khởi động Kỹ thuật kết hợp lựa chọn chuyển tiếp là kỹ thuật phân tập khá đơn giản và có thể được phân loại thành 2 dạng:

► Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ (Switch-and-Stay Combining: SSC): khi

chất lượng của nhánh thu hiện tại giảm xuống dưới 1 ngưỡng chất lượng được định trước, hệ thống sẽ chuyển sang một nhánh thu khác và giữ ở nhánh thu đó (bất chấp chất lượng của nhánh thu vừa chuyển sang có đạt trên mức ngưỡng quy định hay

không) cho đến thời điểm chuyển tiếp tiếp theo

► Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và kiểm tra (Switch-and-Examine Combing: SEC):

sự khác biệt của SEC so với SSC là nếu nhánh thu vừa chuyển sang có chất lượng thấp hơn ngưỡng thì nó sẽ ngay lập tức chuyển sang nhánh thu khác (hoặc trở lại nhánh thu ban đầu, nếu hệ thống chỉ có 2 nhánh thu) Và có thể hệ thống sẽ thực hiện chuyển tiếp nhanh liên tục cho đến khi tìm được nhánh thu đạt chất lượng trên mức ngưỡng Trong

kỹ thuật SEC, bộ thu cố gắng sử dụng nhánh thu có chất lượng (chấp nhận được) bằng cách kiểm tra càng nhiều nhánh càng tốt

2.3.3 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC)

Các tín hiệu nhận được từ các nhánh được đánh giá và gán trọng số tỉ lệ dựa theo tỉ

số SNR riêng rẽ của chúng và sau đó được cộng lại (các tín hiệu này phải được làm cho đồng pha trước hi thực hiện quá trình cộng) Kỹ thuật này tạo ra tín hiệu cso tỉ số SNR trung bình là tổng của các SNR riêng rẽ của tín hiệu thu từ các nhánh khác nhau Nhờ vậy, ta có thể đạt được tỉ số SNR chấp nhận được ngay cả khi không có tín hiệu từ nhánh nào có SNR đạt tiêu chuẩn Đây là phương pháp khá tối ưu nhưng đòi hỏi phải biết các thông số của các kênh truyền (CSI của kênh truyền)

Hình 2.2: kỹ thuật MRC

2.3.4 Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining: EGC)

Tương tự như kỹ thuật MRC, ngoại trừ việc các trọng số tỉ lệ được đặt bằng nhau đối với tất cả các tín hiệu từ các nhánh thu khác nhau Hiệu quả của kỹ thuật này có thể thấy là không cao nhu đối với kỹ thuật MRC Cả kỹ thuật EGC và MRC đều là những

kỹ thuật kết hợp tuyến tính, các tín hiệu từ các nhánh sẽ được gán trọng số tỉ lệ và cộng lại theo công thức:

= ∑

Đối với kỹ thuật EGC thì các trọng số đều bằng nhau, và bằng với: = − , với

là pha của tín hiệu nhận được Với kỹ thuật MRC thì các trọng số sẽ tỉ lệ với SNR thu được tại mỗi nhánh Nếu công suất nhiễu là bằng nhau thì việc xác định trọng số sẽ dựa theo công thức: = − , với và lần lượt là biên độ và pha của tín hiệu thu được Do vậy, MRC đòi hỏi sự ước lượng fading trong kênh truyền và pha của tín hiệu Và đây là phương pháp tối ưu do có thể thu được tín hiệu có tỉ số SNR tối đa

2.3.5 Một số dạng kỹ thuật phân tập kết hợp “lai ghép” khác

► Kỹ thuật kết hợp lựa chọn tổng quát (Generalized Selection Combining: GSC) ► Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và kiểm tra tổng quát (Generalized Switch-and-

Examine Combining: GSEC)

2.4 Các kỹ thuật phân tập kết hợp thường sử dụng trong hệ thống truyền thông hợp tác

Một điểm lợi lớn của truyền thông hợp tác đó là sử dụng hệ thống các anten phân tán, những anten này thuộc về những đầu cuối chuyển tiếp độc lập với nhau Điều này cho phép việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống truyền thông hợp tác theo một khía cạnh mới, khi mà các đường liên kết đầu cuối đến đầu cuối giữa nút nguồn và nút đích đóng vai trò là những nhánh của hệ thống phân tập thu ảo và phân tán Và như vậy, các phương pháp kết hợp thông dụng được sử dụng trong phân tập thu truyền thống có thể

được triển khai bằng một cách thức phân tán Dẫn đến những giao thức chuyển tiếp mới lạ và nói chung là một cách thức mới để tận dụng nguồn tài nguyên vô tuyến

2.4.1 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa phân bố (Distributed Maximal Ratio Coombining: DMRC)

