Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất trong mạng chuyển tiếp OFDM

 Giới thiệu kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM. Giới thiệu mô hình, nguyên lý hoạt động của mạng chuyển tiếp. Trình bày kỹ thuật lựa chọn cặp sóng mang con và kết đôi.

NỘI DUNG TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI

Giới thiệu các công nghệ truyền thông vô tuyến

Truyền thông vô tuyến là sự truyền nhận thông tin giữa hai hay nhiều điểm liên kết với nhau mà không bằng bất kì dây dẫn điện nào Các hệ thống không dây trong ngành viễn thông có thể cung cấp các dịch vụ cho các thiết bị hay ứng dụng vô tuyến ở khoảng cách ngắn hoặc khoảng cách xa

Một trong những khía cạnh phát triển mạnh mẽ nhất của công nghệ không dây đó là truyền thông di động với 5.9 tỷ thuê bao di động trên toàn thế giới ở năm 2011, tăng đến 6.7 tỉ năm 2013 (chiếm 95% dân số của thế giới) và dự đoán sẽ là 8.5 tỷ thuê bao di động vào năm 2016, theo thông kê và ước tính của ITU Theo đó, các điện thoại di động sử dụng sóng vô tuyến để thực hiện các cuộc gọi (thoại) có thể từ khắp nơi trên thế giới

Ngoài ứng dụng cuộc gọi thoại, truyền thông di động ngày càng có nhiều dịch vụ khác cung cấp cho người dùng như truyền nhận dữ liệu vô tuyến bằng cách sử dụng các chuẩn công nghệ trong các hệ thống mạng với phạm vi phủ sóng, hiệu suất hoạt động, tốc độ truyền tải dữ liệu … khác nhau; ví dụ như Wi-fi (IEEE 802.11 a,b,g,n), Cellular (GSM, GPRS, 3G, 4G), truyền thông vệ tinh di động, mạng cảm biến vô tuyến hoặc các ứng dụng trong quốc phòng, công nghiệp, y tế, giáo dục

2.1.1 Sơ lược quá trình hình thành các chuẩn truyền thông di động

Các chuẩn công nghệ này được 3GPP (3rd Generation Partnership Project) tạo ra nhằm thể hiện những bước phát triển nhảy vọt theo từng giai đoạn thời gian của mạng thông tin di động Các chuẩn này được tạo ra theo từng gian đoạn thời gian với các tên gọi khác nhau cho mỗi phiên bản (Releases) Tham khảo các chuẩn công nghệ truyền thông được liệt kê trong bảng 2.1

Chương 2: Nội dung tổng quát của đề tài Trang 10 HVTH: Trần Ngọc Hoàng

Bảng 2.1 – Các chuẩn công nghệ truyền thông (Tham khảo trong 3GPP -3rd

Phiên bản Thời gian phát hành Thông tin

Release 96 1997 Q1 GSM, 14.4 kbit/s User Data Rate Release 97 1998 Q1 GSM, GPRS

Release 98 1999 Q1 GSM, AMR, EDGE, GPRS for PCS1900 Release 99 2000 Q1 UMTS 3G, CDMA

Release 4 2001 Q2 UMTS 3G, CDMA, all-IP Core Network Release 5 2002 Q1 Giới thiệu IMS and HSDPA

Release 6 2004 Q4 Hệ thống tích hợp với Wireless LAN và thêm

HSUPA, MBMS, cải tiến IMS

Release 7 2007 Q4 Tập trung giảm latency, cải thiệu QoS, ứng dụng real-time, HSPA+, SIM, EDGE Evolution

Release 8 2008 Q4 LTE, All-IP network (SAE), OFDMA, FDE,

Release 9 2009 Q4 Cải tiến SAE, WiMAX, LTE/UMTS, Dual-cell

HSDPA với MIMO, Dual-cell HSUPA Release 10 2011 Q1 LTE-A, IMT Advanced 4G, Multi-cell HSDPA Release 11 2012 Q3 Advanced IP, Service Layer, HetNets, CoMP, IDC

Release 12 2014 Q2 Cải thiện Advanced IP, Energy Efficiency, Cải thiện LTE/LTE-A, High quality video Release 13 Dự kiến 2015

Bảng 2.2 – Số liệu từng thế hệ mạng di động từ 1G – 5G tham khảo trong [1]

Thời gian Nền tảng Công nghệ Băng thông Lĩnh vực

Dữ liệu số băng hẹp

170 Kbps (đỉnh) Đa phương tiện, streaming, web browse

Gói dữ liệu số băng rộng

Kbps; 3.1 Mbps (đỉnh) Đa phương tiện, streaming

Dung lượng, tốc độ dữ liệu cao

Gói dữ liệu số băng rộng, all IP, băng thông cao

Băng thông cao, high streaming, độ linh động cao

LAS- CDMA, OFDM, MC- CDMA, UWB, IPv6 Ít nhất 1Gbps

Băng thông, hiệu suất cao, độ tin cậy cao

Ngoài ra cũng cần phải kể đến sự phát triển của các thế hệ mạng di động, cho tới thời điểm hiện tại mạng truyền thông 4G đã và đang được triển khai ở các nước Bắc Mĩ, Châu Âu, Nga, Trung Quốc, Ấn Độ, Úc, một số nước Châu Á … Riêng ở Việt Nam, đến năm 2013 vẫn đang sử dụng chủ yếu là 2G, 3G và đang có kế hoạch triển khai mạng 4G vào năm 2015 như thể hện ở bảng 2.2

Trong tương lai, mạng di động sẽ tiếp tục phát triển cùng với đó là các chuẩn và thế hệ công nghệ truyền thông không dây sẽ xuất hiện theo nhu cầu ngày càng cao của con người Mặc dù mạng 4G chỉ vừa mới xuất hiện và hoạt động nhưng các tổ chức viễn thông quốc tế đã bắt đầu những bước đi trong việc nghiên cứu mạng 5G

2.1.2 Chuẩn công nghệ LTE và LTE-Advanced

LTE (Long Term Evolution, nghĩa là Tiến hóa dài hạn), công nghệ này được coi như công nghệ di động thế hệ thứ 4 (4G, nhưng thực chất LTE mới chỉ được coi như 3,9G) tham khảo thêm ở [6,7]

LTE là một chuẩn cho công nghệ truyền thông dữ liệu không dây và là một sự tiến hóa của các chuẩn GSM/UMTS Mục tiêu của LTE là tăng dung lượng và tốc độ dữ liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chế và DSP (xử lý tín hiệu số) mới được phát triển vào đầu thế kỷ 21 Một mục tiêu cao hơn là thiết kế lại và đơn giản hóa kiến trúc mạng thành một hệ thống dựa trên nền

IP với độ trễ truyền dẫn tổng giảm đáng kể so với kiến trúc mạng 3G Giao diện không dây LTE không tương thích với các mạng 2G và 3G, do đó nó phải hoạt động trên một phổ vô tuyến riêng biệt xem thêm ở [8]

LTE được hãng NTT DoCoMo của Nhật đề xuất đầu tiên vào năm 2004, các nghiên cứu về tiêu chuẩn mới chính thức bắt đầu vào năm 2005 Tiêu chuẩn LTE được hoàn thành vào tháng 12 năm 2008 và dịch vụ LTE đầu tiên được hãng TeliaSonera khai trương ở Oslo và Stockholm (Sweden - Thụy Điển) cuối năm 2009 Đặc tả kỹ thuật LTE như sau:

- Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s và tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s (với 4x4 anten sử dụng độ rộng băng thông là 20 MHz)

- Trễ truyền dẫn dữ liệu tổng thể thấp (thời gian trễ đi-về dưới 5 ms), trễ tổng thể cho chuyển giao thời gian thiết lập kết nối nhỏ hơn so với các công nghệ truy nhập vô tuyến kiểu cũ

- Cải thiện hỗ trợ cho tính năng di động, thiết bị đầu cuối di chuyển với vận tốc lên tới 350 km/h hoặc 500 km/h vẫn có thể được hỗ trợ phụ thuộc vào băng tần

- OFDMA được dùng cho kênh đường xuống, SC-FDMA dùng cho kênh đường lên để tiết kiệm công suất được giới thiệu trong [9,10]

- Hỗ trợ cả hai hệ thống dùng FDD và TDD cũng như FDD bán song công với cùng công nghệ truy nhập vô tuyến

- Hỗ trợ cho tất cả các băng tần hiện đang được các hệ thống IMT sử dụng của ITU-R

- Tăng tính linh hoạt phổ tần độ rộng phổ tần 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz được chuẩn hóa

- Hỗ trợ kích thước tế bào từ bán kính hàng chục m (femto và picocell) lên tới các macrocell bán kính 100 km Trong dải tần thấp hơn dùng cho các khu vực nông thôn, kích thước tế bào là 5 km Trong khu vực thành phố và đô thị, băng tần cao hơn (như 2,6 GHz ở Châu Âu) được dùng để hỗ trợ băng thông di động tốc độ cao Trong trường hợp này, kích thước tê bào có thể chỉ còn 1 km hoặc ít hơn

- Hỗ trợ ít nhất 200 thiết bị đầu cuối hoạt động trong mỗi tế bào có băng thông 5MHz

- Đơn giản hóa kiến trúc phía mạng E-UTRAN chỉ gồm các eNode B

- Hỗ trợ hoạt động với các chuẩn cũ (GSM/EDGE, UMTS và CDMA2000)

Người dùng có thể bắt đầu một cuộc gọi hoặc truyền dữ liệu trong một khu vực sử dụng chuẩn LTE, nếu không có mạng LTE thì người dùng vẫn có thể tiếp tục hoạt động nhờ các mạng GSM/GPRS hoặc UMTS dùng WCDMA hay thậm chí là mạng của 3GPP2 như cdmaOne hoặc CDMA2000)

- Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói

- Hỗ trợ cho MBSFN (mạng quảng bá đơn tần) Tính năng này có thể cung cấp các dịch vụ như Mobile TV dùng cơ sở hạ tầng LTE, và là một đối thủ cạnh tranh cho truyền hình dựa trên DVB-H

Kênh truyền vô tuyến

Chất lượng của hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền tải giữa phía phát và phía thu Với đặc trưng đó là hoàn toàn ngẫu nhiên và rất khó trong việc phân tích cũng như ước lượng

Tín hiệu phát đi qua kênh truyền vô tuyến có thể sẽ bị cản trở bởi các vật cản, phản xạ, tán xạ; gọi chung là fading Kết quả là ở máy thu sẽ thu được nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát, ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến Về cơ bản, hiện tượng fading có thể được chia thành hai loại fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading)

