TÓM TẮT ĐỀ TÀI Đề tài: “Đánh giá hiệu năng của các phương pháp chọn Relay trong mạng relay nhận thức nền” được thực hiện nhằm đánh giá tính hiệu quả của các phương pháp chọn relay trong
GIỚI THIỆU
Lý do chọn đề tài
Thế giới đang trong giai đoạn phát triển vượt bậc của công nghệ truyền thông đa phương tiện tốc độ cao, nó được xem là nguyên nhân chính dẫn đến phổ tần số gần như cạn kiệt, nguồn tài nguyên về tần số gần như không còn đủ để đáp ứng Bên cạnh đó là sự lãng phí phổ tần cấp phép, do chưa được sử dụng một cách triệt để, hiệu năng sử dụng băng thông còn quá thấp Vì vậy nhu cầu về công nghệ truyền dữ liệu tốc độ cao đang đặt ra những thách thức to lớn cho công nghệ truyền thông không dây là làm thế nào để nâng cao hơn nữa tốc độ truyền và chất lượng truyền
Công nghệ mạng relay nhận thức (CNR – Cognitive Relay Networks) là một giải pháp rất hiệu quả nhờ sử dụng relay trung gian để truyền và nhận dữ liệu Relay trung gian là bộ xử lý tín hiệu thu phát, nó có khả năng khuếch đại, mã hóa và giải mã tín hiệu…Nó đóng vai trò là nút trung gian để truyền dữ liều giữa hai đầu cuối, giúp giảm khoảng cách giữa nguồn phát và đích nhận, điều này đồng nghĩa với việc làm giảm đáng kể nhiễu trong quá trình truyền với khoảng cách lớn, giảm suy hao và nâng cao tốc độ truyền tải Mặt khác, nó giải quyết được vấn đề hiệu suất sử dụng băng thông nhờ sử dụng phổ tần chia sẻ
Trong mạng relay nhận thức nền, relay được chọn làm chuyển tiếp sẽ sử dụng phổ tần số của mạng sơ cấp (PN – Primary Network) không sử dụng hoặc sử dụng chưa đúng mức để cung cấp cho mạng thứ cấp (SN – Secondary Network) hoạt động Khi mạng thứ cấp hoạt động, nó luôn được kiểm soát ở một mức ngưỡng phát nhất định Ngưỡng phát này đảm bảo không gây can nhiễu cho mạng PN đồng thời vẫn đảm bảo được chất lượng truyền tải thông tin giữa các người dùng trong mạng thứ cấp với nhau Mạng relay nhận thức nền sử dụng nhiều phương pháp chọn relay để truyền dữ liệu giữa hai người dung trong mạng thứ cấp Nhiều relay đòi hỏi kênh truyền trực giao dẫn đến hiệu suất băng thông thấp Việc chọn relay phù hợp sẽ hạn chế được yêu cầu về kênh truyền trực giao đồng thời vẫn đảm bảo độ lợi phân tập, tăng cường được vùng phủ sóng, nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông, giảm công suất phát tổng trên toàn hệ thống mạng Đặc biệt giải quyết được vấn đề về khan hiếm phổ tần số đồng thời đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao về công nghệ truyền dữ liệu tốc độ cao
Việc đưa ra những phân tích và đánh giá các phương pháp chọn relay trong mạng relay nhận thức nền bằng thuật toán và kết quả mô phỏng giúp chúng ta đề xuất những giải pháp hiệu quả cho một số mô hình mạng đang phát triển hiện nay như LTE, Wimax… Mặt khác, công nghệ này giúp chúng ta chủ động hơn về mặt quy hoạch tần số, tối ưu hóa và đảm bảo khai thác đúng mức các khoảng tần số đã được cấp phép Ứng dụng công nghệ mạng relay nhận thức nền vào hệ thống mạng vô tuyến thực tế sẽ giúp tận dụng đáng kể các băng tần đang được cấp phép lãng phí, nâng cao hiệu suất sử dụng băng thông đồng thời giải quyết nhu cầu truyền tải dữ liệu đa phương tiện ở các thiết bị đầu cuối như di động, laptop,….
Mục đích nghiên cứu
Nhằm xây dựng được phương pháp lựa chọn relay và đánh giá tính hiệu quả của các phương pháp trong hệ thống mạng vô tuyến nhận thức nền Qua đó, làm rõ những ưu khuyết điểm của từng phương pháp và đưa ra những giải pháp khác nhau trong việc sử dụng relay sao cho phù hợp với hệ thống mạng thực tế
Giúp chúng ta đưa ra giải pháp để giải quyết được vấn đề khan hiếm phổ tần, nâng cao hiệu suất sử dụng băng thông, đảm bảo trên cùng độ lợi phân tập, đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người dùng đa phương tiện.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đặc tính của kênh truyền vô tuyến: hàm phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên Gaussian và Rayleigh Nhiễu Gaussian trắng cộng, đặc tính của Fading ảnh hưởng đến kênh truyền như thế nào Suy hao trong không gian tự do, mô hình suy hao trong không gian tự do, xác suất dừng của suy hao đường truyền và Shadowing
Dung lượng của kênh truyền nhiễu AWGN, kênh truyền Fading phẳng và Fading chọn lọc tần số Phân tích các nhân tố ảnh hưởng đến dung lượng của các loại kênh truyền trên
Các kỹ thuật phân tập sử dụng trong mạng vô tuyến: phân tập thời gian, phân tập tần số và phân tập không gian – phân tập anten Những ưu nhược điểm các các kỹ thuật phân tập
Mô hình mạng Relay nhận thức sử dụng công nghệ Interweave, Underlay và Overlay Giao thức truyền thông hợp tác AF (Amplify and Forward) và DF (Decode
3 and Forward) sử dụng trong mạng vô tuyến nhận thức nền, ưu điểm và khuyết điểm của 2 giao thức này
Các phương pháp chọn relay trong mạng relay nhận thức nền, phân tích đánh giá ưu khuyết điểm của các phương pháp
Xây dựng thuật toán xác suất cho từng phương pháp chọn relay từ những điều kiện và tham số đầu vào của hệ thống mạng
Phần mềm Matlab để mô phỏng những đặc tính của kênh truyền, mô phỏng các phương pháp chọn relay trong hệ thống mạng relay, thông qua đó đánh giá tính hiệu quả của từng phương pháp.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là xây dựng công thức xác suất cho từng phương pháp và mô phỏng để đánh giá hiệu năng của các phương pháp
Thu thập các tài liệu, bài báo kỹ thuật liên quan đến các phương pháp chọn relay, đánh giá hiệu năng của từng phương pháp bằng lý thuyết xác suất Từ đó vận dụng vào mô hình mạng của đề tài đang nghiên cứu để đưa ra các giải pháp tối ưu cho từng phương pháp chọn relay Toàn bộ đề tài: “đánh giá hiệu năng của các phương pháp chọn relay trong mạng relay nhận thức nền” đều sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng và đánh giá
Nhận xét ưu khuyết điểm của các phương pháp và đưa ra khuyến nghị về các phương pháp chọn relay phù hợp nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần số, độ lợi phân tập, công suất phát tổng của từng loại mạng vô tuyến cụ thể.
Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc của luận văn được trình bày 6 chương:
Chương 2 – Tổng quan về kênh truyềnvô tuyến
Chương 3 – Mạng vô tuyến nhận thức
Chương 4 – Các phương pháp chọn relay trong mạng relay nhận thức nền
Chương 5 – Kết quả mô phỏng và đánh giá
Chương 6 – Kết luận và hướng phát triển
Tóm tắt các công trình liên quan
Trong hệ thống mạng vô tuyến nhận thức (CRN – Cognitive Radio Network) nhiều công nghệ được đề suất nhằm chia sẽ phổ tần của mạng sơ cấp để truyền dữ liệu trong mạng thứ cấp từ guồn phát đến đích nhưng vẫn đảm bảo chất lượng cho người dùng sơ cấp [4] Trong đó, có 3 công nghệ được quan tâm sử dụng hiện nay: công nghệ Interweave sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian hoặc tần số để tránh gây can nhiễu giữa mạng sơ cấp và mạng thứ cấp, công nghệ Overlay chỉ sử dụng phổ tần của mạng sơ cấp khi mà nó không sử dụng, công nghệ Underlay sử dụng phổ tần ở một mức ngưỡng cho phép, nó rất được quan tâm và sử dụng bởi tính hiệu quả trong việc chia sẽ phổ tần giữa các hệ thống mạng sơ cấp và thứ cấp [4] Từ kết quả ở [5], thông qua đánh giá hiệu năng của phương pháp Nth Best – RS trong mạng relay nhận thức nền sử dụng giao thức truyền hợp tác DF trong kênh Fading phẳng cho thấy ảnh hưởng của công suất ngưỡng nhiễu cực đại của PU, công suất phát của SS và số lượng relay tham gia chuyển tiếp đến xác suất chọn được relay hoặc không chọn được relay ra sao Trong [6], tác giả đã phân tích và chỉ ra xác suất của mạng relay nhận thức cao hơn mạng thông thường đồng thời cũng cho thấy ở mạng relay nhận thức nền có cùng độ lợi phân tập với mạng thường Tác giả đã phân tích hiệu năng của phương pháp R –RS trong mạng relay nhận thức có ước lượng thông tin kênh truyền (CSI) không tốt ở [7], kết quả mô phỏng cho thấy tăng số lượng relay là giải pháp hiệu quả để giảm xác suất dừng Mặt khác, thông tin trạng thái kênh giữa SS với PU ảnh hưởng đến xác suất dừng nhiều hơn relay đến PU ra sao Tác giả đã so sánh dung lượng kênh truyền của phương pháp R – RS với phương pháp P – RS trong [7], để đánh giá lại dung lượng của phương pháp R – RS dùng giao thức truyền hợp tác DF nhằm giảm số relay ửng cử viên tham gia chuyển tiếp Khi công suất truyền của người dùng thứ cấp bị giới hạn bởi ngưỡng công suất của PU thì hiệu năng phụ thuộc chủ yếu vào kết nối SS đến relay và relay với SD Kết quả phân tích và mô phỏng ở [8], cho thấy phương pháp R – RS cho xác suất dừng tốt hơn phương pháp P – RS khi xét thêm đường trực tiếp và không có sự chênh lệch giữa công suất ngưỡng từ SS đến relay và relay đến SD Ở [9], tác giả cũng so sánh xác suất dừng của 2 phương pháp P – RS và R – RS cho thấy không có sự chênh lệch khi ngưỡng công suất giữa 2 kết nối SS đến relay và relay đến SD bằng nhau, tuy nhiên tỉ lệ bit lỗi ở phương pháp R – RS tốt hơn P – RS
5 Cùng với [9], ở [10], tác giả chỉ ra rằng công suất ngưỡng ở kết nối từ SS đến relay và relay đến SD không có sự chênh lệch thì xác suất dừng không có sự khác biệt, điều đó chỉ xảy ra khi có sự chênh lệch công suất ngưỡng giữa 2 đường kết nối này Đặc biệt khi số relay tham gia vào mạng tăng thì độ chênh lệch càng tăng theo [10]
Trong luận văn này, tôi xin phân tích đánh giá hiệu năng của các phương pháp chọn relay trong mạng relay nhận thức nền Đề tài sẽ tập trong vào 3 phương pháp: Nth Best Relay Selection, Reactive Relay Selection và Proactive Relay Selection Trong phần I đề tài sẽ phân tích và đánh giá các phương pháp trong cùng điều kiện ngưỡng công suất cho phép, phần II đề tài sẽ so sánh giữa các phương pháp trong điều kiện và khác điều kiện về công suất ngưỡng giữa 2 pha truyền dữ liệu
TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN
Kênh truyền vô tuyến
Trong hệ thống thông tin vô tuyến, kênh truyền vô tuyến là môi trường chính để truyền tín hiệu, chất lượng của tín hiệu ở máy thu phụ thuộc hoàn toàn vào đặc tính kênh truyền Nó không giống với kênh truyền hữu tuyến sử dụng cáp đồng, cáp quang,…là ổn định và có thể đoán được Ở kênh truyền vô tuyến – nó hoàn toàn ngẫu nhiên nên việc phân tích tín hiệu ở đầu thu rất phức tạp do phụ thuộc rất lớn vào trạng thái kênh truyền ở từng thời điểm khác nhau [1] Tín hiệu phát đi sẽ chịu tác động của nhiễu, suy hao, đa đường,…chính những nhân tố trên làm ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu ở máy thu [2] Đặc tính của kênh truyền sẽ được mô hình hoá bằng công thức toán học và mô phỏng bằng phần mềm Matlab để phân tích, đánh giá và đưa ra những giải pháp khắc phục cũng như nâng cao chất lượng tín hiệu để đầu thu để có thể khôi phục về gần với dạng tín hiệu ban đầu nhất [1], [2].