MRC là kỹ thuật kết hợp đạt hiệu năng tốt nhất do nó sử dụng tất cả các nhánh thu cho phép, kết hợp dựa vào SNR tức thời của chúng MRC sử dụng phương thức kết hợp các tín hiệu từ nhiều nút chuyển tiếp một cách tốt nhất Ở khía cạnh hiệu năng đó

là gán trọng số cho chúng dựa vào tỉ số SNR đầu cuối đến đầu cuối tương ứng Kỹ

thuật MRC ứng dụng trong truyền thông hợp tác được gọi là MRC phân tán

(Distributed MRC), và nó là một chuẩn mực khi đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật phân tập kết hợp khác [5]

Ta xem xét một ví dụ đơn giản về ứng dụng của kỹ thuật MRC đối với hệ thống truyền thông hợp tác Xét một hệ thống gồm nút nguồn S, nút đích D và nút chuyển tiếp R sử dụng kỹ thuật DF Ở khe thời gian truyền thứ nhất, tín hiệu nhận được ở nút đích và nút chuyển tiếp (từ nút nguồn) được thể hiện như sau:

Giả sử rằng nút chuyển tiếp giải mã hoàn hảo tín hiệu mà nó nhận được Sau đó tái

mã hóa và chuyển tiếp tín hiệu về phía nút đích ở khe thời gian truyền thứ 2 Khi đó, tín hiệu mà nút đích nhận được từ nút chuyển tiếp thể hiện như sau:

Trong đó:

 là bản tin phát,

 , là công suất phát của nút nguồn và nút chuyển tiếp,

 ℎ , , ℎ , , ℎ , tương ứng là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích

 , , , , , tương ứng là nhiễu trên các kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích

Phía nút đích sẽ kết hợp cả tín hiệu nhận được từ nút nguồn và nút chuyển tiếp, sử dụng kỹ thuật MRC Ngõ ra của bộ kết hợp sẽ là:

2.4.2 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn phân bố (Distributed SelectionCombining: DSC)

DSC cơ bản là kỹ thuật SC được ứng dụng vào hệ thống truyền thông hợp tác Ta xem xét một hệ thống truyền hợp tác gồm 1 nút D, 1 nút nguồn S và N nút chuyển tiếp

sử dụng kỹ thuật DF, hỗ trợ cho việc truyền dẫn từ nút đích đến nút nguồn Điểm mấu chót của kỹ thuật DSC là xác định ra được nút chuyển tiếp tốt nhất ở mỗi khe thời gian truyền để làm nhánh thu trong khe thời gian đó

Nếu ta gọi , với i =1,…,N tương ứng là tỉ số SNR tức thời của các đường truyền đi qua N nút chuyển tiếp Khi đó tỉ số SNR tức thời của hệ thống DSC sẽ được xác định bằng công thức:

Nếu ta gọi ,1 và ,2 tương ứng là tỉ số SNR tức thời của đường truyền giữa nút nguồn - nút chuyển tiếp thứ i và đường truyền giữa nút chuyển tiếp thứ i - nút đích Theo [1], ta có tỉ số SNR tương đương của một kênh truyền chuyển tiếp

Đối với kênh truyền chịu ảnh hưởng của fading Rayleigh phẳng, các tỉ số SNR tức thời của các kênh truyền là các biến ngẫu nhiên có phân bố mũ với hàm pdf và cdf được xác định như sau:

Đã có một số nghiên cứu về ứng dụng của kỹ thuật DSC trong các hệ thống truyền thông hợp tác, ở [1], một đánh giá về hiệu năng của kỹ thuật DSC, những thông số hiệu năng của hệ thống như tỉ số lỗi bit, hiệu suất sử dụng phổ… cũng được xem xét Hay ở [7], sự so sánh về hiệu năng của 2 kỹ thuật DSC riêng biệt đã được đề cập, đó là kỹ thuật DSC dựa trên nền tảng so sánh tỉ số lỗi bit RER và kỹ thuật DSC dựa trên nền tảng so sánh tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu khác về

kỹ thuật DSC thường quan tâm đến kỹ thuật DSC dựa vào só sánh tỉ số SNR hơn Ở chương sau, một hệ thống kết hợp giữa kỹ thuật DSSC và hệ thống SR sẽ được xem xét đến

2.4.3 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ (Distributed Switch-and-Stay Combining: DSSC)

Kỹ thuật này sẽ được xem xét vào chương sau cho một số trường hợp cụ thể

2.5 Nhận xét sơ lược về các kỹ thuật phân tập kết hợp ứng dụng trong truyền thông hợp tác

► Về hiệu năng: kỹ thuật DMRC cho hiệu năng tối ưu nhất trong số các kỹ thuật phân tập và thường được lấy làm tiêu chuẩn so sánh cho các kỹ thuật khác

► Về độ phức tạp: hai kỹ thuật DMRC và DSC đòi hỏi việc phía thu phải giám sát chất lượng kênh truyền trên tất cả các nhánh thu, dẫn đến các kỹ thuật này tương đối phức tạp khi triển khai