Có thể quan sát sự ảnh hưởng của các yếu tố điều kiện môi trường đến kênh truyền vô tuyến qua biểu đồ thể hiện sự suy giảm công suất tín hiệu bởi các hiện tượng (suy hao, che khuất, đa đường)

Suy hao Che khuất và suy hao Suy hao, che khuất và đa đường log (d) K (dB)

Hình 2.2: Ảnh hưởng của các hiện tượng đến chất lượng kênh truyền vô tuyến [12]

2.2.1 Suy hao đường truyền (pathloss)

Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu, bởi do hiện tượng che chắn và suy hao về khoảng cách

Công suất thu được trong quá trình lan truyền trong không gian tự do được định nghĩa là một hàm số của khoảng cách d giữa máy phát và máy thu được cho bởi công thức (2.1):

Trong đó, P t là công suất phát, G t và G r là độ lợi của anten phát và anten thu tương ứng, và λ là bước sóng

2.2.2 Hiện tượng che khuất (shadowing)

Hiện tượng này xảy ra do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, làm cho biên độ tín hiệu suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ ảnh hưởng nhiều khi tín hiệu truyền trên khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm hay còn được gọi là fading chậm

Fading đa đường là một hiện tượng rất phổ biến trong truyền thông vô tuyến, nó gây ra do hiện tượng đa đường truyền dẫn tới suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu không giống nhau tại các thời điểm và tại các tần số khác nhau Sóng tín hiệu nhận được chính là sự chồng chập của các sóng tín hiệu khác nhau do bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các vật thể cản

Hình 2.3: Hiện tượng đa đường trong kênh truyền vô tuyến

Gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị sai lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler Điều này sẽ làm suy giảm tín hiệu nếu máy phát và máy thu di chuyển ngày càng xa nhau và ngược lại Như vậy hiệu ứng Doppler ảnh hưởng đến kênh truyền có thể tốt hoặc có thể xấu.

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)

Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) được phát minh từ những năm 1960, nhưng hệ thống không thể thực hiện vào thời điểm đó, do việc điều chế dữ liệu các sóng mang một cách chính xác, cũng như việc tách các sóng phụ quá phức tạp, các thiết bị bán dẫn phục vụ cho việc thực hiện hệ thống chưa phát triển

Hình 2.4: Lịch sử phát triển của OFDM [13]

Tuy nhiên sau 20 năm được phát minh, kỹ thuật OFDM đã có thể dễ dàng thực hiện với chi phí rẻ và được ứng dụng rộng rãi nhờ vào sự phát triển của phép biến đổi Fourier nhanh FFT và IFFT Cũng giống như kỹ thuật CDMA, kỹ thuật OFDM được ứng dụng đầu tiên trong lĩnh vực quân sự Đến những năm 1980, kỹ thuật OFDM được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong modem tốc độ cao và trong truyền thông di động Đến những năm 1990 kỹ thuật OFDM được ứng dụng trong truyền dẫn thông tin băng rộng như HDSL, ADSL, VHDSL sau đó nó được ứng dụng rộng rãi trong phát thanh số DAB và truyền hình số DVB Những năm gần đây kỹ thuật OFDM đã được sử dụng trong các chuẩn truyền dẫn mạng vô tuyến 802 của IEEE và tiếp tục nghiên cứu ứng dụng trong chuẩn di động 3.75G và 4G Do vậy, chương này giới thiệu từng đặc điểm của kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM

2.3.2 Nhiễu liên ký tự (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI) 2.3.2.1 Nhiễu liên ký tự (ISI)

Trong môi trường đa đường, ký tự phát đến đầu vào máy thu với các khoảng

Chương 2: Nội dung tổng quát của đề tài Trang 21 HVTH: Trần Ngọc Hoàng thời gian khác nhau thông qua nhiều đường khác nhau Sự mở rộng của chu kỳ ký tự gây ra sự chồng lấn giữa ký tự hiện thời với ký tự trước đó và kết quả là có nhiễu liên ký tự (ISI Inter-Symbol Interference) Trong OFDM, ISI thường đề cập đến nhiễu của một ký tự OFDM với ký tự trước đó

2.3.2.2 Nhiễu liên sóng mang (ICI)

Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhưng vẫn trực giao với sóng mang khác Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng zero Máy thu lấy mẫu các ký tự data trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác

Nhiễu gây ra bởi ký tự trên sóng mang kế cận được xem là nhiễu liên sóng mang (ICI Inter-Carrier Interference)

ICI xảy ra khi kênh đa đường thay đổi trên thời gian ký tự OFDM Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đường gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng ICI cũng xảy ra khi một ký tự OFDM bị nhiễu ISI Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM

2.3.3 Nguyên tắc cơ bản của OFDM

Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) trong hệ thống là kỹ thuật ghép kênh hiệu quả, đơn giản và có thể đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao của hệ thống mạng thông tin di động OFDM áp dụng các phương pháp điều chế đa sóng mang để chia dòng dữ liệu ban đầu tốc độ cao thành nhiều dòng dữ liệu tốc độ thấp hơn, mỗi dòng dữ liệu này sẽ được truyền trên một sóng mang con Các sóng mang con được điều chế trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu của các sóng mang con có thể chồng lấn lên nhau mà không xảy ra nhiễu hay tác động qua lại với nhau, và phía thu có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Các sóng mang con sau khi điều chế được tổng hợp với nhau và được chuyển lên tần số cao để truyền đi

Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) được chia thành

N chuỗi con song song (từ chuỗi dữ liệu 1 đến chuỗi dữ liệu N) có tốc độ thấp hơn (R/N) N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang phụ trực giao, sau đó các sóng mang này được cộng với nhau và được phát lên kênh truyền đồng thời Ở phía quá trình thu tin thì ngược lại

Bản chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và tránh được nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI

Tần số Ch.1 Ch.2 Ch.3 Ch.4 Ch.5 Ch.6 Ch.7 Ch.8 Ch.9 Ch.10

Tần số Tiết kiệm băng thông a) b)

Hình 2.5: Băng thông tín hiệu FDM với tín hiệu OFDM a Phổ tín hiệu FDM b Phổ tín hiệu OFDM

Các sóng mang con trong một nhóm được đồng bộ cả về thời gian và tần số, làm cho việc kiểm soát nhiễu giữa chúng được thực hiện rất chặt chẽ Các sóng mang con này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số mà không gây ra ICI, do đó tính trực giao giữa chúng cần được bảo đảm nghiêm ngặt Trước hết ta sẽ khảo sát đặc điểm trực giao của kỹ thuật OFDM và xem xét cách thức điều chế đa sóng mang trực giao trong phần kế tiếp

Tính trực giao là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này

Mất đi tính trực giao sẽ làm cho các tín hiệu thông tin này bị xuyên nhiễu lẫn nhau và đầu thu khó khôi phục lại được hoàn toàn thông tin ban đầu Trong OFDM, các sóng mang con được chồng lắp với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang kế cận bởi vì giữa các sóng mang con có tính trực giao

Xem các tín hiệu hàm mũ có thời gian giới hạn {e j2πf k t } k=0 N−1 tượng trưng cho các sóng mang con khác nhau tại tần số f k = k/T sym trong tín hiệu OFDM, với 0 ≤ t ≤ T sym

Những tín hiệu này được xem là trực giao nếu:

= {1, 0, mọi số nguyên k = i trường hợp khác

Lấy mẫu rời rạc với các trường hợp lấy mẫu tại t = nT s = nT sym /N , n 0,1,2, … , N − 1

Biểu thức (2.2) có thể viết lại dưới dạng rời rạc theo thời gian như sau:

= {1, 0, mọi số nguyên k = i trường hợp khác

Tính trực giao giúp cho tín hiệu OFDM không bị nhiễu liên sóng mang ICI

Hình 2.6: Phổ của tín hiệu OFDM miền tần số

Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàm sinc(x) do mỗi ký hiệu trong miền thời gian được giới hạn bằng một xung chữ nhật Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểm cách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của f S Vì vậy, vị trí đỉnh của sóng mang này sẽ là vị trí null của các sóng mang còn lại (hình 2.6) Và do đó các sóng mang không gây nhiễu cho nhau

2.3.3.2 Điều chế đa sóng mang chồng lấn các kênh con [14]

Có thể cải thiện hiệu quả phổ của điều chế đa sóng mang bằng cách lồng ghép các kênh con Các sóng mang con vẫn phải trực giao để có thể được tách ra bởi các bộ giải điều chế ở phía thu

Xem xét hệ thống đa sóng, mỗi kênh con được điều chế bằng cách sử dụng dạng xung raised cosin với hệ số rolloff β Băng thông của mỗi kênh con B N = (1 + β)/T N Tần số sóng mang con thứ i (f 0 + i / T N ), i = 0,1, , N - 1, vì vậy các sóng mang con được phân chia bằng 1/T N Tuy nhiên, băng thông của mỗi kênh con là B N =

Mô hình mạng chuyển tiếp

2.4.1 Sự cần thiết tính khả thi của mạng chuyển tiếp Để đáp ứng yêu cầu phổ và hiệu suất cao cho các hệ thống mạng di động ở các thế hệ sau này (từ 3G trở đi) thì mô hình mạng chuyển tiếp (relay network) ra đời hỗ trợ, cải tiến cơ sở hạ tầng mạng di động như [16,17] Với các thuận lợi về phạm vi hoạt động, chi phí xây dựng, khả năng truyền tải mà mạng chuyển tiếp đem lại; mô hình mạng này có thể sẽ phát triển và ứng dụng rộng rãi trong tương lai

Bởi vì ngay cả những thuận lợi khi ứng dụng các kỹ thuật mới đem lại cho mạng di động 4G, vẫn có sự giới hạn công suất phát ở các thiết bị di động đầu cuối, đặc biệt hầu hết các thiết bị nằm ở biên của các cell đều có chất lượng kênh truyền rất xấu Hơn nữa, trong kênh đường lên luôn luôn bị giới hạn về công suất phát của

Chương 2: Nội dung tổng quát của đề tài Trang 35 HVTH: Trần Ngọc Hoàng các thiết bị di động Vì vậy, giải pháp sử dụng các relay chuyển tiếp tín hiệu để mở rộng vùng phủ sóng và cải thiện dung lượng mạng vô tuyến là rất khả thi Đối với mạng di động băng rộng hiện nay đòi hỏi tốc độ truyền tải dữ liệu phải lên tới 100 Mbps – 1 Gbps, yêu cầu này cao hơn gấp 10 lần tốc độ mà hệ thống HSDPA hỗ trợ và nếu vậy thì có thể sẽ không khả thi đối với cấu trúc mạng di động với các cell thông thường Bởi vì vùng phủ sóng của các cell mạng thông thường luôn bị giới hạn và tốc độ truyền tải cũng như biên độ tín hiệu sẽ giảm dần theo khoảng cách, mặc khác muốn khắc phục cần phải tăng số lượng các trạm BS(Base Station), đi đôi với chi phí xây dựng và quản lý các cell cũng tăng theo