Đặc tính của kênh truy ền
2.2.1 Biến ngẫu nhiên Gaussian: Đĩnh nghĩa: Biến ngẫu nhiên X là biến nhận các giá trị phụ thuộc vào kết quả các phép thử ngẫu nhiên Ta thường sử dụng các kí hiệu X, Y, Z là biến ngẫu nhiên và x, y, z để chỉ các giá trị ngẫu nhiên mà biến X, Y, Z sẽ nhận Ví dụ: tung đồng thời 2 con xúc sắc, X là tổng số chấm trên 2 mặt xúc xắc, X sẽ nhận các giá trị từ 2 đến 12 Mỗi biến ngẫu nhiên X tạo ra một phân phối xác suất chứa các thông tin về nó
Nếu X là một biến ngẫu nhiên, phân phối xác suất tương ứng gán cho đoạn [a,b] một xác suất Pr[a ≤ x ≤ b], nghĩa là xác suất mà biến ngẫu nhiên X sẽ nhận giá trị trong đoạn [a,b] Với mỗi số thực x, hàm phân phối tích lũy lấy giá trị nhỏ hơn hoặc bằng x được định nghĩa như sau:
Hàm mật độ xác suất (PDF – Probability Density Function) dùng để biễu diễn một phân bố xác suất theo tích phân, nó có giá trị không âm và tích phân của nó trong khoảng - ∞ đến + ∞ có giá trị bằng 1 Nếu một phân bố xác suất có mật độ f(x), thì khoảng vi phân [x, x + dx] có xác suất bằng f(x)dx PDF là một hàm bất kỳ f(x) mô tả mật độ xác suất theo biến đầu vào x, với f(x) ≥ 0 với mọi giá trị đầu của biến x
Từ công thức (2) ta được xác suất thự sực của một biến ngẫu nhiên x trong khoảng (a,b) là:
Nếu biến ngẫu nhiên X có hàm mật độ xác suất f(x) và nếu ∫ | | ( ) hội tụ thì kỳ vọng hay còn gọi là giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên X là:
Biến ngẫu nhiờn Gaussian được mụ tả theo 2 tham số là σ > 0 và m ϵ R, trong đú à
= E[X] = m là trị trung bình và VAR[X] = σ 2 là phương sai của biến ngẫu nhiên Gaussian Biến ngẫu nhiên Gaussian X có phân phối xác suất được biễu diễn như sau: X ~ N(m,σ 2 )
PDF của biến ngẫu nhiên Gaussian được cho bởi công thức:
Trường hợp m = 0 và σ = 1 được gọi là phân phối chuẩn hóa, khi đó PDF của biến ngẫu nhiên Gaussian được viết lại là:
(2.6) Hàm Q của biến ngẫu nhiên Gaussian có phân phối chuẩn được xác định:
= [ (0,1) > ] √ ∫ (2.7) Hàm phân bố xác suất (CDF– Cumulative Distribution Function) của biến ngẫu nhiên Gaussian được cho bởi:
Hình 2.01: Đồ thị hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên Gaussian
Hình 2.02: Đồ thị hàm phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên Gaussian
N o rm a l P ro b a b ili ty D e n s it y F u n c ti o n mu = 0 & sigma 2 = 0.2 mu = 0 & sigma 2 = 1 mu = 0 & sigma 2 = 2 mu = - 2 & sigma 2 = 0.5
N o rm a l C u m u la ti v e D is tr ib u ti o n F u n c ti o n mu = 0 & sigma 2 = 0.2 mu = 0 & sigma 2 = 1 mu = 0 & sigma 2 = 2 mu = - 2 & sigma 2 = 0.5
Nếu X1 và X 2 là 2 biến ngẫu nhiên Gaussian có phân bố (0, ) thì + là biến ngẫu nhiên Rayleigh PDF của biến ngẫu nhiên Rayleigh được cho bởi:
Với trị trung bình và phương sai là:
Hàm phân bố xác suất có được từ hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên Rayleigh:
0 , ℎá (2.12) Đồ thị PDF, CDF của biến ngẫu nhiên Rayleigh được vẽ ở Hình 2.03 và Hình 2.04
Hình 2.03: Đồ thị hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên Rayleigh
P ro b a b ili ty d e n s it y f u n c ti o n
Probability density function of Rayleigh sigma = 0.5 sigma = 1 sigma = 2 sigma = 3
Hình 2.04: Đồ thị hàm phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên Rayleigh
Nhiễu AWGN là loại nhiễu có mật độ phổ công suất phân bố đồng đều trong cả băng thông và có biên độ tuân theo phân bố Gaussian Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra như thời tiết, do bộ khuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ,…
Hình 2.05: Đồ thị biễu diễn nhiễu Gaussian trên tín hiệu Răng cưa
C u m u la ti v e d is tr ib u ti o n f u n c ti o n
Cumulative distribution function of Rayleigh sigma = 0.5 sigma = 1 sigma = 2 sigma = 3
Original signalSignal with AWGN
11 Nhiễu nhiệt (sinh ra do sự chuyển động của các hạt tải điện) là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussiantrắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn
Hình 2.06: Mô hình kênh nhiễu AWGN
Nhiễu trắng n(t) có thể mô hình bằng một biến xác suất Gaussian với giá trị kỳ vọng à = 0 và độ lệch chuẩn σ 2 : à = E[x] = 0 (2.13) σ 2 = E[(x-μ) 2 ] (2.14)
Do trị trung bình bằng 0 nên độ lệch chuẩn cũng bằng phương sai của biến ngẫu nhiên x Cụ thể hơn nhiễu trắng có công suất không đổi σ 2
Về mặt lý thuyết, nhiễu trắng có băng tần vô hạn và có công suất nhiễu trãi đều đặn ở mọi tần số Trên thực tế không có hệ thống nào có băng tần vô hạn mà bị giới hạn ở một băng tần nào đó nên mật độ phổ công suất cũng bị giới hạn như ở Hình 2.07
Hình 2.07: Mật độ phổ công suất nhiễu AWGN
Giả sử hệ thống có băng tần giới hạn B = 2ωg, chu kỳ lấy mẩu là ta Mật độ phổ công suất được viết lại như sau: Φnn(jω) = F{φnn(t)} = σ 2 t a khi |ω| < ωg (2.15) và Φnn(jω) = F{φnn(t)} = 0 khi |ω| > ωg (2.16)
Tín hiệu phát Tín hiệu thu n(t)
12 Phương trình trên Φnn(jω) là hàm mật độ công suất nhiễu còn φnn(jω) là hàm tự tương quan của nhiễu: φnn(τ ) = E[n(t)n(t+ τ)]= σ 2 sincωgτ (2.17)
Từ phương trình này ta thấy hàm tự tương quan là biến đổi Fourier ngược của hàm mật độ phổ công suất Do đó hàm mật độ phổ công suất có dạng hình chữ nhật như Hình 2.07 Kết quả biến đổi Fourier ngược của hàm hình chữ nhật cho ta hàm sincωgτ Công suất của nhiễu có thể tính được bằng cả hàm mật độ công suất nhiễu hoặc hàm tự tương quan của nhiễu như sau:
= E[ (t)] = Φ (0) = ∫ (jω)dω = σ (2.18) Khi đó tỉ số tín hiệu trên nhiễu được tính theo công thức sau:
Với Ps là công suất của tín hiệu có ích Tỉ số này quyết định chất lượng của tín hiệu và dung lượng của kênh truyền
Khái niệm về Fading: Fadinh là sự thay đổi tín hiệu vô tuyến một cách bất thường tại điểm thu do sự tác động của môi trường truyền dẫn Là sự biến đổi cường độ tín hiệu sóng mang vô tuyến siêu cao tần thu được do sự thay đổi của khí quyển và các phản xạ của đất và nước trong môi trường truyền sóng
Có 2 loại Fading chính là Fading phẳng và Fading chọn lọc tần số Hai loại Fading này có thể xuất hiện độc lập với nhau hoặc xuất hiện đồng thời Các yếu tố gây ra hiện tượng Fading gồm: Sự hấp thụ của các chất khí, hơi nước, mưa… đây là những yếu tố chủ yếu đối với những tần số trên 10GHz Fading do hiện tượng lan truyền đa đường Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt là từ bề mặt nước, sự phản xạ từ những bất đồng trong khí quyển và sự phản xạ từ những vật cản trên đường truyền cũng là những nguyên nhân gây ra hiện tượng lan truyền đa đường
Hình 2.08: Công suất của tính hiệu Rayleigh Fading
Fading phẳng: gồm Fading do truyền dẫn đa đường và do hấp thụ Là Fading mà suy hao phụ thuộc vào tần số, là không đáng kể và phần lớn là hằng số đối với toàn bộ băng tần hiệu dụng của tín hiệu Fading phẳng thường xảy ra đối với các hệ thống vô tuyến có dung lượng vừa và nhỏ, do độ rộng băng tín hiệu khá nhỏ nên Fading do truyền dẫn đa đường và do mưa gần như là xem không có chọn lọc theo tần số
Fading chọn lọc tần số: xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền Ảnh hưởng của Fading chọn lọc tần số là gây nhiễu xuyên ký tự Để khắc phục người ta sử dụng một số kỹ thuật như: phân tập, sử dụng mạch sang bằng thích nghi, sử dụng mã sửa lỗi, trải phổ, điều chế đa sóng mang
Fading nhanh (hay còn gọi là hiệu ứng Doppler): nguyên nhân là có sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát dẫn đến tần số thu được sẽ bị dịch tần đi 1 lượng Δ so với tần số phát tương ứng Mức độ dịch tần sẽ thay đổi theo vận tốc tương đối giữa máy phát và thu
14 Fading chậm: do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, làm cho biên độ tín hiệu suy giảm, do đó còn gọi là hiệu ứng bóng râm (Shadowing).Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm Hay sự không ổn định cường độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng che chắn gọi là suy hao chậm.