2.6 Kết luận chương

Ở chương này, khái niệm về kỹ thuật phân tập kết hợp đã được đề cập Phân tập kết hợp là một công cụ tuyệt vời có thể được ứng dụng trong các hệ thống truyền thông vô tuyến để làm giảm bớt ảnh hưởng của fading, chỉ ra phương thức mà tín hiệu từ các nhánh phân tập được kết hợp Các phân loại của kỹ thuật phân tập kết hợp như kỹ thuật kết hợp lựa chọn, kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa, kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp…cũng đã được đề cập đến Ngoài ra, một số ví dụ của các kỹ thuật trên khi sử dụng trong hệ thống truyền thông hợp tác cũng đã được nêu ra Ở chương tiếp theo, kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ và các ứng dụng của nó trong một số hệ thống truyền thông hợp tác

sẽ được xem xét kỹ lưỡng hơn

Chương 3: KỸ THUẬT KẾT HỢP CHUYỂN TIẾP VÀ GIỮ TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

3.1 Giới thiệu chương

Ở chương này, mô hình cơ bản của kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ sẽ được xem

xét cùng với một số ứng dụng của kỹ thuật này trong các hệ thống truyền thông hợp tác (hệ thống lựa chọn chuyển tiếp (Selection Relaying) và hệ thống lựa chọn chuyển tiếp theo chặng (Partial Relay Selection)) Các đánh giá về hiệu năng của hệ thống sử dụng

kỹ thuật này sẽ được dẫn ra

3.2 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp (Switched Combining)

Kỹ thuật SC và MRC (đề cập ở chương 2) đòi hỏi việc phải giám sát thường xuyên SNR của các nhánh thu, yêu cầu kỹ thuật phức tạp Có một dạng kỹ thuật kết hợp đơn

giản hơn, đó là kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp (Switch Combining) (hay còn gọi là kỹ

thuật kết hợp sử dụng ngưỡng-Threshold Combining) , kỹ thuật này tránh được nhược điểm kể trên của kỹ thuật SC Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp sẽ thực hiện quét trên các nhánh thu theo thứ tự và chọn thu từ nhánh có SNR vượt một mức ngưỡng T cho trước Một khi đã chọn được nhánh thu, hệ thống sẽ sử dụng nhánh thu đó cho đến khi SNR của nhánh giảm xuống dưới mức ngưỡng T, khi đó hệ thống sẽ chuyển sang nhánh thu khác Tuy vậy, có nhiều tiêu chuẩn để hệ thống lựa chọn để chuyển sang nhánh thu nào Cách đơn giản nhất là chuyển ngẫu nhiên sang một nhánh bất kỳ nào đó Nếu chỉ

có hai nhánh thu phân tập thì điều này tương đương với việc hệ thống sẽ chuyển sang nhánh thu còn lại khi SNR của nhánh thu đang được sử dụng thấp hơn T Phương pháp này còn gọi là kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ (Switch and Stay Combining: SSC) [10]

Phân loại kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp:

►Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ (Switch and Stay Combining):

khi chất lượng của nhánh thu hiện tại (SNR) giảm xuống dưới một mức chất lượng

được định trước, hệ thống sẽ chuyển sang một nhánh thu mới và giữ ở nhánh thu đó (bất chấp việc chất lượng của nhánh thu chuyển sang có đạt trên mức ngưỡng quy định

không) cho đến thời điểm chuyển tiếp tiếp theo

►Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và kiểm tra (Switch and Examine Combining (SEC)):

Sự khác biệt của SEC so với SSC là nếu nhánh thu vừa chuyển sang có chất lượng thấp hơn ngưỡng thì ngay lập tức chuyển sang nhanh thu khác (hoặc trở lại nhánh thu ban đầu, nếu hệ thống chỉ có hai nhánh thu), và có thể hệ thống sẽ chuyển tiếp nhanh liên tục cho đến khi tìm được nhánh thu đạt chất lượng trên mức ngưỡng

3.3 Kỹ thuật SSC trong hệ thống truyền thông hợp tác

Do tính chất phân bố (distributed) của hệ thống truyền thông hợp tác nên kỹ thuật

SSC trong truyền thông hợp tác được gọi là kỹ thuật chuyển tiếp và giữ phân bố

(distributed Switch-and-stay combining (DSSC) Nói chung, ý tưởng chính đằng sau việc ứng dụng kỹ thuật chuyển tiếp trong DSSC là chuyển từ một nhánh thu end-to-end đến một nhánh khác nếu nhánh đang được sử dụng hiện tại có SNR giảm xuống thấp hơn ngưỡng cho phép Tuy về tính tối ưu thì DSSC không bằng kỹ thuật DSC, nhưng

độ phức tạp của nó đã giảm đi nhiều, nguyên nhân là tại một thời điểm chỉ cần kiểm tra SNR của một nhánh thu end-to-end, cũng là nhánh đang được thu hiện tại (trong khi

đó, hệ thống sử dụng DSC tại một thời điểm phải tiến hành kiểm tra SNR của nhiều nhánh thu để có thể xác định nhánh thu có chất lượng tốt nhất) Kỹ thuật SSC thường được sử dụng kết hợp với các kỹ thuật phân tập kết hợp khác ở phía thu như kỹ thuật

SC hay MRC Đã có nhiều công trình nghiên cứu về kỹ thuật SSC trong hệ thống