Nhưng với ý tưởng của mô hình mạng chuyển tiếp với sự triển khai các nút chuyển tiếp (relay), tái xử lý tín hiệu đến bằng các cơ chế chuyển tiếp sẽ được đề cập ở phần kế tiếp và chuyển tiếp tín hiệu đến đích Hơn thế, với cấu trúc nhiều nút chuyển tiếp (multi-relay) có thể chuyển tiếp tín hiệu tại nhiều nơi, từ đó mở rộng vùng phủ sóng giảm số lượng các “điểm chết” trong vùng phủ sóng của mạng di động

2.4.2 Cấu trúc và cơ chế hoạt động của mạng chuyển tiếp

Về cấu trúc, mô hình mạng chuyển tiếp trong truyền dẫn có 3 loại cơ bản:

- Mô hình truyền dẫn 3 điểm đầu cuối Đích - Nút chuyển tiếp - Thuê bao người dùng, (BS – Relay – User)

- Mô hình chuyển tiếp hai chặn với nhiều nút chuyển tiếp song song (two- hop multi-relay parallel)

- Mô hình chuyển tiếp nhiều chặn với nhiều relay nối tiếp (multi-hop with multi-relay serial)

Tổng quan về cơ chế hoạt động của mạng chuyển tiếp có thể hiểu rằng trong hệ thống thông tin truyền thông tổng quát, nhiều trạm chuyển tiếp (relay) sẽ tạo thành một mạng ảo, và mạng ảo này lại có thể liên kết với một mạng ảo khác cùng hoạt động như nhau trong một tổng thể

Relay Giao tiếp giữa các BS và các User

Giao tiếp giữa các BS và các Relay Giao tiếp giữa các Relay và các User Hợp tác giữa các BS với nhau Hợp tác giữa các Relay với nhau Hợp tác giữa các User với nhau Vùng BS không có Relay Vùng BS có Relay BS: trạm gốc

Hình 2.11: Mô hình mạng chuyển tiếp tổng quát (National High-Tech Research and

Trong mô hình trên, các thiết bị di động đầu cuối có thể truy cập mạng trực tiếp từ trạm BTS gốc, hoặc có thể thông qua các node relay gần nhất Mạng chuyển tiếp như một công nghệ hiệu quả nhằm cải thiện chất lượng vùng phủ sóng, giải pháp giảm chi phí nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất cao, băng thông truy cập rộng, băng tần hoạt động ở tần số cao

2.4.3 Cơ chế chuyển tiếp Giải mã – Chuyển tiếp (DF)

Trong mạng chuyển tiếp có một số cơ chế chuyển tiếp bên trong các nút chuyển tiếp như cơ chế khuếch đại-chuyển tiếp (Amplify-and-Forward – AF), giải mã-chuyển tiếp (Decode-and-Forward – DF), nén-chuyển tiếp (Compress-and- Forward – CF) Trong đó phổ biến nhất đó là AF và DF

Nghiên cứu này tập trung khai thác cơ chế chuyển tiếp DF minh họa ở hình 2.12 hoặc có thể xem thêm ở [18] bởi khả năng nâng cao dung lượng mạng rất lớn,

Chương 2: Nội dung tổng quát của đề tài Trang 37 HVTH: Trần Ngọc Hoàng cách thức hoạt động đó là giải mã tín hiệu nhận được ở phía phát, sau đó tái mã hóa, khuếch đại tín hiệu và tiếp tục truyền đến phía thu Tổng hợp lại có thể khai thác các ưu điểm của cơ chế chuyển tiếp này

- Không khuếch đại nhiễu của tín hiệu nhận từ phía phát, do đó cải thiện được dung lượng mạng nhiều hơn so với cơ chế AF

- Như đặc trưng của mạng chuyển tiếp, cơ chế DF vẫn đảm bảo khả năng mở rộng vùng phủ sóng Ngoài ra, cơ chế này có thể hỗ trợ beamforming, tối ưu các tín hiệu mong muốn

Hình 2.12: Cơ chế chuyển tiếp DF

2.4.4 Ưu điểm và nhược điểm mạng chuyển tiếp

- Sự cải thiện rõ ràng nhất của mạng chuyển tiếp đó là mở rộng vùng phủ sóng và cải thiện chất lượng tín hiệu một cách hiệu quả

- Việc triển khai các nút chuyển tiếp trong mạng hoàn toàn không cần dây kết nối, đơn giản và trên hết là không cần thay đổi cấu trúc backbone của mạng chính

- Chi phí xây dựng, lắp đặt và quản lý thấp hơn nhiều so với việc lắp đặt các trạm BS mới, mà vẫn đảm bảo các yêu cầu nhất định đặt ra Hơn nữa các nút chuyển tiếp với cấu trúc đơn giản, nhỏ gọn thích hợp cho việc mở rộng mạng ở các khu vực khó khăn

- Hỗ trợ chuyển tiếp tín hiệu bằng các cơ chế chuyển tiếp hiệu quả, tùy vào từng điều kiện và yêu cầu cụ thể mà có thể linh hoạt lựa chọn cơ chế chuyển tiếp cho phù hợp như AF, DF hay các cơ chế khác

- Tuy đem lại nhiều ưu điểm nhưng việc triển khai mạng chuyển tiếp như vậy sẽ tăng độ trễ và sự phức tạp trong cấu trúc mạng thông tin di động

CHỌN CẶP SÓNG MANG CON VÀ PHÂN BỔ CÔNG SUẤT

Mô hình mạng chuyển tiếp được thực hiện trong đề tài

Trong chương 2, đề tài đã giới thiệu các cấu trúc cơ bản của mạng chuyển tiếp sử dụng các nút chuyển tiếp, việc sử dụng các chuyển tiếp để chuyển tiếp tín hiệu với mục đích nhằm nâng cao chất lượng hệ thống mạng thông tin di động Như vậy, để đánh giá hiệu quả chất lượng của mạng chuyển tiếp đề tài thực hiện mô phỏng và so sánh giá trị dung lượng (Capacity) trong trường hợp có sử dụng chuyển tiếp và không sử dụng chuyển tiếp Ngoài ra đề tài cũng thực hiện mô phỏng việc bắt cặp sóng mang con và phân bổ công suất phát trong mô hình mạng chuyển tiếp tổng quát 3 điểm Nguồn – chuyển tiếp – đích (Single-Source, Single-Relay, Single-Dest) thông qua thông số dung lượng và so sánh với trường hợp không sử dụng chuyển tiếp Mô hình mạng chuyển tiếp tổng quát 3 điểm Nguồn – chuyển tiếp – đích tương đương với mô hình chuyển tiếp 3 điểm đầu cuối đã được trình bày trong chương 2

Hình 3.1: Mô hình chuyển tiếp tổng quát 3 điểm nguồn – chuyển tiếp – đích

Chương 3: Chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất … Trang 40 HVTH: Trần Ngọc Hoàng

Từ mô hình tổng quát 3 điểm nguồn – chuyển tiếp – đích đề tài khảo sát mô hình cụ thể cho hệ thống nguồn – chuyển tiếp – đích [25] bao gồm một nguồn (trạm gốc), một nút chuyển tiếp và một đích (thuê bao), được thể hiện ở hình 3.2

Hình 3.2: Mô hình chuyển tiếp cụ thể 3 điểm nguồn – chuyển tiếp – đích [25]

Với mô hình trong hình 3.2, ta xem xét trường hợp nguồn truyền tín hiệu đến chuyển tiếp và đến đích trên tất cả các sóng mang con trong pha thứ nhất với công suất 𝐩 S (1) Chuyển tiếp sẽ thực hiện nhiệm vụ đó là chuyển tiếp tín hiệu theo cơ chế giải mã-chuyển tiếp của nguồn gởi đến và tiếp tục chuyển tín hiệu đến đích trong pha thứ hai Trong pha thứ hai, trên các sóng mang con M được chọn để chuyển tiếp , thiết bị chuyển tiếp giải mã tín hiệu nhận được từ nguồn, sau đó tái mã hóa, khuếch đại tín hiệu và truyền đến đích với công suất 𝐩 R Trên sóng mang con (N-M) còn lại nguồn phát dữ liệu mới với công suất 𝐩 S (2)

Phần việc tiếp theo đó là chọn lựa sóng mang con, kết đôi tại chuyển tiếp và đường trực tiếp, từ đó đề xuất kỹ thuật cho việc lựa chọn cặp sóng mang con và kết

Chương 3: Chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất … Trang 41 HVTH: Trần Ngọc Hoàng đôi hiệu quả Phần việc cuối cùng đó là phân bổ công suất phát tại nguồn và chuyển tiếp với điều kiện ràng buộc về tổng công suất phát Từ đó, ta sẽ trình bày giải thuật tối ưu để thực hiện việc phân bổ công suất đạt hiệu quả nhằm tối đa hóa dung lượng hệ thống

Trong mô hình trên, ta định nghĩa ℎ 𝑠𝑑 , ℎ 𝑠𝑟 , ℎ 𝑟𝑑 là những độ lợi kênh; 𝜎 𝑟 2 và 𝜎 𝑑 2 là noise variances tại chuyển tiếp và đích

- Độ lợi công suất kênh từ nguồn tới đích 𝑐 𝑖 = |ℎ 𝑠𝑑,𝑖 | 2 /𝜎 𝑑 2 trong pha 1

- Độ lợi công suất kênh từ nguồn tới chuyển tiếp 𝑎 𝑖 = |ℎ 𝑠𝑟,𝑖 | 2 /𝜎 𝑟 2 trong pha 1

- Độ lợi công suất kênh từ chuyển tiếp đến đích 𝑏 𝑗 = |ℎ 𝑟𝑑,𝑗 | 2 /𝜎 𝑑 2 trong pha 2

- Độ lợi công suất kênh từ nguồn tới đích 𝑐 𝑗 = |ℎ 𝑠𝑑,𝑗 | 2 /𝜎 𝑑 2 trong pha 2

Mục đích của việc chọn lựa sóng mang con và phân bổ công suất nhằm tối đa dung lượng hệ thống Do vậy, ta sẽ tiếp tục khảo sát bài toán tối ưu hóa kết hợp của việc lựa chọn sóng mang con và kết đôi, phân bổ công suất tới nguồn trong pha thứ nhất, phân bổ công suất tới thiết bị chuyển tiếp và nguồn trong pha thứ hai [25]:

- 𝐩 S (1) là công suất phát từ nguồn trong pha thứ nhất

- 𝐩 S (2) là công suất phát từ nguồn trong pha thứ hai

- 𝐩 R là công suất phát từ chuyển tiếp trong pha thứ hai

- 𝐓 𝑅 là ma trận các cặp đôi chuyển tiếp có kích thước [𝑁 𝐹𝐹𝑇 × 𝑁 𝐹𝐹𝑇 ]

- 𝐓 𝑁𝑅 là ma trận các cặp đôi không chuyển tiếp có kích thước [𝑁 𝐹𝐹𝑇 × 𝑁 𝐹𝐹𝑇 ]

- 𝐶 𝑅 (𝑖, 𝑗) là dung lượng cặp đôi chuyển tiếp theo cơ chế chuyển tiếp DF [19]

- 𝐶 𝑁𝑅 (𝑖, 𝑗) là dung lượng cặp đôi không chuyển tiếp

- 𝑡 𝑖,𝑗 𝑅 là thành phần trong ma trận cặp đôi chuyển tiếp 𝐓 𝑅

- 𝑡 𝑖,𝑗 𝑁𝑅 là thành phần trong ma trận cặp đôi không chuyển tiếp 𝐓 𝑁𝑅

Ngoài ra để đánh giá mô hình chuyển tiếp đề tài cũng khảo sát mô hình truyền thống khi không sử dụng chuyển tiếp và sẽ thực hiện so sánh hiệu quả của mô hình chuyển tiếp so với mô hình không sử dụng chuyển tiếp Phần kết quả đánh giá mô hình chuyển tiếp được phân tích, đánh giá trong chương 4.1

Hình 3.3: Mô hình không sử dụng chuyển tiếp

Kỹ thuật lựa chọn cặp sóng mang con và kết đôi

Kỹ thuật lựa chọn cặp sóng mang con được đề xuất dựa trên yêu cầu độ lợi sóng mang con [4] độ lợi nguồn - chuyển tiếp tốt nhất sẽ được kết đôi với chuyển tiếp - đích tốt nhất Như vậy, một thuật toán dễ hiểu cho hệ thống chuyển tiếp DF mà trong đó một cặp cụ thể được sử dụng để chuyển tiếp nếu 𝑎 𝑖 > 𝑐 𝑖 và 𝑏 𝑗 > 𝑐 𝑖 khi đó 𝑡 𝑖,𝑗 𝑅 = 1 Nếu không, kết nối trực tiếp khi 𝑎 𝑖 ≤ 𝑐 𝑖 hay 𝑏 𝑗 ≤ 𝑐 𝑖 sẽ thực hiện bởi cho một dung lượng tốt hơn tức 𝑡 𝑖,𝑗 𝑁𝑅 = 1, những trường hợp còn lại 𝑡 𝑖,𝑗 𝑅 = 𝑡 𝑖,𝑗 𝑁𝑅 = 0

Chọn lựa cặp sóng mang con và kết đôi tương ứng với việc xác định hai ma trận 𝐓 𝑅 , 𝐓 𝑁𝑅 tối ưu Khi N FFT lớn sẽ gặp khó khăn trong vấn đề lập trình số nguyên

Trong nghiên cứu này sẽ trình bày kỹ thuật Hungarian để giải quyết khó khăn về lập trình số nguyên

Kỹ thuật Hungarian tham khảo [20,23] dựa trên tính chất rút giảm ma trận, được áp dụng cho ma trận kích thước n x n để tìm bài toán tối ưu Các bước thực hiện

- Bước 1: Trừ tất cả các giá trị có trong hàng cho giá trị nhỏ nhất trong hàng

- Bước 2: Trừ tất cả các giá trị có trong cột cho giá trị nhỏ nhất trong cột

- Bước 3: Kẻ các đường thẳng đi qua hàng hoặc cột để tất cả các giá trị 0 trong ma trận đều bị gạch và số đường thẳng kẻ được là nhỏ nhất

- Bước 4: Kiểm tra tính tối ưu

(i) Nếu số đường thẳng kẻ được ít nhất bằng số hàng (số cột) thì bài toán đã có lời giải tối ưu

(ii) Nếu số đường thẳng kẻ được nhỏ hơn số hàng (số cột) thì cần làm tiếp bước 5

- Bước 5: Tìm giá trị nhỏ nhất mà chưa có đường thẳng nào đi qua Trừ mỗi giá trị của hàng chưa được gạch cho giá trị nhỏ nhất ấy và cộng giá trị nhỏ nhất ấy với mỗi giá trị của cột đã gạch, trở về bước 3

3.2.2 Lưu đồ ứng dụng kỹ thuật Hungarian

Ngõ vào của lưu đồ giải thuật là ma trận D được xác định từ dung lượng của các cặp đôi chuyển tiếp 𝐶 𝑅 (𝑖, 𝑗) và các cặp đôi không qua chuyển tiếp 𝐶 𝑁𝑅 (𝑖, 𝑗)

𝐶 𝑁𝑅 (𝑖, 𝑗) , 𝑘ℎ𝑖 𝐶 𝑅 (𝑖, 𝑗) ≤ 𝐶 𝑁𝑅 (𝑖, 𝑗) (3.4) Áp dụng kỹ thuật Hungarian cho ma trận D ta sẽ xác định được ma trận ánh xạ T, ma trận T là ma trận mang giá trị 0 và 1 Khi được bắt cặp sẽ có giá trị là 1, khi không bắt cặp sẽ có giá trị là 0

Ngõ ra là ma trận 𝐓 = 𝐓 𝑅 + 𝐓 𝑁𝑅 Từ ma trận T, ta sẽ xác định ma trận 𝐓 𝑅 và 𝐓 𝑁𝑅 thông qua ma trận F(Flag) , ma trận F cũng được xác định từ dung lượng của các cặp đôi chuyển tiếp 𝐶 𝑅 (𝑖, 𝑗) và các cặp đôi không chuyển tiếp 𝐶 𝑁𝑅 (𝑖, 𝑗)

Như đã phân tích ở trên, chuyển tiếp nếu 𝑎 𝑖 > 𝑐 𝑖 và 𝑏 𝑗 > 𝑐 𝑖 khi đó 𝑡 𝑖,𝑗 𝑅 = 1

Nếu không, kết nối trực tiếp khi 𝑎 𝑖 ≤ 𝑐 𝑖 hay 𝑏 𝑗 ≤ 𝑐 𝑖 sẽ thực hiện bởi nó cho một dung lượng tốt hơn tức 𝑡 𝑖,𝑗 𝑁𝑅 = 1, những trường hợp còn lại 𝑡 𝑖,𝑗 𝑅 = 𝑡 𝑖,𝑗 𝑁𝑅 = 0 Những điều kiện này kết hợp với biểu thức về ma trận F (3.5) ta xác định được các thành phần 𝑡 𝑖,𝑗 𝑅 của ma trận 𝐓 𝑅 và các thành phần 𝑡 𝑖,𝑗 𝑁𝑅 của ma trận 𝐓 𝑁𝑅

- 𝑡 𝑖,𝑗 𝑅 = 𝑡 𝑖,𝑗 𝑁𝑅 = 0 ở các giá trị còn lại

Lưu đồ ứng dụng kỹ thuật Hungarian để tìm ma trận T từ ma trận D được thể hiện ở hình 3.4

Bắt đầu Đưa vào ma trận D

Bước 1: Trừ tất cả các giá trị có trong hàng cho giá trị nhỏ nhất trong hàng

Bước 2: Trừ tất cả các giá trị có trong cột cho giá trị nhỏ nhất trong cột

Bước 3: Kẻ các đường thẳng đi qua hàng hoặc cột để tất cả các giá trị 0 trong ma trận đều bị gạch và số đường thẳng kẻ được là nhỏ nhất

Bước 5: Tìm giá trị nhỏ nhất mà chưa có đường thẳng nào đi qua Trừ mỗi giá trị của hàng chưa được gạch cho giá trị nhỏ nhất ấy và cộng giá trị nhỏ nhất ấy với mỗi giá trị của cột đã gạch

Kiểm tra tính tối ưu:

Số đường thẳng kẻ được ít nhất < số hàng (số cột)

Xuất kết quả T= T R + T NR Xuất vị trí tương ứng với cặp sóng mang con tối ưu được chọn trong ma trận T và giá trị tối ưu

Hình 3.4: Lưu đồ ứng dụng kỹ thuật Hungarian

Bằng việc xác định ma trận T R , T NR tối ưu ta sẽ thấy được hiệu quả của việc lựa chọn cặp sóng mang con, phần kết quả đánh giá việc lựa chọn cặp sóng mang con được đề cập trong phần 4.2

Sau khi lựa chọn và kết đôi sóng mang con, ta sẽ xem xét đến việc phân bổ công suất phát cho nguồn và phân bổ công suất phát cho nút chuyển tiếp.

Phân bổ công suất phát

Mục đích của các giải thuật phân bổ công suất phát đó là tối thiểu tổng công suất phát mà vẫn đảm bảo chất lượng nhất định và khả thi ở ngõ ra Đồng thời cải thiện mạng thông tin, tối đa thông lượng, dung lượng kênh truyền bằng cách sử dụng các giải thuật phân bổ công suất hiệu quả như giải thuật đổ đầy nước (water-filling)

Giải thuật water-filling tham khảo ở [22], xem xét hệ thống OFDM có N used (N FFT ) sử dụng, khoảng cách giữa các sóng mang con là ∆𝑓 Dung lượng của 1 kênh con tương ứng với sóng mang con thứ k được tính theo công thức Hartley-Shannon:

- |𝐻[𝑘]| là đáp ứng tần số của kênh con thứ k

- 𝑃[𝑘] là công suất truyền của kênh con thứ k

- 𝑁 0 là phương sai nhiễu của kênh con thứ k

Tổng dung lượng kênh truyền là tổng dung lượng của các sóng mang con

Với SNR cho mỗi sóng mang con, chúng ta có thể phân bố công suất khác nhau tới các sóng mang con khác nhau để tối đa hóa tổng dung lượng của hệ thống

Biểu thức trên tương đương:

Với P là công suất phát trung bình của sóng mang con

Sử dụng phương pháp Lagrange để giải bài toán tối ưu ở biểu thức (3.7) ta được

Thông số 𝜆 là hệ số nhân Lagrange được chọn từ điều kiện kiện

∑ 𝑁 𝑘=0 𝑢𝑠𝑒𝑑−1 𝑃[𝑘] = 𝑁 𝑢𝑠𝑒𝑑 𝑃 Biểu thức (3.8) cho thấy rằng tổng công suất và NSR (noise to signal ratio) cho mỗi sóng mang con chắc chắn phải như nhau cho tất cả các sóng mang con (vì 𝑃 ∗ [𝑘] + 𝑁 0 /|𝐻[𝑘]| 2 = 1/𝜆 = constant), ngoại trừ sóng mang con có công suất bằng không (vì 1/𝜆 - 𝑁 0 /|𝐻[𝑘]| 2 < 0) Theo giải thuật này, một sóng mang con với tỷ lệ SNR lớn hơn sẽ được phân bố công suất nhiều hơn