2.2.5 Mô hình truyền nhận tín hiệu:
Tín hiệu truyền s(t) ở băng tần UHF và SHF từ 0.3GHz đến 3GHz và từ 3GHz đến 30GHz Mô hình công thức toán học như sau:
( ) = ( ) + ∗ ( ) (2.21) ( ) = { ( )} (2.22) Và ( ) =ℑ{ ( )} (2.23) có băng thông B và công suất P u , tần số sóng mang f c (B C (dung lượng) sẽ có xác suất bit lỗi bị giới hạn tiến về 0 Đối với kênh truyền bất biến không nhớ tín hiệu ngẫu nhiên đầu vào x và đầu ra y:
Ví dụ: cho kênh truyền không dây cócông suất suy hao theo khoảng cách là Pr(d) P t (d 0 /d) 3 , d 0 = 10m, băng thông B = 30KHz, mật độ phổ công suất nhiễu Gaussian N 0 = 10 -9 W/Hz Cho công suất truyền là 1W, tìm dung lượng kênh với khoảng cách d = 100m và 1Km
Giải: với d = 100m, SNR thu là:
(10 W/Hz)∗(30)∗(10 )= 33 = 15Suy ra: C = B*log(1+ γ) = 30000*log(1+33) = 152.6Kbps
25 Với d = 1Km = 1000m, SNR thu là:
(10 W/Hz)∗(30)∗(10 )= 0.033 =−15 Suy ra: C = B*log(1+ γ) = 30000*log(1+0.033) = 1.4Kbps
Từ kết quả ta thấy: dung lượng kênh sẽ giảm xuống khi khoảng cách d tăng, do hàm mũ suy hao đường truyền (α = 3) làm giảm năng lượng nhận.
Kỹ thuật phân tập
Phân tập là một kỹ thuật dùng để nâng cao độ tin cậy của tín hiệu truyền bằng cách truyền một tín hiệu trên nhiều kênh truyền khác nhau để phía thu chọn ra trong số những tín hiệu đó một tín hiệu tốt nhất hoặc kết hợp các tín hiệu đó lại để được một tín hiệu có lượng thông tin giống với tín hiệu phía phát nhiều nhất có thể Nó giúp giảm ảnh hưởng của Fading và nhiễu nhờ truyền trên những kênh truyền khác nhau nên chịu ảnh hưởng cũng khác nhau đồng thời cũng không cần phải tăng công suất phát Từ việc truyền trênh nhiều kênh truyền khác nhau ta sẽ có được độ lợi phân tập Tuy nhiên ở mỗi kỹ thuật phân tập cũng có những khuyết điểm nhất định của nó, như kỹ thuật phân tập thời gian thì cần có độ trễxử lý tín hiệu ở phía thu, kỹ thuật phân tập tần số thì phải chịu tiêu tốn phổ tần Kỹ thuật phân tập không gian – kỹ thuật phân tập anten hiện đang được sử dụng trong công nghệ MIMO nhờ khai thác rất hiệu quả không gian nhằm nâng cao chất lượng cũng như dung lượng hệ thống truyền tin, hạn chế được ảnh hưởng của Fading và khắc phục được nhược điểm hao phí băng thông tần số của phân tập tần số, một vấn đề đang rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên về tần số đang ngày một khan hiếm
2.4.1 Kỹ thuật phân tập không gian:
Kỹ thuật phân tập không gian là kỹ thuật sử dụng nhiều anten được đặt ở phía phát hoặc ở phía thu ở tại những vị trí khác nhau để thu cùng một tín hiệu Trong truyền dẫn hữu tuyến người ta truyền tín hiều trên nhiều sợi cáp, còn trong truyền dẫn vô tuyến thì sử dụng nhiều anten để thu phát tín hiệu, tạo thành một phân tập anten Nó được gọi là kỹ thuật phân tập anten, có 2 loại phân tập không gian là phân tập phát và phân tập thu Kỹ thuật phân tập anten được sử dụng trong thông tin di động khắc phục những nhược điểm của phân tập thời gian và phân tập tần số vìtrong thông tin
26 di đông, nó đòi hỏi phải nâng cao dung lượng, chất lượng truyền tin, giảm năng lượng thu phát và tính nhỏ gọn của thiết bị đầu cuối nhằm giảm chi phí
Phân tập anten phát: là kỹ thuật sử dụng nhiều anten ở đầu phát để phát tín hiệu, công suất phát sẽ được chia ra trên nhiều anten phát
Hình 2.16: Mô hình phân tập anten phát
Phân tập anten thu: là kỹ thuật sử dụng nhiều anten khác nhau ở phía thu để thu tín hiệu, các anten phía thu sẽ thu được nhiều bản sao khác nhau và có cùng lượng thông tin với tín hiệu gốc Tín hiệu ở các anten thu sẽ kết hợp (MRC) lại để được tín hiệu gốc
Hình 2.17: Mô hình phân tập anten thu
2.4.2 Kỹ thuật phân tập thời gian:
Trong kỹ thuật phân tập theo thời gian, gói tin sẽ được truyền tại những thời điểm khác nhau trên những khe thời khác nhau hoặc trên nhiều kênh khác nhau,như vậy tại máy thu sẽ nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu pháttại nhiều thời điểm hoặc cùng một tín hiệu thu ở nhiều thời điểm khác nhau để chọn được tín hiệu thu tốt nhất
Hình 2.18: Mô hình truyền tín hiệu kỹ thuật phân tập thời gian
2.4.3 Kỹ thuật phân tập tần số:
Tín hiệu được truyền trên nhiều tần số khác nhau hoặc trên một dãy phổ tần rộng bị tác động bởi Fading lựa chọn tần số Các tần số cần được phân chia để đảm bảo không bị nhiễu và chịu tác động của Fading một cách độc lập Như vậy tại máy thu sẽ nhận được cùng một tín hiệu tại nhiều tần số khác nhau
Hình 2.19: Mô hình truyền tín hiệu kỹ thuật phân tập tần số s(t) s(t)
MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
Mô hình cấu trúc mạng vô tuy ến nhận thức
Hình 3.01: Mô hình cấu trúc bộ phát mạng vô tuyến nhận thức
Giao thức chuyển tiếp hợp tác trong mạng vô tuyến nhận thức
3.2.1 Giao thức AF (Amlify and Forward):
Giao thức Amplify and Forward là một kỹ thuật chuyển tiếp song công Tín hiệu nhận được tại relay sẽ được khuếch đại lên hoặc xuống trước khi tiếp tục chuyển đến đích Hệ số khuếch đại quyết định bởi công suất của relay và đích đến Ưu điểm của giao thức này là tính đơn giản và chi phí thấp Nhược điểm của kỹ thuật này là khuếch đại cả nhiễu và tạp âm cùng với tín hiệu cần truyền tại relay Điều này làm giảm tỉ số SNR tổng thể cũng như thông lượng của hệ thống
Hệ thống mạng Relay sử dụng giao thức AF được mô tả như sau: Tín hiệu truyền từ nguồn SS (Secondary Source) đến relay là xz, hệ số kênh truyền Fadinglà hz và nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) là n z Tín hiệu thu được tại relay: y z = h z x + n z (3.1) và khuếch đại tín hiệu này để chuyển tiếp đến đích SD theo hệ số β, tín hiệu thu được tại SD: x z = β*yz = β(hzdx + n zd ) (3.2) trong đó hzd là hệ số kênh truyền Fading từ relay đến SD, nzd là nhiễu AWGN tại SD Hệ số khuếch đại được cho bởi công thức: β = ∗| | (3.3) với P là công suất thu được tại relay, là công suất nhiễu AWGN
3.2.2 Giao thức DF (Decode and Forward):
Trong hệ thống mạng vô tuyến nhận thức nguồn phát cần truyền dữ liệu đến đích thông qua relay, chính vì thế nó đưa ra cơ chế giao tiếp để truyền dữ liệu.Giao thức truyền hợp tác Decode and Forward là một kỹ thuật chuyển tiếp, toàn bộ tín hiệu nhận được tại relay sẽ được giải mã sau đó sẽ mã hóa lại trước khi truyền tín hiệu đến đích Nó gây ra trễ tín hiệu và tính phức tạp trong quá trình mã hóa và giải mã để khôi phục lại tín hiệu ban đầu tại đích đến Giao thức này sẽ tiến gần đến tối ưu khi kênh truyền là lý tưởng
30 Tương tự như giao thức AF, ở đây giao thức DF không khuếch đại tín hiệu mà nó mã hoá và giải mã tín hiệu.Tín hiệu truyền từ nguồn SS đến relay là xz, hệ số kênh truyền Fading từ SS đến relay là h z và nhiễu AWGN là n z
Tín hiệu thu được tại relay: yz = h z x + nz (3.4) và tín hiệu thu được tại SD: y d = h d x + n d (3.5) với hd là hệ số kênh truyền Fading từ relay đến đích SD, nz là công suất nhiễu Gaussian trắng cộng tại SD.
Các ông nghệ sử dụng trong mạng vô tuyến nhận thức
Công nghệ Interweave sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân theo thời gian hoặc phân theo tần số của mạng thứ cấp để truyền tín hiệu giữa nguồn phát và máy thu trong mạng thứ cấp nhằm tránh gây can nhiễu cho mạng sơ cấp Mạng thứ cấp đòi hỏi phải biết được thông tin phổ tần trống của mạng sơ cấp để truy cập vào những khe thời gian mạng sơ cấp không sử dụng, mạng thứ cấp luôn kiểm soát và liên tục cập nhật phổ tần của mạng sơ cấp nhằm tránh gây nhiễu cho người dùng sơ cấp
Hình 3.02: Mô hình truy cập phổ tần trống của công nghệ Interweave
Công nghệ Underlay là công nghệ chia sẽ phổ tần giữa những hệ thống mạng vô tuyến nhận thức với nhau Trong hệ thống đó, mạng thứ cấp không được cấp phép băng tần để sử dụng mà nó sử dụng phổ tần của mạng sơ cấp (mạng được cấp phép
31 băng tần để sử dụng) và hoạt động trong vùng của mạng sơ cấp nhưng vẫn đảm bảo không gây can nhiễu cho mạng sơ cấp Mạng thứ cấp đưa ra một cơ chế kiểm soát công suất phát ở một ngưỡng nhất định đồng thời vẫn đảm bảo được chất lượng truyền tin từ nguồn phát đến đích Trong mạng thứ cấp, người dùng sẽ sử dụng công nghệ trải phổ CDMA (đa truy nhập phân chia theo mã) hoặc UWB (siêu băng rộng) để chia sẽ phổ tần với người dùng sơ cấp đã được cấp phép bất kể người dùng sơ cấp có sử dụng hay không sử dụng phổ tần Kỹ thuật này đã nâng cao được hiệu suất sử dụng băng thông một cách đáng kể Nó giải quyết được vấn đề khan hiểm phổ tần mà trước giờ nhiều công trình nghiên cứu đã đề suất giải pháp tái sử dụng tần số nhưng chưa hiệu quả
Hình 3.03: Mô hình sử dụng phổ tần của công nghệ Underlay
Công nghệ Overlay là công nghệ chia sẻ phổ tần giữa mạng sơ cấp – mạng được cấp phép phổ tần hoạt động và mạng thứ cấp – không được cấp phép Mạng thứ cấp chỉ sử dụng phổ tần của mạng sơ cấp để truyền dữ liệu từ nguồn phát đến đích khi mà mạng sơ cấp không sử dụng Công nghệ này nó hạng chế thấp nhất can nhiễu cho mạng thứ cấp và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần Nhưng nó buộc phải lien tục kiểm phổ tần trống để nhảy vào sử dụng
Tần số Ngưỡng công suất phát
Hình 3.04: Mô hình sử dụng phổ tần của công nghệ Overlay.
Mạng Relay nhận thức
Hình 3.05: Mô hình mạng relay nhận thức
3.4.2 Chức năng của Relay trong mạng vô tuyến nhận thức:
Trong hệ thống mạng vô tuyến, việc lắp đặt trạm thu phát sóng cần được tối ưu nhằm tiết kiệm được chi phí đồng thời vẫn đảm bảo chất lượng truyền Sử dụng giải pháp relay trung gian – nó như một trạm thu phát sóng di động để chuyển tiếp dữ liệu.Khi khoảng cách truyền tin giữa trạm thu phát sóng quá xa, hệ thống không đáp
Người dùng thứ cấp Công suất phát
Tần số Người dùng sơ cấp
33 ứng được chất lượng truyền nhận dữ liệu, tỉ số tín hiệu trên nhiễu xuống mức quá thấp, tỉ lệ bit lỗi lên quá cao, đến mức máy thu không thể tái tạo được tín hiệu gốc thì relay đóng vai trò trung gian để chuyển tiếp tín hiệu một cách hiệu quả, nó đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật trên Trong mạng sẽ luôn có một relay có tỉ số tín hiệu trên nhiễutốt nhất để chuyển đến đích, làm giảm đáng kể suy hao trên đường truyền, hạn chế ảnh hưởng của nhiễu tác động, giảm công suất thu phát giữa 2 đầu cuối, đảm bảo được chất lượng truyền tin
CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỌN RELAY TRONG MẠNG RELAY NHẬN THỨC NỀN
Phương pháp Nth Best – RS
Xét một hệ thống mạng relay nhận thức (CRN – Cognitive Relay Network) trong đó mạng thứ cấp hoạt động đồng thời với mạng sơ cấp, mạng thứ cấp hoạt động nhờ sự hổ trợ của các relay chuyển tiếp, như mô tả ở Hình 4.01 Mạng sơ cấp được cấp phép một băng tần để sử dụng còn mạng thứ cấp thì không nó sử dụng phổ tần của mạng sơ cấp bất chấp mạng sơ cấp có cho phép hay không, chính vì thế nó phải làm việc ở chế độ nền (U – Underlay) nhằm tránh gây can nhiễu cho mạng sơ cấp đồng thời vẫn đảm bảo chất lượng truyền Hệ thống mạng gồm các thành phần sau:
Nguồn thứ cấp (SS – Secondary Source), đích nhận thứ cấp (SD – Secondary Destination), chuyển tiếp (R – Relay) và nguồn sơ cấp (PU – Primary User) Mạng hoạt động truyền tín hiệu từ nguồn SS đến đích nhận SD thông qua K relay (k =
1…K) ứng cử viên chuyển tiếp bằng giao thức Decode and Forward (DF) Độ lợi kênh truyền từ SS đến R và từ R đến SD ký hiệu là hSK và h KD , từ SS đến PU và từ R đến PU là kênh truyền can nhiễu, kí hiệu là h SP , h RP Tất cả các kênh truyền điều chịu suy nhiễu Gaussian trắng cộng có công suất N0 và Fading:
ℎ = (4.1) với α, d ij và X ij là mũ suy hao, khoảng cách giữa các node và hệ số nhiễu Fading
Công suất trung bình của kênh:
Mức công suất nhiễu cực đại mà mạng sơ cấp còn có thể chấp nhận được là I, từ điều kiện này thì mạng thứ cấp hoạt động ở một ngưỡng giới hạng là ≤ , nó được gọi là giới hạng nhiễu Công suất phát của nguồn SS và relay được cho bởi:
35 Ở pha thứ 1, tất cả các relay (K relay) sẽ lắng nghe kênh truyền tín hiệu từ nguồn SS gửi dữ liệu đến
Giả sử hiệu suất phổ tần của mạng SN là R (bit/sec/Hz), dung lượng kênh truyền:
Với điều kiện relay giải mã thành công là SNRSK ≥ k, khi tín hiệu đến các relay, nó sẽ tiến hành so sánh với ngưỡng γth đã được thiết lập trước xem có relay nào có SNR đạt mức này không, khi SNR không đạt nó sẽ không giải mã, còn relay nào có SNR đạt ngưỡng γth nó sẽ tiến hành giải mã dữ liệu
Pha thứ 2, các relay giải mã thành công sẽ mã hóa lại dữ liệu và gửi đến SD, relay có SNR lớn nhất tại vị trí thứ Nth đã được thiết lập sẵn sẽ được chọn làm relay chuyển tiếp
Hình 4.01: Mô hình mạng relay nhận thức sử dụng phương pháp Nth Best – RS h kp h sk h Nth
4.1.2 Phân tích xác suất dừng của phương pháp Nth Best – RS:
Công thức tổng xác suất dừng của phương pháp Nth Best – RS: đặt = và
Công thức tổng xác suất dừng (4.9) là xác suất mà relay được chọn làm chuyển tiếp nhưng không đạt mức SNR để đích SD có thể giải mã thành công tín hiệu của nguồn SS
Từ SNR của relay được chọn: ( , )| |
, ta xét 2 trường hợp xảy ra của là < và >
Trường hợp < giá trị SNRsi phụ thuộc vào ℎ và SNR si độc lập nên không lấy trị trung bình
Trường hợp còn lại > dẫn đến giá trị của SNRsi không độc lập nên đặt t ℎ và lấy trung bình theo ℎ ta được:
Tính P out1 : với = E h = ta được:
Tương tự như trường hợp xác định , ta cũng đặt t = ℎ và xét 2 trường hợp < và > của ( , )| |
Kết quả thu được khi (4.13) + (4.14):
Phương pháp R – RS
Phương pháp này ta cũng xét hệ thống mạng relay nhận thức nền có các đặc tính về kênh truyền Fading, nhiễu Gaussian và tham số đầu vào giống như ở phương pháp Nth Best – RS nhưng cách chọn relay thì có một điểm khác Ở pha thứ 1, các relay sẽ lắng nghe kênh truyền gửi dữ liệu của SS đến, khi dữ liệu đến các relay sẽ so sánh SNR với ngưỡng = 2 ∗ −1, điều kiện giả mã thành công, với điều kiện này chỉ có relay đạt mức SNR lớn hơn γ th mới giải mã và trở thành ứng cử viên chuyển tiếp Ở pha thứ 2, các relay có mức SNR đạt ngưỡng và giải mã thành công sẽ mã hóa lại dữ liệu và chuyển đến SD Tại đây, relay có mức SNR cao nhất trong số các relay đã gửi dữ liệu đến sẽ được chọn làm relay chuyển tiếp Như vậy, ở phương pháp này relay được chọn làm chuyển tiếp là relay có SNR lớn nhất trong số những relay có SNR đạt mức ngưỡng giải mã thành công
Hình 4.02: Mô hình mạng relay nhận thức sử dụng phương pháp R – RS
4.2.2 Phân tích xác suất dừng của phương pháp R – RS:
Công thức tổng xác suất dừng (4.17) của phương pháp R – RS là xác suất mà relay được chọn làm chuyển tiếp để gửi dữ liệu đến SD nhưng có mức SNR không đạt để SD có thể giải mã thành công tín hiệu của SS: đặt t = |ℎ |