Hình 3.5: Phân bổ công suất với giải thuật water-filling

3.3.2 Phương pháp giải các hàm tối ưu có các điều kiện ràng buộc là các phương trình hoặc các bất phương trình

Trong phần này ta sẽ giới thiệu phương pháp giải các hàm tối ưu có các điều kiện ràng buộc là các phương trình hoặc các bất phương trình bằng phương pháp Lagrange kết hơp với các điều kiện KKT

Việc tối ưu theo phương pháp Lagrange và KKT có thể xem xét cho nhiều trường hợp như sau:

- Bài toán tối ưu khi không có điều kiện ràng buộc (Unconstrained Optimization)

- Bài toán tối ưu khi chỉ có điều kiện ràng buộc là phương trình (Equality Constraints Optimization)

- Bài toán tối ưu khi chỉ có điều kiện ràng buộc là bất phương trình (Inequality Constraints Optimization)

- Bài toán tối ưu tổng quát khi điều kiện ràng buộc là các phương trình và các bất phương trình (Equality and Inequality Optimization)

Hơn nữa, trong các giải thuật được giới thiệu trong luận văn này đều là trường hợp tổng quát nhất đó là bài toán tối ưu tổng quát khi điều kiện ràng buộc là các phương trình và các bất phương trình Như vậy, ta giả sử:

Trong đó X là nghiệm tối ưu, có thể là một số, một vector hay là một ma trận gồm nhiều nghiệm tối ưu Từ đó, ta có thể định nghĩa một hàm Lagrange như sau:

ℒ(𝑋, 𝜇, 𝜆) = 𝑓(𝑋) + 𝜇 𝑇 ℎ(𝑋) + 𝜆 𝑇 𝑔(𝑋) Áp dụng các điều kiện KKT cho các hàm ràng buộc h(X) và g(X), nếu ta có các 𝑋 ∗ , 𝜇 ∗ , 𝜆 ∗ là nghiệm tối ưu của bài toán thì 𝑋 ∗ , 𝜇 ∗ , 𝜆 ∗ phải thõa các điều kiện theo KKT như sau:

- ∇ 𝑥𝑥 ℒ(𝑋 ∗ , 𝜆 ∗ ) phải thõa tính chất bán xác định dương Nghĩa là ∀y trực giao với ∇ 𝑥 𝑔(𝑋 ∗ ) ta luôn có tính chất 𝑦 𝑇 ∇ 𝑥𝑥 ℒ(𝑋 ∗ )𝑦 ≥ 0

Như vậy, từ các cơ sở nền tảng đã có ta có thể khai thác để áp dụng giải các bài toán tối ưu trong các bài toán phân bổ công suất ở phần sau của luận văn

3.3.3 Bài toán tối ưu công suất phát tổng quát

Như trình bày ở phần 3.1, ta tiếp tục trình khảo sát bài toán tối ưu hóa kết hợp việc lựa chọn sóng mang con và kết đôi, phân bổ công suất tới nguồn trong pha thứ nhất, phân bổ công suất tới thiết bị chuyển tiếp và nguồn trong pha thứ hai

1 T 𝐩 S (1) = P S , 1 T 𝐩 S (2) = P S , 1 T 𝐩 R = P R Ở phần 3.2, sau khi lựa chọn cặp sóng mang con ta có được hai tập sóng mang con với yêu cầu công suất phát khác nhau:

Trong đó 𝑆 𝑅 là bộ chứa cặp sóng mang con sẽ được dùng để chuyển tiếp và 𝑆 𝑁𝑅 là bộ chứa cặp sóng mang con mà sự truyền trực tiếp được thực hiện Từ đó, ta sẽ thiết lập được bài toán tối ưu công suất phát thỏa các yêu cầu mà hệ thống đặt ra như sau:

Nghiên cứu này trình bày cơ chế phân bổ công suất được ứng dụng từ giải thuật water-filling cho hai bài toán phân bổ công suất tối ưu được phân tách từ bài toán tối ưu tổng quát phía trên (3.11)

 Bài toán Water-filling kết hợp (Cooperative water-filling)

 Bài toán Water-filling cổ điển (Classical water-filling)

Chương 3: Chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất … Trang 52 HVTH: Trần Ngọc Hoàng Để phân bổ công suất cho nguồn và chuyển tiếp (tìm 𝐩 S (1) , 𝐩 S (2) , 𝐩 R ) ta sẽ lần lượt giải bài toán water-filling cổ điển và water-filling kết hợp

3.3.3.1 Giải bài toán water-filling cổ điển (phân bổ công suất nguồn trong khe thời gian thứ hai)

1 T 𝐩 S (2) = P S Dùng Lagrange và điều kiện KKT (Karush-Kuhn-Tucker):

Ta đặt 𝑣 𝑆 (2) = 𝜇 Trong đó hằng số 𝑣 𝑆 (2) được chọn để mà giới hạn 1 T 𝐩 S (2) = P S được đáp ứng Do vậy, kết quả (3.14) tương đương:

3.3.3.2 Giải bài toán water-filling kết hợp (phân bổ công suất nguồn trong khe thời gian thứ nhất và phân bổ công suất chuyển tiếp trong khe thời gian thứ hai)

Nếu 𝑎 𝑖 𝑝 𝑆,𝑖 (1) ≤ 𝑐 𝑖 𝑝 𝑆,𝑖 (1) + 𝑏 𝑗 𝑝 𝑅,𝑗 biểu thức (3.12) được viết lại như sau:

1 T 𝐩 S (1) = P S , 1 T 𝐩 R = P R Ta phân tích trường hợp 1 thành hai bài toán theo 𝑆 𝑅 và bài toán theo 𝑆 𝑁𝑅

 Bài toán 1.1 (bài toán theo 𝑆 𝑅 )

Dùng Lagrange và điều kiện KKT (Karush-Kuhn-Tucker):

Mặt khác mô hình mạng chuyển tiếp đề tài sử dụng cơ chế chuyển tiếp DF, do đó kết quả trong trường hợp 1 cần thỏa mãn thêm điều kiện 𝑎 𝑖 𝑝 𝑆,𝑖 (1) ≤ 𝑐 𝑖 𝑝 𝑆,𝑖 (1) + 𝑏 𝑗 𝑝 𝑅,𝑗

 Bài toán 1.2 (bài toán theo 𝑆 𝑁𝑅 )

1 T 𝐩 S (1) = P S Dùng Lagrange và điều kiện KKT (Karush-Kuhn-Tucker):

Nếu 𝑎 𝑖 𝑝 𝑆,𝑖 (1) ≥ 𝑐 𝑖 𝑝 𝑆,𝑖 (1) + 𝑏 𝑗 𝑝 𝑅,𝑗 biểu thức (3.12) được viết lại như sau

 Bài toán 2.1 (bài toán theo 𝑆 𝑅 )

1 T 𝐩 S (1) = P S , 1 T 𝐩 R = P R Dùng Lagrange và điều kiện KKT (Karush-Kuhn-Tucker):

Ta đặt 𝑣 𝑅 = 𝜇 2 Trong đó hằng số 𝑣 𝑅 được chọn để mà giới hạn 1 T 𝐩 R = P R được đáp ứng Do vậy, kết quả (3.18) tương đương:

Tương tự đối với cơ chế DF ở nút chuyển tiếp trong trường hợp 2 cần thỏa điều kiện đó là khi 𝑎 𝑖 𝑝 𝑆,𝑖 (1) ≥ 𝑐 𝑖 𝑝 𝑆,𝑖 (1) + 𝑏 𝑗 𝑝 𝑅,𝑗

 Bài toán 2.2 (bài toán theo 𝑆 𝑁𝑅 )

𝑠𝑢𝑏𝑗𝑒𝑐𝑡 𝑡𝑜 𝐩 S (1) ≽ 0 1 T 𝐩 S (1) = P S Dùng Lagrange và điều kiện KKT (Karush-Kuhn-Tucker):

Bây giờ ta tổng hợp trường hợp 1 và trường hợp 2 cho bài toán water-filling kết hợp tức là tổng hợp các biểu thức (3.15), (3.16), (3.17), (3.18), (3.19), (3.20)

Cuối cùng ta tổng hợp được biểu thức tính công suất chuyển tiếp trong pha thứ 2 và biểu thức tính công suất nguồn trong pha thứ 1

(3.22) Để tìm 𝑝 𝑅,𝑗 và 𝑝 𝑆,𝑖 (1) cụ thể ta sẽ lặp hai biểu thức 𝑝 𝑅,𝑗 và 𝑝 𝑆,𝑖 (1) đến khi nào đạt thỏa sự hội tụ cho trước

Giải thuật lặp tìm 𝑝 𝑅,𝑗 và 𝑝 𝑆,𝑖 (1)

Ngõ ra 𝑝 𝑅,𝑗 , 𝑝 𝑆,𝑖 (1) Khởi tạo k=1, lần lặp đầu tiên

Chương 3: Chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất … Trang 60 HVTH: Trần Ngọc Hoàng với i, j =1,… ,N Bước 2: thế [𝑝 𝑅,𝑗 ] 1 vào biểu thức tính 𝑝 𝑆,𝑖 (1) (3.22) ta được [𝑝 𝑆,𝑖 (1) ] 1

- Khi 𝜀 ≤ 10 −9 thì thực hiện bước 4

- Khi 𝜀 > 10 −9 thì quay lại bước 1

Bước 4: kết thúc vòng lặp Xuất ra nghiệm tối ưu 𝑝 𝑅,𝑗 , 𝑝 𝑆,𝑖 (1)

Khởi tạo k=1 Đúng Bước 1: Tính

Bước 4: Kết thúc vòng lặp Bước 3: Xét tham số ɛ

Hình 3.6: Lưu đồ giải thuật tìm nghiệm tối ưu 𝑝 𝑅,𝑗 , 𝑝 𝑆,𝑖 (1)

Bằng việc xác định 𝑝 𝑅,𝑗 , 𝑝 𝑆,𝑖 (1) , 𝑝 𝑆,𝑗 (2) tối ưu ta sẽ thấy được hiệu quả của việc phân bổ công cho nguồn trong pha thứ nhất , phân bổ công suất chuyển tiếp và nguồn trong pha thứ 2 Phần kết quả đánh giá việc phân bổ công suất tối ưu này được đề cập rõ ràng hơn trong phần 4.3