Xác suất dừng Tính P out1 : = [ < , ( ) =∅] = [ < ] (4.18)
= + + + (4.27) Kết quả thu được khi (4.19) + (4.23):
4.2.3 Phân tích xác suất dừng khi γ R ≠ γ D ở 2 pha:
Ta cũng xét các điều kiện và tham số đầu vào giống với phân tích trên chỉ khác là ở phân tích trên ta cho γ R = γ D thì ở phân tích này γ R ≠ γ D Nhằm đưa ra khác biệt giữa 2 trường hợp này:
Tính P out1 : ta lấy kết quả ở (4.19):
Vậy xác suất của phương pháp R – RS khi γ R ≠ γ D : (4.30) + (4.35)
Phương pháp P - RS
Xét hệ thống mạng relay nhận thức nền trong đó mạng thứ cấp và sơ cấp cùng tồn tại và hoạt động ở cùng một băng tần Mạng thứ cấp (SN – Secondary Network) hoạt động dưới một mức ngưỡng cho phép của mạng sơ cấp (PN – Primary Network) nhằm tránh gây can nhiễu cho mạng sơ cấp Việc truyền dữ liệu từ nguồn SS đến đích SD nhờ sự hỗ trợ của K relay ứng cử viên chuyển tiếp Giả sử mạng
47 thứ cấp chịu tác động của kênh truyền Rayleigh Fading và nhiễu AWGN Hệ số kênh truyền giữa các tuyến là ℎ = , với i, j Є (s, d, 1, …K), X ij , d ij , α là hệ số nhiễu, khoảng cách giữa các nodes và hàm mũ suy hao của kênh Fading Công suất phát tại SS, relay và tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại relay và SD là:
(4.44) Dung lượng ở mạng thứ cấp được cho bởi:
Hiệu suất phổ tần của mạng là R, γ th = 2 2R – 1 (4.46)
Cách chọn relay chuyển tiếp ở phương pháp này có sự khác biệt hoàn toàn với phương pháp Nth Best – RS và R – RS:
Khi tín hiệu gửi tới từ nguồn SS, tất cả các relay sẽ tiến hành giải mã dữ liệu và mã hoá rồi chuyển chúng đến SD Tại đây, relay được chọn là relay có giá trị cực đại trong số những giá trị min giữa nguồn SS đến relay và relay đến SD của tất cả các relay Từ đó SD sẽ tiến hành giải mã tín hiệu và relay tương ứng với giá trị cực đại đó là relay chuyển tiếp Chỉ số của relay được chọn làm chuyển tiếp cho bởi công thức (4.47):
Hình 4.03: Mô hình mạng relay nhận thức sử dụng phương pháp P – RS
4.3.2 Phân tích xác suất dừng của phương pháp P – RS: Đặt: = , |ℎ | ,
KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
Kết quả mô phỏng phương pháp Nth Best – RS
5.1.1 Kết quả theo hiệu suất phổ tần R:
Trong phần đánh giá này, ta lấy kết quả mô phỏng theo hiệu suất phổ tần R qua kênh truyền như sau: công suất nhiễu cực đại cho phép của PU là I = 15dB, công suất phát của nguồn SS là P = 35dB, hàm mũ suy hao của kênh truyền Fading là α 3, công suất nhiễu AWGN là N 0 = 1dB, tọa độ của người dùng trong mạng SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), R(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3) – Hình 5.01, số relay tham gia vào mạng lần lượt xét K = 1, 3 và 5, khoảng cách giữa SS với relay, PU và SD là không đổi Chỉ khác là hiệu suất phổ tần xét trong khoảng 1 bits/sec/Hz đến 8 bits/sec/Hz
Hình 5.01: Tọa độ của các người dùng trong hệ thống mạng
Kết quả ở Hình 5.02, cho thấy xác suất dừng tăng khi hiệu suất phổ tần R tăng, nó tăng mạnh trong khoảng hiệu suất phổ tần từ R = 1 bits/sec/Hz đến 4 bits/sec/Hz, đạt mức cao nhất và cũng là xác suất dừng bão hòa bắt đầu ở hiệu suất phổ tần R 5 bits/sec/Hz Khi đạt mức này thì không có relay nào đạt mức ngưỡng để giải mã tín hiệu của SS gửi đến Điều này hợp lý, khi ngưỡng = 2 −1 tăng làm cho số
51 lượng relay có SNR đạt mức ngưỡng giảm xuống nhanh chóng, số lượng relay trở thành ứng cử viên để SD chọn làm chuyển tiếp sẽ giảm
Hình 5.02: Kết quả mô phỏng Nth Best – RS theo hiệu suất phổ tần R
Ta xét từng trường hợp của K, với K = 1 (mạng chỉ có duy nhất 1 relay) xác suất mà SNR của relay nhỏ hơn ngưỡng = 2 −1 cao đồng nghĩa SNR tại relay quá thấp nên nó không thể giải mã Khi K = 3 số lượng relay tham gia vào mạng làm ứng cử viên chuyển tiếp tăng, tức xác suất của relay có SNR lớn hơn ngưỡng
= 2 −1 tăng, số relay đạt ngưỡng để giải mã tăng nên xác suất dừng giảm
Tương tự, khi K = 5 số lượng relay đạt ngưỡng giải mã thành công tăng nên xác suất dừng giảm so với K = 1 và K =3 Mạng có nhiều cơ hội để chọn được relay chuyển tiếp đến SD hơn Một điều đặc biệt là trong khoảng R = 2 bits/sec/Hz đến 5 bits/sec/Hz thì xác suất dừng của K = 1 so với K = 3 và K = 5 cho kết quả ngược lại, ở khoảng này xác suất dừng của K = 1 tốt hơn K = 3 và K =5 Nguyên nhân: với K
= 1 – hệ thống mạng chỉ có duy nhất 1 relay nên nó luôn được chọn làm relay chuyển tiếp còn K = 3 và K = 5 thì khi đạt mức hiệu suất phổ tần R = 2 bits/sec/Hz dữ liệu từ SS gửi đến relay với hiệu suất cao hơn, các relay có SNR bắt đầu dưới ngưỡng γ th nên nó không thể giải mã thành công
Spectral Efficiency (bits/sec/Hz) Nth Best Relay Selection
5.1.2 Kết quả theo công suất phát cực đại P/N 0 của nguồn SS: Ở phần kết quả này, xét công suất phát của nguồn SS trong khoảng P = 0dB – 35dB, cố định các tham số: công suất nhiễu cực đại cho phép của PU là I = 15dB, hàm mũ suy hao của kênh truyền Fading α = 3, công suất nhiễu AWGN là N0 = 1dB, hiệu suất phổ tần R = 1 bits/sec/Hz, tọa độ của SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), R(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3) – Hình 5.01, khoảng cách giữa SS với relay, PU và SD là không đổi, số relay tham gia K = 1, 3 và 5
Từ kết quả ở Hình 5.03, trong khoảng công suất phát của nguồn SS từ 0dB đến 15dB ta thấy OP giảm nhanh từ 10 0 xuống gần 10 -3 và ở mức công suất 20dB thì OP bắt đầu bão hòa, cho dù ta có tăng công suất phát của SS đến 35dB thì OP vẫn ở mức tiệm cận 10 -3 Nguyên nhân, công suất của SS tăng nhưng nó vẫn phải nằm ở mức ngưỡng cho phép của PU, = (
| | , ) , điều này đảm bảo SS không thể phát công suất vượt mức cho phép của PU
Số lượng relay tham gia vào mạng là nhân tố chính quyết định đến xác suất dừng – chọn được hoặc không chọn được relay của mạng – số relay tăng lên làm cho OP giảm và ngược lại Khi số relay tham gia vào mạng tăng đồng nghĩa với số lượng relay đạt mức ngưỡng γth tăng theo, nó tạo thành một tập m tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại các relay Vì N và m thuộc tập từ 1 đến K, trong đó N cố định, m chạy trong khoảng 1 đến K nên khi K nhỏ dẫn đến m cũng nhỏ, xác suất N không thuộc khoảng 1 đến m cao và ngược lại khi K tăng thì xác suất N thuộc khoảng 1 đến m tăng Khi N thuộc tập m, SD sẽ chọn ra trong tập m một tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại vị trí thứ N làm relay chuyển tiếp Số relay ứng cử viên tham gia càng nhiều thì cơ hội chọn được 1 relay chuyển tiếp càng cao Điều này thấy rõ ở Hình 5.03, đồ thị ứng với K
= 1 có xác suất dừng nằm trong khoảng 10 -1 đến 10 0 , mức xác suất dừng thấp nhất mà mạng có thể đạt và bão hòa là tiệm cận 10 -1 , K = 3 thì xác suất dừng giảm nhanh từ 10 0 xuống gần 10 -2 trong khoảng 0dB đến 15dB, đạt mức bão hòa và tiệm cận ở 10 -2 Khi số lượng relay tăng lên K = 5, thì xác suất dừng giảm từ 10 0 xuống đến gần 10 -3 rồi bão hòa Khoảng xác suất dừng mà mạng giảm được của K = 5 so với K
= 1 là 10 -2 và so với K = 3 là 10 -1 Trong khoảng công suất từ 0dB đến 5dB xác suất dừng của K = 3 cao hơn K = 1 do ở mức công suất này nhiều relay có mức SNR không đạt mức γth – mức mà relay có thể có thể giải mã được, đối với K = 1 thì
53 mạng luôn chọn bất chấp SNR có đạt ngưỡng hay không vì nó là duy nhất, chính điều này cũng là nhược điểm lớn dẫn đến SD sẽ không giải mã được khi SNR quá thấp, còn khi K tăng sẽ có nhiều relay có mức SNR đạt ngưỡng γth hơn và lên đến số lượng K nhất định thì khả năng chọn được relay sẽ cao, đồng nghĩa với OP thấp
Hình 5.03: Kết quả mô phỏng Nth Best – RS theo P/N 0 của nguồn SS
5.1.3 Kết quả theo công suất nhiễu cực đại I/N 0 cho phép của PU:
Trường hợp này, ta lấy kết quả theo công suất nhiễu cực đại cho phép của PU: I 0dB – 35dB, cố định các tham số: công suất phát cực đại của nguồn SS là P = 15dB, hàm mũ suy hao của kênh truyền Fading α = 3, công suất nhiễu AWGN là N0 1dB, hiệu suất phổ tần R = 1 bits/sec/Hz, tọa độ của SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), relay(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3) – Hình 5.01, số relay tham gia vào mạng K = 1, 3, 5, khoảng cách giữa SS với relay, PU và SD là không đổi
Từ kết quả ở Hình 5.04, cho thấy trong khoảng công suất từ 0dB đến 30dB xác suất dừng giảm mạnh và đạt ngưỡng bảo hòa ở mức công suất 30dB, nghĩa là ở khoảng 30dB xác suất dừng không giảm nữa bất chấp I/N0 tăng và công suất ngưỡng để xác suất dừng đạt mức bảo hòa tăng lên 30dB (so với kết quả lấy theo P/N0 là 20dB)
P/N0 - Ratio of Transmission Power to Noise Variance (dB)
Hình 5.04: Kết quả mô phỏng Nth Best – RS theo I/N 0 cực đại của PU Điều quan trong nhất là xác suất dừng ở mạng thứ cấp tỉ lệ nghịch với số lượng relay chuyển tiếp, khi số lượng relay tăng thì xác suất dừng giảm Cụ thể với trường hợp K = 1 và K = 3 thì OP cũng lần lượt giảm từ 10 0 xuống 10 -2 và từ 10 0 xuống 10 -
3 , K = 5 thì OP giảm nhanh trong khoảng từ 10 0 xuống 10 -5 Một điểm cần lưu ý là ở khoảng 0dB đến 5dB thì xác suất dừng của K = 1 lại nhỏ hơn K = 3 vì ở mức công suất này gần như toàn bộ các relay đều có SNR không đạt mức ngưỡng để có thể giải mã thành công, riêng trường hợp K = 1 relay sẽ luôn được chọn nên OP thấp hơn Đến một số lượng relay nhất định thì OP của nó sẽ giảm xuống mức thấp hơn trường hợp K = 1 So với trường hợp lấy theo công suất phát của SS thì kết quả lấy theo công suất phát cực đại cho phép của PU cho kết quả tốt hơn, OP xuống mức tiệp cận 10 -6 và công suất nhiễu cực đại cho phép của PU cũng tăng theo, nó lên đến 30dB mới bắt đầu bảo hòa
Phương pháp R – RS
5.2.1 Kết quả theo hiệu suất phổ tần R:
Tương tự như phương pháp Nth Best, kết quả phương pháp này ta lấy các tham số đầu vào như sau: công suất phát cực đại của nguồn SS xét trong khoảng P = 0dB – 35dB, công suất nhiễu cực đại cho phép của PU là I = 15dB, hàm mũ suy hao của kênh truyền Fading α = 3, công suất nhiễu AWGN là N0 = 1dB, tọa độ của SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), R(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3) – Hình 5.05, hiệu suất phổ tần R 1 bits/sec/Hz, số relay tham gia vào mạng K = 1, 3 và 5, khoảng cách giữa SS với relay, PU và SD là không đổi
Hình 5.05: Tọa độ của các người dùng trong hệ thống mạng
Kết quả ở Hình 5.06, cho thấy xác suất dừng tăng nhanh trong khoảng hiệu suất phổ tần R = 1 bits/sec/Hz đến R = 4 bits/sec/Hz, đến R = 5 bits/sec/Hz xác suất dừng đạt mức tối đa, OP = 1 Ở mức này không có relay nào có SNR đạt ngưỡng γth để giải mã tín hiệu của SS Điều này chứng tỏ khi hiệu suất kênh truyền càng lớn thì khả
56 năng khôi phục tín hiệu tại SD càng thấp Số lượng relay tham gia vào mạng làm chuyển tiếp quyết định xác suất chọn được relay chuyển tiếp của mạng, số lượng K càng lớn thì mức xác suất dừng càng thấp, nghĩa là khả năng giải mã tín hiệu ở relay càng cao và tín hiệu ở SD được khôi phục thành công tăng Ngược lại khi số relay tham gia vào mạng càng giảm thì khả năng có relay giải mã thành công để chuyển dữ liệu đến SD càng thấp Cụ thể ta xét K = 1 mức xác suất dừng khi R = 1 bits/sec/Hz nằm trong khoảng 10 -1 đến 10 0 , K = 3 và R = 1 bits/sec/Hz nằm trong khoảng 10 -3 đến 10 -2 , K = 5 và R = 1 bits/second/Hz xác suất dừng nằm trong khoảng 10 -4 đến 10 -3
Hình 5.06: Kết quả mô phỏng R – RS theo hiệu suất phổ tần R
5.2.2 Kết quả theo công suất phát cực đại P/N 0 của nguồn SS:
Giống kết quả ở Hình 5.06, ta lấy các tham số đầu vào như sau: công suất phát cực đại của nguồn SS thay đổi trong khoảng P = 0dB – 35dB, công suất nhiễu cực đại cho phép của PU là I = 15dB, hàm mũ suy hao của kênh truyền Fading α = 3, công suất nhiễu AWGN là N0 = 1dB, hiệu suất phổ tần R = 1 bits/sec/Hz, tọa độ của SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), R(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3) – Hình 5.05, số relay
Spectral Efficiency (bits/sec/Hz) Reactive Relay Selection
57 tham gia vào mạng là K = 1, 3 và 5, khoảng cách không đổi giữa SS với relay, PU và SD
Hình 5.07: Kết quả mô phỏng R – RS theo P/N 0 của nguồn SS
Kết quả mô phỏng ở Hình 5.07, cho thấy xác suất dừng giảm nhanh từ 10 0 xuống 10 -4 ở khoảng công suất phát của SS từ 0dB đến 15dB, đạt ngưỡng bão hòa ở khoảng 20dB Khi công suất càng tăng thì xác suất dừng càng giảm và tiệm cận bão hòa ở mức công suất 20dB – tức là từ khoảng công suất 20dB trở lên thì xác suất dừng không đổi cho dù có tăng công suất phát đến 35dB Số lượng relay tham gia vào hệ thống mạng quyết định xác suất chọn được relay chuyển tiếp của hệ thống
Khi số relay tăng thì xác suất dừng sẽ giảm đáng kể vì tín hiệu gửi từ nguồn SS đến K relay nên ta sẽ có 1 tập các SNR tại đây, tập này phụ thuộc vào ngưỡng γth cho trước, nếu đạt mức ngưỡng γth tức nó giải mã thành công tín hiệu nhận được của SS và trở thành ứng cử viên chuyển tiếp cho SD Tập này càng lớn thì càng có nhiều cơ hội chọn được 1 relay giải mã thành công Cụ thể ở mức K = 1 thì xác suất dừng nằm trong khoảng 10 0 đến 10 -1 , K = 3 cho xác suất dừng giảm mạnh và nằm trong khoảng 10 0 đến 10 -3 , đạt mức giảm xác suất dừng khoảng 10 -2 so với K = 1, K = 5
P/N0 - Ratio of Transmission Power to Noise Variance (dB)
58 thì tỉ lệ này càng rõ hơn, nó nằm trong khoảng 10 0 đến 10 -4 tức mức xác suất dừng giảm được khoảng 10 -3 so với K = 1
5.2.3 Kết quả theo công suất nhiễu cực đại I/N 0 cho phép của PU:
Kết quả này ta cho công suất nhiễu cực đại cho phép của PU thay đổi trong khoảng I = 0dB – 35dB và cố định công suất phát cực đại của nguồn SS là P = 15dB, hàm mũ suy hao của kênh truyền Fading α = 3, công suất nhiễu AWGN là N0 = 1dB, tọa độ của SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), R(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3) – Hình 5.05, hiệu suất phổ tần R = 1 bits/sec/Hz, khoảng cách của SS đến relay, SD và PU là không đổi, số relay tham gia vào mạng K = 1, 3 và 5
Hình 5.08: Kết quả mô phỏng R – RS theo I/N 0 cực đại của PU
Từ kết quả ở Hình 5.08, cho thấy xác suất dừng giảm nhanh từ 10 0 xuống 10 -8 ở khoảng công suất nhiễu cực đại cho phép của PU từ 0dB đến 25dB, đạt mức bão hoà ở khoảng 35dB, tức khi công suất nhiễu cực đại cho phép của PU lên trên 35dB thì xác suất dừng vẫn không đổi và tiệm cận 10 -8 Khi K = 1 xác suất dừng nằm trong khoảng 10 -2 đến 10 0 , K = 3 xác suất dừng nằm trong khoảng 10 -5 đến 10 0 và khi K = 5 thì xác suất dừng từ 10 -8 đến 10 0 Điều này chứng tỏ số lượng relay tham gia vào làm ứng cử viên chuyển tiếp là nhân tố quyết định xác suất dừng của mạng,
I/N0 - Ratio of Maximum Interference Power to Noise Variance (dB)
59 khi K tăng thì xác suất dừng giảm và ngược lại khi K giảm thì xác suất dừng tăng Ở đây ta cũng thấy được công suất nhiễu tăng lên đến 30dB thì xác suất dừng mới bắt đầu bão hòa
5.2.4 Đánh giá phương pháp R – RS:
Qua 3 kết quả mô phỏng ta thấy được khi cho công suất ngưỡng nhiễu của PU thay đổi và cố định các tham số còn lại kết quả xác suất dừng – không chọn được relay là thấp hơn hết, nó có thể tiệm cận 10 -8 Phương pháp này luôn đảm bảo relay giải mã mới chuyển tín hiệu đến SD Nó là giải pháp tối ưu khi SNR tại relay xuống quá thấp, tuy nhiên mất nhiều thời gian xử lý để chọn relay chuyển tiếp.