Mở rộng mô hình hệ thống với nhiều chuyển tiếp mắc song song

3.4.1 Mô hình hệ thống với nhiều chuyển tiếp mắc song song

Trong các phần trên, đề tài đã trình bày các bài toán phân bổ công suất cho chuyển tiếp và khảo sát các phương pháp hay giải thuật để giải các bài toán với nghiệm tối ưu Tất cả những công việc đó đều thực hiện trong mô hình chỉ một chuyển tiếp cố định

Hình 3.7: Mô hình tổng quát cho nhiều chuyển tiếp mắc song [31, 32]

Thực tế, ta cần phải quan tâm đến mô hình có thể sẽ có nhiều hơn một chuyển tiếp cùng nằm trong một khu vực nhất định cùng hỗ trợ chuyển tiếp tín hiệu; hơn nữa, điều này còn thể hiện tính phức tạp trong hệ thống mạng thông tin di động bởi không thể tránh khỏi trong thực tế Do đó, một mô hình khác cũng là phát triển từ mô hình một nguồn – một chuyển tiếp – một đích trong đó việc chuyển tiếp tín hiệu sẽ bao gồm nhiều chuyển tiếp [31, 32], cụ thể như ta sẽ có M chuyển tiếp trong hệ thống được minh họa như hình 3.7

Mô hình cụ thể cho nhiều chuyển tiếp mắc song song được thể hiện ở hình 3.8

Trong đó, hệ thống bao gồm một nguồn phát, nhiều hơn một nút chuyển tiếp đều có cùng chức năng là chuyển tiếp tín hiệu đến một đích đến cụ thể

Hình 3.8: Mô hình cụ thể cho nhiều chuyển tiếp mắc song

Hệ thống vẫn xem xét trong 2 pha, do đó nghiên cứu sẽ không đề cập đến các tín hiệu giữa các nút chuyển tiếp.Trong mô hình ta cũng định nghĩa các thông số:

- 𝐩 S (1) công suất phát từ nguồn trong pha thứ nhất

- 𝐩 S (2) công suất phát từ nguồn trong pha thứ hai

- 𝐩 R,k công suất phát từ chuyển tiếp thứ k trong pha thứ hai

- 𝑎 𝑘,𝑖 độ lợi công suất kênh từ nguồn tới chuyển tiếp thứ k trong pha thứ 1

- 𝑏 𝑘,𝑗 độ lợi công suất kênh từ chuyển tiếp thứ k đến đích trong pha thứ 2

- 𝑐 𝑖 độ lợi công suất kênh từ nguồn tới đích trong pha thứ 1

- 𝑐 𝑗 độ lợi công suất kênh từ nguồn tới đích trong pha thứ 2

3.4.2 Cơ chế lựa chọn chuyển tiếp tối ưu

Trong mô hình nhiều chuyển tiếp mắc song song, khi để tất cả các chuyển tiếp chuyển tiếp tín hiệu đến đích thì hao tốn nhiều năng lượng, công suất phát cho tất cả các chuyển tiếp Từ đó, đề tài đề xuất cơ chế lựa chọn một chuyển tiếp tối ưu để chuyển tiếp tín hiệu đến đích

Thuật toán lựa chọn cho mô hình nhiều chuyển tiếp mắc song song:

- Bước 1: Thực hiện kỹ thuật lựa chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất phát cho nguồn trong pha thứ 1, phân bổ công suất phát cho từng nút chuyển tiếp trong pha thứ 2 và phân bổ công suất phát cho nguồn trong pha thứ 2

- Bước 2: Lựa chọn 𝑚 𝑜𝑝𝑡 = 𝑎𝑟𝑔𝑚𝑎𝑥 𝑚 {𝐶 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (𝑚)} trong số M giá trị 𝐶 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 cực đại tìm được

Tổng kết, với cơ chế lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu trong mô hình nhiều nút chuyển tiếp mắc song song, ta vừa tiết kiệm vấn đề về mặt năng lượng bởi mô hình cũng vẫn sử dụng một nút chuyển tiếp để chuyển tiếp tín hiệu, đồng thời có thể tăng dung lượng của hệ thống với sự lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu nhất trong M nút chuyển tiếp tồn tại trong mô hình đã đề cập Điều này dược đánh giá qua các kết quả mô phỏng trong chương kế tiếp.

Chương 4: Kết quả mô phỏng Trang 65 HVTH: Trần Ngọc Hoàng

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Kết quả mô phỏng đánh giá số lượng sóng mang con được chuyển tiếp qua nút chuyển tiếp và hiệu quả của mô hình sử dụng chuyển tiếp so với mô hình không sử dụng nút chuyển tiếp

4.1.1 Đánh giá số lượng sóng mang con được chuyển tiếp qua nút chuyển tiếp

Trường hợp 1: ta cho tỷ số P R /P S thay đổi, xét 3 trường hợp, vị trí của chuyển tiếp so với vị trí của nguồn 𝑑 𝑠𝑟 là 300m, 500m và 700m Như đã trình bày ở chương 3, sóng mang con được chuyển tiếp qua nút chuyển tiếp khi 𝑎 𝑖 > 𝑐 𝑖 và 𝑏 𝑗 > 𝑐 𝑖 Kết quả mô phỏng được chỉ ra ở hình 4.1

Hình 4.1: Tỷ lệ phần trăm sóng mang con được chuyển tiếp qua nút chuyển tiếp khi tỷ số P R /P S thay đổi

Từ kết quả mô phỏng ta nhận thấy, khi chuyển tiếp nằm ở chính giữa nguồn và đích thì số lượng sóng mang con được chuyển tiếp là nhiều nhất với 97% tổng số

Chương 4: Kết quả mô phỏng Trang 67 HVTH: Trần Ngọc Hoàng sóng mang con trong hệ thống và khi giá trị công suất chuyển tiếp càng gần với giá trị công suất của nguồn thì số lượng sóng mang được chuyển tiếp là nhiều nhất Ví dụ cụ thể từ kết quả hình 4.1, khi công suất chuyển tiếp trên 90% PS thì số lượng sóng mang con được chuyển tiếp đều trên 85% tổng số sóng mang con

Khi chuyển tiếp ở giữa thì số lượng sóng mang con chuyển tiếp nhiều nhất là do tại khoảng cách 0.5𝑑 0 thì độ lợi từ nguồn đến chuyển tiếp và từ chuyển tiếp đến đích là tốt nhất

Trong hình 4.1, phần trăm sóng mang con chuyển tiếp ở 0.5𝑑 0 và 0.7𝑑 0 cắt nhau ở tỷ lệ P R /P S khoảng 0.15 là do tại tỷ lệ đó thì phần trăm sóng mang chuyển tiếp ở 0.5𝑑 0 bắt đầu gia tăng trong khi ở 0.7𝑑 0 dần trở nên ổn định nên chúng cắt nhau

Việc đánh giá số lượng sóng mang con chuyển tiếp theo các khoảng cách vị trí chuyển tiếp khác nhau là do khoảng cách truyền sẽ ảnh hưởng đến suy hao đường truyền, do đó dung lượng kênh sẽ phụ thuộc vào khoảng cách Và việc lựa chọn sóng mang con sẽ quyết định dung lượng hệ thống, vì vậy mà sóng mang con sẽ phụ thuộc vào khoảng cách

Trường hợp 2: ta cho 𝑑 𝑠𝑟 thay đổi, xét các trường hợp P R /P S = [ 0.01 0.05 0.1 0.5 1] Tỷ lệ phần trăm sóng mang con được chuyển tiếp được thể hiện ở hình 4.2

Hình 4.2: Tỷ lệ phần trăm sóng mang con được chuyển tiếp qua nút chuyển tiếp khi

Trong tìm hiểu trước đó chỉ đánh giá số lượng sóng mang con chuyển tiếp P R /P S thay đổi như trường hợp 1, không đánh giá số lượng sóng mang con chuyển

Chương 4: Kết quả mô phỏng Trang 68 HVTH: Trần Ngọc Hoàng tiếp khi khoảng cách giữa chuyển tiếp và nguồn 𝑑 𝑠𝑟 thay đổi Do vậy, trong luận văn này ta sẽ thực hiện mô phỏng đánh giá số lượng sóng mang con chuyển tiếp khi khoảng cách giữa chuyển tiếp và nguồn 𝑑 𝑠𝑟 thay đổi

Tương tự như kết quả mô phỏng 4.1, khi giá trị công suất chuyển tiếp càng lớn thì số lượng sóng mang được chuyển tiếp cũng càng nhiều; cụ thể như ở trường hợp 𝑑 𝑠𝑟 bằng 500m, thì số lượng sóng mang con được chuyển tiếp tăng từ 40% (khi PR bằng 1% PS) đến 97% (khi PR bằng PS) Kết quả hình 4.2 còn chỉ ra rằng khi chuyển tiếp nằm ở chính giữa nguồn và đích thì số lượng sóng mang con được chuyển tiếp là nhiều nhất

Một điểm quan sát được từ hình 4.2, ta thấy rằng khi nút chuyển nằm càng gần đích đến thì mức độ chuyển tiếp là như nhau và đạt đến mức cố định khoảng 65% chuyển tiếp bất chấp công suất phát ở nút chuyển tiếp thay đổi

4.1.2 Đánh giá hiệu quả của mô hình sử dụng chuyển tiếp so với mô hình không sử dụng nút chuyển tiếp thông qua thông số dung lượng

Trong tìm hiểu trước đó không đánh giá hiệu quả mô hình mạng chuyển tiếp so với mô hình không sử dụng chuyển tiếp, trong phần này ta sẽ mô phỏng đánh giá để cho thấy được hiệu quả của mô hình khi có sử dụng chuyển tiếp

Trường hợp 1: ta cho tỷ số P R /P S thay đổi, ta sẽ đánh giá trị dung lượng trong 2 trường hơp, vị trí của chuyển tiếp so với vị trí của nguồn 𝑑 𝑠𝑟 là 500m và 700m so sánh với trường hợp không sử dụng chuyển tiếp

Giá trị dung lượng khi sử dụng chuyển tiếp:

Gía trị dung lượng khi không sử dụng chuyển tiếp:

Kết quả so sánh giá trị dung lượng trong trường hợp sử dụng chuyển tiếp và không sử dụng chuyển tiếp sẽ được thể hiện trong hình 4.3

Kết quả đạt được phù hợp với lý thuyết chuyển tiếp bởi ta thấy giá trị dung lượng khi sử dụng chuyển tiếp thì luôn lớn hơn trong trường hợp không sử dụng chuyển tiếp; đặc biệt chênh lệch dung lượng lớn nhất ở vị trí nút chuyển tiếp nằm giữa nguồn và đích (𝑑 𝑠𝑟 = 0.5𝑑 0 ) Với mô hình đã thiết kế trong đề tài, dung lượng đạt được bởi mạng chuyển tiếp đều cải thiện dung lượng hệ thống gấp 3 đến 6 lần so với mô hình không sử dụng chuyển tiếp