Phương pháp P – RS
5.3.1 Kết quả theo hiệu suất phổ tần R:
Tương tự phương pháp Nth – RS và R – RS, các tham số đầu vào khi lấy kết quả theo hiệu suất phổ tần ở phương pháp này như sau: hiệu suất phổ tần R chạy trong khoảng 1 bits/sec/Hz đến 8 bits/sec/Hz, công suất phát cực đại của nguồn SS là P 35dB, công suất nhiễu cực đại cho phép của PU là I = 15dB, hàm mũ suy hao của kênh truyền Fading α = 3, công suất nhiễu AWGN là N0 = 1dB, tọa độ của SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), R(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3) – Hình 5.09, khoảng cách giữa SS với relay, PU và SD là không đổi, số relay tham gia vào mạng là K = 1, 3 và 5
Hình 5.09: Tọa độ của các người dùng trong hệ thống mạng
60 Từ kết quả ở Hình 5.10, cho thấy xác suất dừng tăng nhanh liên tục trong khoảng hiệu suất phổ tần R = 1 bits/sec/Hz – 4 bits/sec/Hz, đạt mức bão hòa ở R = 5 bits/sec/Hz – mức mà không có relay nào giải mã thành công tín hiệu của SS gửi đến Điều này chứng tỏ khi tăng hiệu suất phổ tần dẫn đến khả năng giải mã thành công của relay sẽ giảm và xác suất dừng sẽ tăng, càng tăng R thì xác suất dừng càng tăng, tăng đến mức không có relay nào có thể giải mã thành công, lúc đó xác suất dừng bằng 1 – không chọn được relay để chuyển tiếp Số lượng relay tham gia vào mạng là nhân tố quyết định xác suất dừng, khi số lượng K lớn thì xác suất dừng ở mức thấp và ngược lại số lượng K nhỏ thì xác suất dừng sẽ cao Cụ thể, ta xét K = 1 xác suất dừng thấp nhất mạng có thể đạt khoảng 10 -1 , K = 3 xác suất dừng khoảng 10 -3 đến 10 -2 , K = 5 xác suất dừng gần bằng 10 -4 Ở đây ta cũng thấy khi số lượng K càng giảm thì độ chênh lệch xác suất dừng giữa các K càng tăng, tức K = 5 chênh lệch so với K = 3 khoảng 10 -1 , K = 3 so với K = 1 khoảng 10 -2 Nguyên nhân: khi số lượng relay tham gia vào mạng lớn dẫn đến có nhiều khả năng chọn được relay có thể giải mã thành công tín hiệu của SS
Hình 5.10: Kết mô phỏng P – RS theo hiệu suất phổ tần R
Spectral Efficiency (bits/second/Hz) Proactive Relay Selection
5.3.2 Kết quả theo công suất phát cực đại P/N 0 của nguồn SS:
Tương tự như lấy kết quả theo R ở Hình 5.10, kết quả này ta xét các tham số đầu vào của mạng như sau: cho công suất phát của nguồn SS chạy trong khoảng P 0dB – 35dB, công suất nhiễu cực đại cho phép của PU là I = 15dB, hàm mũ suy hao của kênh truyền Fading α = 3, hiệu suất phổ tần R = 1 bits/sec/Hz, nhiễu AWGN là N 0 = 1dB, tọa độ của SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), R(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3), , số relay tham gia vào mạng là K = 1, 3 và 5, khoảng cách giữa SS với relay, PU và SD là không đổi
Hình 5.11: Kết quả mô phỏng P – RS theo P/N 0 của nguồn SS
Kết quả ở Hình 5.11 cho thấy, ở khoảng 0dB xác suất dừng của mạng dưới mức 10 0 , xác suất dừng bắt đầu giảm nhanh khi công suất của nguồn SS bắt đầu tăng từ 0dB đến 15dB, từ 15dB đến 20dB xác suất dừng bắt đầu giảm chậm lại và tiệm cận với 10 -4 , sau khoảng 20dB thì xác suất dừng bão hòa cho dù công suất có tăng lên đến mức 35dB Khi số lượng relay tăng lên thì xác suất dừng bắt đầu giảm nhanh chóng, ở K = 1 xác suất dừng nằm trong khoảng từ 10 0 xuống 10 -1 , K = 3 xác suất dừng giảm từ 10 0 xuống 10 -3 , K = 5 xác suất dừng giảm nhanh chóng từ khoảng 10 0 xuống 10 -4 , mức xác suất dừng giảm được của K = 5 so với K = 1 khoảng 10 -3 Điều
P/N0 - Ratio of Transmission Power to Noise Variance (dB)
62 này chứng tỏ khi K càng tăng thì mức xác suất dừng giảm càng mạnh Nguyên nhân: khi số lượng relay tăng sẽ có nhiều relay giải mã thành công tín hiệu của SS nên xác suất dừng của mạng sẽ giảm
5.3.3 Kết quả theo công suất nhiễu cực đại I/N 0 cho phép của PU: Ở kết quả này ta xét các tham số đầu vào của mạng như sau: công suất phát cực đại của SS là P = 15dB, hàm mũ suy hao của kênh truyền Fading α = 3, công suất nhiễu AWGN là N 0 = 1dB, hiệu suất phổ tần R = 1 bits/sec/Hz, tọa độ của SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), R(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3) – Hình 5.09, khoảng cách giữa SS với relay, PU và SD là không đổi và số relay tham gia vào mạng là K = 1, 3 và 5
Chỉ khác so với kết quả ở Hình 5.10 và Hình 5.11 là cho công suất nhiễu cực đại cho phép của PU là I = 0dB – 35dB
Hình 5.12: Kết quả mô phỏng P – RS theo I/N 0 cực đại của PU
Kết quả mô phỏng ở Hình 5.11, cho thấy xác suất dừng của mạng giảm nhanh liên tục ở mức công suất nhiễu cực đại cho phép I = 0dB – 25dB, đến 30dB là bắt đầu bão hoà Tức ở mức 30dB thì xác suất dừng không đổi bất chấp công suất nhiễu cực đại I tăng Số lượng relay tham gia vào mạng quyết định xác suất dừng của mạng
Khi K = 1 xác suất dừng giảm trong khoảng từ 10 0 xuống 10 -2 , K = 3 xác suất dừng
I/N0 - Ratio of Maximum Interference Power to Noise Variance (dB)
63 giảm từ 10 0 xuống 10 -5 , K = 5 xác suất dừng giảm từ 10 0 xuống gần 10 -8 Độ chênh lệch xác suất dừng giữa các K tăng dần khi công suất nhiễu cực đại I tăng, nó tăng trong khoảng 0dB đến 30dB Độ chênh lệch này bắt đầu bão hòa khi công suất nhiễu cực đại của PU đạt mức 30dB Nguyên nhân: khi K tăng số lượng relay giải mã thành công tín hiệu của SS tăng theo nên xác suất dừng giảm
5.3.4 Đánh giá phương pháp P – RS:
Từ các kết quả mô phỏng và phân tích phương pháp P – RS cho thấy xác suất dừng của phương pháp này phụ thuộc chủ yếu vào số lượng relay tham gia vào mạng Khi ta lấy kết quả theo hiệu suất phổ tần R và công suất phát của SS thì xác suất dừng ở mức cao hơn lấy kết quả theo nhiễu cực đại cho phép của PU
Phương pháp này luôn chọn giá trị cực đại nên xác suất dừng của nó thấp, tuy nhiên do không thiết lập ngưỡng giải mã thành công nên khả năng giải mã sai của relay sẽ dẫn đến tín hiệu tại SD sẽ giải mã sai theo Nhìn chung, phương pháp P – RS là một giải pháp tốt cho việc lựa chọn relay có SNR lớn nhất.
So sánh các kết quả mô phỏng của các phương pháp
5.4.1 So sánh phương pháp Nth Best – RS và R – RS:
Kết quả theo công suất phát cực đại P/N 0 của nguồn SS:
Phần kết quả so sánh này ta lấy các tham số đầu vào của mạng như sau: cho công suất phát của nguồn SS chạy trong khoảng 0dB đến 35dB, công suất nhiễu cực đại cho phép của PU là I = 15dB, hàm mũ suy hao của kênh truyền Fading α = 3, công suất nhiễu AWGN là N0 = 1dB, hiệu suất phổ tần R = 1 bits/sec/Hz, tọa độ của SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), R(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3) – Hình 5.01, khoảng cách giữa SS đến relay, PU và SD là không đổi, số relay tham gia vào mạng là K = 5
Từ kết quả Hình 5.13, ta thấy phương pháp Nth Best – RS có xác suất dừng cao hơn phương pháp R – RS, Nth Best – RS nằm trong khoảng 10 -3 đến 10 -2 còn R – RS tiệm cận 10 -4 Xác suất dừng của cả 2 phương pháp bắt đầu bão hoà ở công suất của nguồn SS khoảng 20dB, sau khoảng này gần như xác suất của nó không đổi Độ chênh lệch xác suất dừng của 2 phương pháp khoảng 10 -2 ,khi công suất của nguồn SS ở mức 0dB thì độ chênh lệch thuộc khoảng 10 -1 đến 10 0 và ở mức 20dB thì độ chênh lệch này tăng lên thuộc khoảng 10 -4 đến 10 -2 , càng tăng công suất thì độ chênh lệch xác suất dừng càng cao và tiến đến xác suất dừng bão hoà ở mức công
64 suất của nguồn SS khoảng 20dB Số lượng relay tham gia vào mạng ở cả 2 phương pháp là nhân tố quyết định xác suất dừng của nó Từ các phân tích cho thấy, phương pháp Nth Best – RS chỉ lấy SNR ở vị trí thứ N chưa tối ưu được như phương pháp R – RS lấy giá trị cực đại Phương pháp Nth Best – RS sẽ về tiệm cận với phương pháp R – RS khi N tiến về 1
Hình 5.13: So sánh kết quả mô phỏng Nth – RS với R – RS theo P/N 0 của nguồn SS
Kết quả theo công suất nhiễu cực đại I/N 0 cho phép của PU:
Kết quả ở Hình 5.14, cho thấy khi ta lấy kết quả theo công suất nhiễu cực đại cho phép của PU thì xác suất của cả 2 đều giảm mạnh Tuy nhiên, phương pháp R – RS vẫn cho xác suất dừng tốt hơn phương pháp Nth Best – RS, R – RS có tiệm cận 10 -8 còn Nth Best tiệm cận 10 -6 Khi công suất nhiễu cực đại cho phép của PU là I tăng thì độ chênh lệch cũng bắt đầu tăng theo, ở mức 0dB không đáng kể, khi I đạt mức khỏng 30dB thì độ chênh lệch giữa 2 phương pháp khoảng 10 -2
P/N0 - Ratio of Power Transmission to Noise Variance(dB)