Hình 4.3: Giá trị dung lượng trong mô hình sử dụng chuyển tiếp và mô hình không sử dụng chuyển tiếp khi tỷ số P R /P S thay đổi

Trường hợp 2: ta cho vị trí chuyển tiếp so với nguồn 𝑑 𝑠𝑟 thay đổi ta sẽ đánh giá trị dung lượng trong các trường hơp P R /P S = [0.8,1], so sánh với trường hợp không sử dụng chuyển tiếp

Ca pa ci ty(bps /H z)

Hình 4.4: Giá trị dung lượng trong mô hình sử dụng chuyển tiếp và mô hình không sử dụng chuyển tiếp khi tỷ số 𝑑 𝑠𝑟 thay đổi

Kết quả so sánh giá trị dung lượng trong trường hợp sử dụng chuyển tiếp và không sử dụng chuyển tiếp khi 𝑑 𝑠𝑟 thay đổi được thể hiện trong hình 4.4

Kết quả đạt được phù hợp với lý thuyết chuyển tiếp bởi ta thấy giá trị dung lượng khi sử dụng chuyển tiếp thì luôn lớn hơn trong trường hợp không sử dụng chuyển tiếp, khi P R lớn thì luôn cho giá trị dung lượng lớn Đặc biệt dung lượng lớn nhất ở vị trí nút chuyển tiếp nằm giữa nguồn và đích (𝑑 𝑠𝑟 = 0.5𝑑 0 ) và khi chuyển tiếp càng gần với đích thì giá trị dung lượng ít bị ảnh hưởng bởi P S

Đánh giá hiệu quả của việc lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật

Trong phần mô phỏng này ta giả sử P R = P S và công suất phân bổ cho các sóng mang con là phân bổ công suất đều:

Ca pa ci ty (bp s/ H z)

4.2.1 Giá trị dung lượng khi áp dụng kỹ thuật Hungarian cho việc lựa chọn cặp sóng mang con và kết đôi

Hình 4.5: Giá trị dung lượng khi áp dụng kỹ thuật Hungarian cho việc lựa chọn cặp sóng mang con và kết đôi

Cho giá trị P S thay đổi Ta sẽ xác định giá trị dung lượng khi áp dụng kỹ thuật Hungarian lựa chọn cặp sóng mang con và kết đôi trong các trường hợp 𝑑 𝑠𝑟 = 300𝑚, 400𝑚, 500𝑚, 600𝑚, 700𝑚 ( hay 𝑑 𝑠𝑟 = 0.3𝑑 0 , 0.4𝑑 0 , 0.5𝑑 0 , 0.6𝑑 0 , 0.7𝑑 0 ) Kết quả mô phỏng giá trị dung lượng được thể hiện trong hình 4.5

Trong phần kết quả mô phỏng 4.1, ta đã cho thấy được khi chuyển tiếp nằm ở giữa nguồn và đích thì hỗ trợ chuyển tiếp số lượng sóng mang con là nhiều nhất, và mục đích chính của việc lựa chọn sóng mang con chuyển tiếp là tối ưu dung lượng hệ thống Do đó, kết quả mô phỏng hình 4.5 cho thấy tương ứng với vị trí chuyển tiếp nằm ở giữa nguồn và đích thì sẽ cho giá trị dung lượng hệ thống đạt tối ưu Ngoài ra, các cặp khoảng cách của nút chuyển tiếp tính từ vị trí trung điểm giữa nguồn và đích cho kết quả gần tương tự nhau Cụ thể trong hình 4.5, ở kết quả dung lượng là 5 bps/Hz thì vị trí 0.5𝑑 0 tiết kiệm công suất phát nhiều nhất với 22dB trong khi so với cặp (0.4-0.6)𝑑 0 và (0.3-0.7)𝑑 0 lần lượt là 25dB và 28dB

Bây giờ ta sẽ so sánh hiệu quả của kỹ thuật Hungarian cho việc lựa chọn cặp sóng mang con và kết đôi với các trường hợp khác

4.2.2 Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật Hungarian trong việc chọn lựa cặp sóng mang con khi 𝐏 𝐒 thay đổi và so sánh với các trường hợp khác

Trong tìm hiểu trước chỉ đánh giá hiệu quả của việc chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian khi cho khoảng cách giữa nguồn và chuyển tiếp thay đổi

Trong phần này ta sẽ mô phỏng để đánh giá lại hiệu quả của việc chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian khi cho khoảng cách giữa nguồn và chuyển tiếp thay đổi và mô phỏng đánh giá thêm trường hợp khi tổng công suất phát cho các sóng mang con thay đổi

Ta cố định khoảng cách từ nguồn đến chuyển tiếp 𝑑 𝑠𝑟 = 500𝑚, cho giá trị P S thay đổi Ta sẽ xác định giá trị dung lượng trong các trường hợp sau:

1) Dung lượng trong trường hợp không bắt cặp tối ưu (không sử dụng kỹ thuật Hungarian để bắt cặp), không sử dụng nút chuyển tiếp, tương ứng “not-relaying” trong hình 4.6 kết quả mô phỏng

2) Dung lượng trong trường hợp không bắt cặp tối ưu, tất cả tín hiệu đều được chuyển tiếp, không qua đường trực tiếp từ nguồn đến đích, tương ứng “always- relaying” trong hình 4.6 kết quả mô phỏng

3) Dung lượng trong trường hợp bắt cặp tối ưu(sử dụng kỹ thuật Hungarian), việc bắt cặp chỉ xảy ra ở chuyển tiếp, không bắt cặp cho đường trực tiếp từ nguồn đến đích, tương ứng “always-relaying-pairing” trong hình 4.6 kết quả mô phỏng

4) Dung lượng trong trường hợp bắt cặp tối ưu, việc bắt cặp xảy ra ở nút chuyển tiếp và cả đường trực tiếp từ nguồn đến đích, tương ứng “relaying-pairing” trong hình 4.6 kết quả mô phỏng

Hình 4.6: Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật Hungarian trong việc chọn lựa cặp sóng mang con và kết đôi khi P S thay đổi

Từ hình 4.6, trong trường hợp dùng kỹ thuật Hungarian trong việc lựa chọn cặp sóng mang con và kết đôi luôn đạt kết quả dung lượng lớn hơn tất cả các trường hợp khác Hoàn toàn có thể nhận thấy rằng với tầm công suất phát từ 0 – 30dB thì không thể đạt được dung lượng trên 5 bps/Hz khi không sử dụng nút chuyển tiếp

Mặt khác, việc ứng dụng thêm kỹ thuật Hungarian để bắt cặp chuyển tiếp song mang con sẽ cải thiện dung lượng hệ thống hơn so với cơ chế bắt cặp sóng mang con truyền thống khi tăng dần công suất phát

4.2.3 Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật Hungarian trong việc chọn lựa cặp sóng mang con khi 𝒅 𝒔𝒓 thay đổi và so sánh với các trường hợp khác

Ca pa ci ty(bps /H z) not-relaying always-relaying always-relaying-pairing relaying-pairing

Ta cho P S = 30dB, cho thay đổi khoảng cách từ nguồn đến chuyển tiếp 𝑑 𝑠𝑟 [100: 100: 900] Ta cũng sẽ xác định giá trị dung lượng tương ứng với 4 cơ chế đã được đề cập ở phần phía trên Kết quả mô phỏng được trình bày ở hình 4.7

Hình 4.7: Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật Hungarian trong việc chọn lựa cặp sóng mang con và kết đôi khi 𝑑 𝑠𝑟 thay đổi

Từ kết quả mô phỏng, ta thấy khi 𝑑 𝑠𝑟 thay đổi thì giá trị dung lượng trong trường hợp lựa chọn cặp song mang con với kỹ thuật Hungarian luôn lớn hơn tất cả các trường hợp khác; mặc dù là nút chuyển tiếp hỗ trợ khá hiệu quả chuyển tiếp tín hiệu đến đích tuy nhiên không phải là phù hợp cho tất cả dữ liệu cần truyền, bằng chứng được thể hiện giữa cơ chế (3) và (4) giới thiệu ở phần 4.2.2

Giá trị cụ thể từ hình 4.7 như sau, khi chuyển tiếp nằm ở giữa nguồn và đích

(𝑑 𝑠𝑟 = 500𝑚) thì hiệu quả cải thiện dung lượng tốt nhất, cho giá trị dung lượng lớn nhất so với các vị trí khác của nút chuyển tiếp như gấp gần 3 lần và gần 6 lần so với cặp vị trí (0.3-0.7) và (0.1-0.9) Dung lượng của hệ thống là khá hạn chế khi không sử dụng nút chuyển tiếp để hỗ trợ cho mạng truyền thông không dây

4.2.4 Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật Hungarian trong việc chọn lựa cặp sóng mang con và kết đôi trong từng lần thực hiện kênh

Ca pa ci ty(bps /H z) not-always-relaying always-relaying always-relaying-pairing relaying-pairing

Trong tìm hiểu trước đó chỉ mô phỏng đánh giá giá tri dung lượng trung bình

Mặc dù giá trị dung lượng trung bình tốt nhưng có chắc chắn lúc nào cũng tốt hay không? Để kiểm chứng lại điều đó ta sẽ mô phỏng đánh giá lại trong từng lần thực hiện kênh

Ta cho P S = 30dB, cho thay đổi khoảng cách từ nguồn đến chuyển tiếp 𝑑 𝑠𝑟 300𝑚, 500𝑚, 700𝑚 Kết quả mô phỏng được thể hiện ở hình 4.8, hình 4.9, hình 4.10

Hình 4.8: Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật Hungarian cho việc chọn lựa sóng mang con và bắt cặp cho từng lần thực hiện kênh(Nomonte) khi 𝑑 𝑠𝑟 = 300𝑚

Từ kết quả mô phỏng, ta nhận thấy trong trường hợp dùng kỹ thuật Hungarian trong việc lựa chọn cặp sóng mang con và kết đôi luôn lớn hơn tất cả các trường hợp khác trong tất cả các lần thực hiện kênh, không phải chỉ sau khi lấy giá trị trung bình

Khi chuyển tiếp nằm ở giữa nguồn và đích (𝑑 𝑠𝑟 = 500𝑚) thì đạt hiệu quả tốt nhất, cho giá trị dung lượng trung bình lớn nhất

Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật Hungarian kết hợp phân bổ công suất phát cho nguồn và chuyển tiếp bằng giải thuật water-filling

4.3.1 Giá trị dung lượng khi lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian và phân bổ công suất bằng giải thuật water-filling

Thông qua thông số dung lượng ta sẽ đánh giá hiệu quả của việc lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất phát bằng giải thuật water-filling, và so sánh với trường hợp lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất đều cho nguồn trong pha thứ 1, phân bổ công suất đều cho chuyển tiếp và nguồn trong pha thứ 2

Ta cố định khoảng cách từ nguồn đến chuyển tiếp 𝑑 𝑠𝑟 = 500𝑚, cho giá trị P S thay đổi Ta sẽ xác định giá trị dung lượng trong 2 trường hợp sau:

1) Lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất đều cho nguồn trong pha thứ 1 (bằng P S /N FFT ), phân bổ công suất đều cho chuyển tiếp (bằng P R /N FFT ), và nguồn (bằng P S /N FFT ) trong pha thứ 2

2) Lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất phát bằng giải thuật water-filling (phân bổ công suất tối ưu)

Bảng 4.1: Bảng so sánh kết quả của 2 trường hợp phân bổ công suất đều và phân bổ công suất tối ưu

Dung lượng (bps/Hz) Phân bổ công suất đều Phân bổ công suất tối ưu

Bằng việc mô phỏng, ta lập được bảng 4.1 như trên để so sánh kết quả của hai trường hợp phân bổ công suất đều và phân bổ công suất tối ưu Ta nhận thấy, việc lưa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất phát bằng giải thuật water-filling cải thiện dung lượng hệ thống hơn so với trường

Chương 4: Kết quả mô phỏng Trang 78 HVTH: Trần Ngọc Hoàng hợp lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất đều cho các sóng mang con

Kết quả đạt được không cải thiện đáng kể dung lượng bởi đề tài đang xem xét với mô hình hệ thống điển hình với số lượng dữ liệu chưa lớn nhằm đánh giá rõ hơn độ hiệu quả của phương pháp phân bổ công suất tối ưu Mặc dù vậy mô hình này cải thiện được khá đáng kể dung lượng hệ thống so với mô hình thông thường khi không sử dụng nút chuyển tiếp Điều này được trình bày trong kết quả mô phỏng phía sau

4.3.2 Đánh giá hiệu quả khi phân bổ công suất bằng giải thuật water- filling cho các sóng mang con khi 𝐏 𝐒 thay đổi và so sánh với các trường hợp khác

Trong tìm hiểu trước chỉ đánh giá hiệu quả của việc phân bổ công suất bằng giải thuật water-filling khi cho khoảng cách giữa nguồn và chuyển tiếp thay đổi

Trong phần này ta sẽ mô phỏng để đánh giá lại hiệu quả của việc phân bổ công suất bằng giải thuật water-filling khi cho khoảng cách giữa nguồn và chuyển tiếp thay đổi và mô phỏng đánh giá thêm trường hợp khi tổng công suất phát cho các sóng mang con thay đổi Ta cũng sẽ mô phỏng đánh giá so sánh với các trường hợp khác nhau, so sánh với trường hợp phân bổ công suất đều

Ta cố định khoảng cách từ nguồn đến chuyển tiếp 𝑑 𝑠𝑟 = 500𝑚, cho giá trị P S thay đổi Ta sẽ xác định giá trị dung lượng trong các trường hợp:

1) Dung lượng trong trường hợp không sử dụng chuyển tiếp, không bắt cặp tối ưu(không dùng kỹ thuật Hungarian để bắt cặp), phân bổ công suất đều, tương ứng

“not-relaying” trong hình 4.11 kết quả mô phỏng

2) Dung lượng trong trường hợp không bắt cặp tối ưu, việc bắt cặp chỉ xảy ra ở chuyển tiếp(không bắt cặp cho đường trực tiếp từ nguồn đến đích) và phân bổ công suất đều, tương ứng “always-relaying-equalizing” trong hình 4.11 kết quả mô phỏng

3) Dung lượng trong trường hợp lựa chọn và bắt cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất đều, tương ứng “pairing-equalizing” trong hình 4.11 kết quả mô phỏng

4) Dung lượng trong trường hợp lựa chọn và bắt cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất phát bằng giải thuật water-filling, tương ứng “pairing-allocating” trong hình kết quả mô phỏng

Từ kết quả mô phỏng hình 4.11, ta nhận thấy khi cố định khoảng cách từ nguồn đến chuyển tiếp 𝑑 𝑠𝑟 = 500𝑚, cho giá trị P S thay đổi thì việc lưa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất phát bằng giải thuật water-filling cải thiện dung lượng hệ thống hơn so với trường hợp lưa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất đều Giá trị dung lượng của việc lưa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất phát bằng giải thuật water-filling luôn luôn lớn hơn các trường hợp khác

Hình 4.11: Đánh giá hiệu quả khi phân bổ công suất bằng giải thuật water-filling cho các sóng mang con khi P S thay đổi

4.3.3 Đánh giá hiệu quả khi phân bổ công suất bằng giải thuật water- filling cho các sóng mang con khi 𝒅 𝒔𝒓 thay đổi và so sánh với các trường hợp khác

Ca pa ci ty(bps /H z) not-relaying always-relaying-equalizing pairing-equalizing pairing-allocating

Ta cho P R = P S , cho P S = 30dB, cho thay đổi khoảng cách từ nguồn đến chuyển tiếp 𝑑 𝑠𝑟 = [100: 100: 900] Ta cũng sẽ xác định giá trị dung lượng như trong 4 trường hợp đã đề cập ở trên

Hình 4.12: Đánh giá hiệu quả khi phân bổ công suất bằng giải thuật water-filling cho các sóng mang con khi 𝑑 𝑠𝑟 thay đổi

Đánh giá hiệu quả của mô hình nhiều chuyển tiếp mắc song song song với mô hình chỉ có một chuyển tiếp thông qua thông số dung lượng

Dựa trên mô hình một nguồn, một chuyển tiếp và một đích Trong tìm hiểu này đã phát triển thêm lên mô hình nhiều chuyển tiếp song song và đưa ra cơ chế chọn lựa chuyển tiếp để cải tiến hơn so với mô hình ban đầu chỉ có một chuyển tiếp Đánh giá hiệu quả mô hình nhiều chuyển tiếp so với mô hình một chuyển tiếp qua giá trị dung lượng trung bình cũng như qua giá trị dung lượng trong từng lần thực hiện kênh Mô phỏng đánh giá hiệu quả của việc lựa chọn cặp sóng mang con bằng phương pháp Hungarian kết hợp phân bổ công suất bằng giải thuật water-filling, so sánh các trường hợp phân bổ công suất đều trong mô hình có một nút chuyển tiếp và nhiều nút chuyển tiếp

Ta cho tỷ số P R = P S , cho giá trị P S thay đổi, khoảng cách từ nguồn đến chuyển tiếp dsr thay đổi trong khoảng từ nguồn đến đích Ta sẽ xác định giá trị dung lượng trong các trường hợp

- Dung lượng trong trường hợp lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất đều khi mô hình có 1 nút chuyển tiếp

- Dung lượng trong trường hợp lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất phát bằng giải thuật water-filling khi mô hình có 1 nút chuyển tiếp

- Dung lượng trong trường hợp lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất đều khi mô hình có 2 nút chuyển tiếp mắc song song

- Dung lượng trong trường hợp lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất phát bằng giải thuật water-filling khi mô hình có 2 nút chuyển tiếp mắc song song

Kết quả mô phỏng đối với 4 trường hợp được thể hiện ở hình 4.14:

Hình 4.14: Đánh giá hiệu quả mô hình nhiều nút chuyển tiếp mắc song song

Từ kết quả mô phỏng ta nhận thấy:

- Lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất đều khi mô hình có 6 nút chuyển tiếp mắc song song có giá trị dung lượng lớn nhất trong 4 trường hợp mô hình chuyển tiếp, kế tiếp là đến mô hình 4, 2 và 1 nút chuyển tiếp Như vậy về tổng quan, ta có thể nhận xét rằng khi số lượng nút chuyển tiếp càng lớn trong mô hình mạng chuyển tiếp thì dung lượng được cải thiện cũng càng tăng dần

- Lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất phát tối ưu có giá trị dung lượng lớn hơn so với cơ chế phân bổ đều trong tất cả các mô hình mạng chuyển tiếp xem xét (2, 4, 6 nút chuyển tiếp mắc song song) Kết quả này là hoàn toàn phù hợp với kết quả đã đạt được trong mô hình mạng chuyển tiếp với chỉ một nút chuyển tiếp

- Một nhận xét khác có thể được rút ra từ kết quả hình 4.13, tốc độ cải thiện dung lượng giảm dần khi ta tăng số lượng nút chuyển tiếp trong hệ thống mạng Từ đó, ta thấy rằng số lượng nút chuyển tiếp tồn tại trong mô hình mạng chuyển tiếp cũng là một thông số khá quan trọng để xem xét và đánh giá chất lượng của hệ thống mạng

1-relay with pairing selection and equal power allocation 1 relay with pairing selection and power allocation using water-filling algorithm 2 relay with pairing selection and equal power allocation

2 relay with pairing selection and power allocation using water-filling algorithm 4 relay with pairing selection and equal power allocation

4 relay with pairing selection and power allocation using water-filling algorithm 6-relay with pairing selection and equal power allocation

6 relay with pairing selection and power allocation using water-filling algorithm

Kết quả mô phỏng khác Đánh giá hiệu quả lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất phát bằng giải thuật water-filling cho 100 lần thực hiện kênh(Nomonte), cụ thể ở các mô hình gồm 1 nút chuyển tiếp, 2 nút chuyển tiếp mắc song song, 4 nút chuyển tiếp mắc song song

Ta cho P R = P S , P S = 30dB và khoảng cách từ nguồn đến chuyển tiếp 𝑑 𝑠𝑟 thay đổi Kết quả mô phỏng được thể hiện ở hình 4.15

Hình 4.15: Đánh giá hiệu quả mô hình nhiều nút chuyển tiếp mắc song song trong từng lần thực hiện kênh

Từ kết quả mô phỏng ta nhận thấy, trong từng lần thực hiện kênh, lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian kết hợp với phân bổ công suất phát bằng giải thuật water-filling khi mô hình có 4 nút chuyển tiếp mắc song song có giá trị dung lượng lớn hơn mô hình chuyển tiếp có 2 nút chuyển tiếp mắc song song, mô hình có 2 nút chuyển tiếp mắc song song có giá trị dung lượng lớn hơn mô hình chỉ có 1 nút chuyển tiếp

Tiêu đề	Chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất trong mạng chuyển tiếp OFDM
Tác giả	Trần Ngọc Hoàng
Người hướng dẫn	TS. Hà Hoàng Kha
Trường học	Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật Viễn Thông
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2016
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	2,29 MB