Hình 5.14: So sánh kết quả mô phỏng Nth – RS với R – RS theo I/N 0 cực đại của PU
5.4.2 So sánh phương pháp Nth Best – RS và P – RS:
Kết quả theo công suất phát cực đại P/N 0 của nguồn SS: Ở kết quả so sánh này ta lấy các tham số đầu vào như sau: cho công suất phát của nguồn SS chạy trong khoảng 0dB đến 35dB, công suất nhiễu cực đại cho phép của PU là I = 15dB, hàm mũ suy hao của kênh truyền Fading α = 3, công suất nhiễu AWGN là N 0 = 1dB, hiệu suất phổ tàn R = 1 bits/sec/Hz, tọa độ của SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), R(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3) – Hình 5.01, khoảng cách giữa SS đến relay, PU và SD là không đổi, số relay tham gia vào mạng là K = 5
Từ kết quả ở Hình 5.15, trong khoảng công suất P = 0dB – 10dB xác suất dừng của cả 2 phương pháp đều giảm nhanh, xác suất dừng của phương pháp P – RS tiệm cận 10 -4 trong khi xác suất dừng của phương pháp Nth Best – RS chưa đạt mức tiệm cận được 10 -3 ,xác suất dừng của Nth Best – RS và P – RS có sự chênh lệch khoảng 10 -2 Độ chênh lệch xác suất dừng của 2 phương pháp tăng dần khi công suất nguồn SS tăng, nó bão hòa ở mức công suất của SS khoảng 20dB Điều này cho thấy phương pháp P – RS cho kết quả tốt hơn Nth Best – RS
I/N0 - Ratio of Maximum Interference Power to Noise Variance(dB)
Hình 5.15: Kết quả mô phỏng Nth Best – RS với P – RS theo P/N 0 của nguồn SS
Kết quả theo công suất nhiễu cực đại I/N 0 cho phép của PU:
Hình 5.16, xác suất dừng của cả 2 phương pháp Nth Best – RS và P – RS giảm chậm trong khoảng công suất cực đại cho phép của PU từ 0dB đến 5dB, sau khoảng này xác suất dừng của cả 2 phương pháp bắt đầu giảm nhanh xuống tiệm cận lần lượt là 10 -6 và 10 -8 Giữa 2 phương pháp có sự chênh lệch xác suất dừng tăng theo I, tức càng tăng I thì xác suất dừng của phương pháp P – RS càng tiến xa phương pháp Nth Best – RS Mức chênh lệch cao nhất có thể đạt là 10 -3 ở khoảng I = 30dB, sau 30dB độ chênh lệch xác suất dừng gần như không đổi Mặt khác, công suất nhiễu cực đại cho phép của PU tăng lên 30dB thì xác suất dừng mới bắt đầu bảo hoà, còn ở kết quả lấy theo P xác suất dừng bắt đầu bảo hoà ở mức công suất của SS khoảng 20dB Xác suất dừng của cả 2 phương pháp có sự giảm đáng kể khi ta lấy kết quả theo công suất nhiễu nhiễu cực đại cho phép của PU, ở kết quả này cả 2 lần lượt đạt mức xác suất dừng tiệm cận 10 -6 và 10 -8
P/N0 - Ratio of Power Transmission to Noise Variance(dB)
Hình 5.16: So sánh kết quả mô phỏng Nth Best – RS với P – RS theo I/N 0 cực đại của PU
5.4.3 So sánh phương pháp R – RS và P – RS:
Kết quả theo công suất nhiễu cực đại I/N 0 cho phép của PU: γR = γD
Trong phần so sánh kết quả mô phỏng phương pháp R – RS và P – RS này, ta cho các tham số đầu vào như sau: công suất nhiễu cực đại cho phép của PU là I = 35dB, công suất phát của nguồn SS là P = 15dB, hàm mũ suy hao của kênh truyền Fading α = 3, công suất nhiễu AWGN là N0 = 1dB, tọa độ của SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), R(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3) – Hình 5.01, số relay xét K = 5, khoảng cách không đổi giữa SS đến relay, PU và DU Ở đây ta cho công suất ngưỡng giữa 2 pha: từ SS đến relay và relay đến SD là γ = γ = 2 −1 = 3dB, với hiệu suất phổ tần R = 1 bits/sec/Hz Kết quả ở Hình 5.17, cho thấy xác suất dừng của cả 2 phương pháp gần như không có sự chênh lệch Cả 2 phương pháp đều chọn giá trị SNR cực đại và điều kiện ngưỡng giải mã thành công ở 2 pha của phương pháp R – RS bằng với phương pháp P – RS nên xác suất dừng không có sự chênh lệch Độ chênh lệch xác suất dừng của 2 phương pháp:
I/N0 - Ratio of Maximum Interference Power to Noise Variance(dB) K = 5 - NthBest
Hình 5.17: So sánh kết quả mô phỏng R – RS với P – RS theo I/N 0 cực đại của PU khi γ R = γ D
Kết quả theo công suất phát cực đại P/N 0 của nguồn SS: γR < γD
Trường hợp này, ta lấy kết quả theo công suất phát cực đại của SS: cho công suất phát nguồn SS thay đổi trong khoảng P = 0dB – 35dB, công suất nhiễu cực đại cho phép của PU là I = 15dB, hàm mũ suy hao của Fading α = 3, công suất nhiễu AWGN là N 0 = 1dB, khoảng cách từ SS đến relay, PU và SD là không đổi, tọa độ của SS(0;0), PU(0.6;0.6), SD(1;0), R(0.4:0.1:0.8;0.1:0.05:0.3), số lượng K tham gia vào mạng là 5 Hiệu suất phổ tần ở pha thứ 1 là R R = 1 bits/sec/Hz, ở pha thứ 2 là R D = 1.5 bits/sec/Hz, công suất ngưỡng ở pha thứ 1 là = 2 −1 = 3 , công suất ngưỡng ở pha thứ 2 là = 2 −1 = 7 , đây là độ chênh lệch ngưỡng công suất giữa 2 pha Độ chênh lệch xác suất dừng của 2 phương pháp:
I/N0 - Ratio of Maximum Interference Power to Noise Variance (dB) K = 5 - Reactive
Hình 5.18: So sánh kết quả mô phỏng R – RS với P – RS theo P/N 0 của nguồn SS khi γ R < γ D
Từ kết quả mô phỏng ở Hình 5.18 và công thức (5.2) cho thấy độ chênh lệch xác suất dừng của 2 phương pháp phụ thuộc vào ngưỡng công suất ở 2 pha Khi γR < γD dẫn đến kết quả xác suất dừng của phương pháp R – RS tốt hơn xác suất dừng của phương pháp P – RS, xác suất dừng của phương pháp R – RS tiệm cận 10 -3 còn phương pháp P – RS chưa đạt được tiệm cận với mức 10 -3 Xác suất dừng của cả 2 phương pháp đều đạt ngưỡng bão hòa ở cùng mức công suất của nguồn SS là 20dB
Kết quả theo công suất phát cực đại P/N 0 của SS: γR > γD
Kết quả ở Hình 5.19 cho thấy xác suất dừng của phương pháp P – RS tốt hơn phương pháp R – RS Trong khoảng 0dB đến 15dB cả 2 phương pháp có xác suất dừng giảm nhanh, đến khoảng 20dB xác suất dừng của cả hai bắt đầu bão hoà Từ (5.3), khi cho ngưỡng γR > γD thì xác suất dừng của 2 phương pháp có sự thay đổi, điều này chứng tỏ khi ngưỡng γ R lớn dẫn đến nhiều relay ở phương pháp R – RS có SNR không đạt ngưỡng, còn phương pháp P – RS không bị ràng buộc ở ngưỡng γR mà chỉ xét γD nên xác suất dừng thấp Độ chênh lệch xác suất dừng giữa 2 phương
P/N0 - Ratio of Transmission Power to Noise Variance (dB)
Reactive, gama r = 3dB Proactive, gama d = 7dB
70 pháp tăng khi công suất P tăng, mức tăng này chỉ bão hoà khi cả 2 cùng bão hoà ở 20dB
Hình 5.19: So sánh kết quả mô phỏng R – RS với P – RS theo P/N 0 của nguồn SS khi γ R > γ D
Kết quả theo công suất nhiễu cực đại I/N 0 cho phép của PU: γR < γD
Xét trường hợp công suất ngưỡng ở pha thứ 1 và pha thứ 2 có sự chênh lệch: hiệu suất phổ tần của phương pháp P – RS là R D = 1.5bit/sec/Hz, công suất ngưỡng
= 2 ∗ = 7 Hiệu suất phổ tần ở pha thứ 1 của phương pháp R – RS là RR 1bit/sec/Hz, công suất ngưỡng pha thứ 1: = 2 ∗ = 3 , ở pha thứ 2 là RD 1.5 bits/sec/Hz, công suất ngưỡng pha thứ 2: = 2 ∗ = 7
Từ kết quả ở Hình 5.20, ta thấy xác suất dừng của phương pháp R – RS giảm nhanh hơn phương pháp P – RS, phương pháp R – RS tiệm cận 10 -7 , phương pháp P – RS tiệm cận 10 -6 Càng về ngưỡng bão hoà thì độ chênh lệch xác suất dừng giữa 2 phương pháp càng tăng rõ và đạt tiệm cận khoảng 10 -1 Từ công thức (5.4), ta thấy khi γR < γD dẫn đến ngưỡng xét điều kiện giải mã của phương pháp R – RS thấp nên
P/N0 - Ratio of Transmission Power to Noise Variance (dB)
Reactive, gama r = 7dBProactive, gama d = 3dB
71 số lượng relay có SNR đạt mức ngưỡng này tăng dẫn đến xác suất dừng của nó giảm Ngược lại, ở phương pháp P – RS có γ D lớn dẫn đến số lượng relay có SNR nhỏ hơn ngưỡng này tăng nên xác suất dừng của nó tang theo
Hình 5.20: So sánh kết quả mô phỏng R – RS với P – RS theo I/N 0 cực đại của PU khi γ R < γ D
Kết quả theo công suất nhiễu cực đại I/N 0 cho phép của PU: γR > γD
Ưu khuyết điểm của các phương pháp chọn Relay
o Phương pháp Nth Best – RS tạo sự công bằng giữa các người dùng khác nhau trong hệ thống mạng Multi hop o Phương pháp R – RS là giải pháp tối ưu khi SNR tại relay thấp, nó luôn chọn ra giá trị SNR lớn nhất Ở phương pháp này mất thời gian xử lý tại relay vì nó phải so sánh với ngưỡng giải mã Nếu trên ngưỡng thì nó mới giải mã tín hiệu của SS và ngược lại nó không làm gì cả o Phương pháp P – RS thời gian chọn relay diễn ra nhanh do các relay không phải so sánh với ngưỡng như ở phương pháp Nth Best – RS và R – RS Tuy nhiên, nó cũng là nhược điểm: nếu relay được chọn giải mã sai tín hiệu của nguồn SS sẽ kéo theo tín hiệu tại SD giải mã sai
I/N0 - Ratio of Maximum Interference Power to Noise Variance (dB) Reactive, gama r = 7dB
