nghiên cứu mạng chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã fountain trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền

Lịch sử hình thành và phát triển mạng vô tuyến Trong những năm gần đây hệ tháng thông tin vô tuyến đã phát triển một cách m¿nh mẽ và nhanh chóng bái nhu cầu ngày càng tăng của ng°ßi dùn

TP Hà CHÍ MINH – NM 2023

LÊ TIÀN BÌNH

NGHIÊN CĀU M¾NG CHUYÄN TIÀP HAI CHIÂU SĀ DĀNG Mà FOUNTAIN TRONG MÔI TR¯âNG

VÔ TUYÀN NH¾N THĀC D¾NG NÂN

CHUYÊN NGÀNH : Kþ THU¾T VIÆN THÔNG

MÃ Sà: 8.52.02.08

Đ ÁN TH¾C S) Kþ THU¾T (Theo đßnh h°áng āng dāng) NG¯âI H¯àNG DẪN KHOA HàC: TS LÊ QUÞC C¯âNG

TP Hà CHÍ MINH – NM 2023

LâI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sá liệu, kết quÁ nêu trong đề án là trung thực và ch°a từng đ°ợc ai công bá trong bất kỳ công trình nào khác

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2023

Hác viên thực hiÉn đà án

Lê TiÁn Bình

LâI CÀM ¡N

Tôi xin gái lßi cÁm ¡n sâu sắc đến TS Lê Quác C°ßng, ng°ßi Thầy đã định h°ớng, hỗ trợ và chỉ bÁo cho tôi hoàn thành quyển Đề án <Nghiên cứu m¿ng chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã Fountain trong môi tr°ßng vô tuyến nhận thức d¿ng nền=

Tôi xin chân thành gái lßi cÁm ¡n sâu sắc đến Ban lãnh đ¿o Học viện Công Nghệ B°u Chính Viễn thông, Ban chủ nhiệm Khoa Viễn thông 2 đã t¿o điều kiện cho tôi đ°ợc tham gia khóa học này

Tôi cũng xin chân thành cÁm ¡n quý Thầy Cô thuộc Phòng Đào t¿o và Khoa học Công nghệ và Khoa Đào t¿o Sau đ¿i học đã hết lòng hỗ trợ cho khóa học của chúng tôi đ°ợc tiến hành suôn sẻ, trọn vẹn

Nhân dịp này, tôi cũng xin cÁm ¡n Quỹ Nafosted đã hỗ trợ trong suát thßi gian tôi thực hiện đề án, thông qua Đề tài <Nâng cao độ tin cậy truyền tin và bÁo mật thông tin cho các m¿ng vô tuyến quÁng bá sử dụng mã Fountain= với mã sá 102.04-2021.57

Trong quyển đề án này chắc chắn sẽ không tránh khßi những h¿n chế và thiếu sót, tôi rất mong nhận đ°ợc những ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và quý b¿n đọc để đề án này đ°ợc hoàn thiện h¡n

TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2023

Hác viên thực hiÉn đà án

Lê TiÁn Bình

CH¯¡NG 1: KHÁI NIÈM TÞNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về truyền thông vô tuyến 3

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển m¿ng vô tuyến 3

1.1.2 ¯u điểm và nh°ợc điểm hệ tháng truyền thông vô tuyến 5

1.1.3 Giới thiệu về m¿ng WSNs, IoTs 6

1.1.4 Fading kênh truyền 8

1.1.5 Mô hình truyền tín hiệu trên kênh fading 9

1.1.6 Hiệu năng m¿ng vô tuyến 10

1.1.7 Mô phßng Monte Carlo 11

1.2 Tổng quan về m¿ng chuyển tiếp 12

1.2.1 Chuyển tiếp một chiều 14

1.2.2 Các kỹ thuật chuyển tiếp c¡ bÁn 15

1.2.3 Chuyển tiếp hai chiều 17

1.3 Vô tuyến nhận thức 18

1.4 Mã Fountain 20

1.5 KhÁo sát các nghiên cứu liên quan 22

CH¯¡NG 2: MÔ HÌNH HÈ THÞNG VÀ HIÈU NNG 23

2.1 Mô hình chuyển tiếp hai chiều 03 pha (MH-3P) 23

2.2 Nguyên lý ho¿t động của MH-3P 24

2.3 Phân tích hiệu năng mô hình MH-3P 30

2.4 Mô hình chuyển tiếp hai chiều 04 pha (MH-4P) 33

CH¯¡NG 3: KÀT QUÀ MÔ PHâNG VÀ LÝ THUYÀT 36

KÀT LU¾N 42

DANH MĀC TÀI LIÈU THAM KHÀO 43

DANH MĀC CÁC THU¾T NGĂ, CHĂ VIÀT TÀT

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng AF Amplifier and Forward Khuếch đ¿i và chuyển tiếp BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit

CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phái tích lũy CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức DF Decode and Forward GiÁi mã và chuyển tiếp EC Ergodic Capacity Dung l°ợng kênh trung bình IoT Internet of Things Internet v¿n vật

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PR Primary Reveiver Nút thu s¡ cấp

PT Primary Transmitter Nút phát s¡ cấp

SR Secondary Relay Nút chuyển tiếp trung gian

thứ cấp SS Secondary Source Nguồn thứ cấp SU Secondary User Ng°ßi dùng thứ cấp WSN Wireless Sensor Networks M¿ng cÁm biến không dây

DANH SÁCH BÀNG

BÁng 3.1: Các tham sá hệ tháng 37

DANH SÁCH HÌNH V¾

Hình 1.1: Mô hình m¿ng cÁm biến không dây 7

Hình 1.2: M¿ng IoTs 7

Hình 1.3: Mô hình kênh Fading Rayleigh 8

Hình 1.4: Mô hình kênh truyền Fading Rician 9

Hình 1.5: Mô hình truyền tín hiệu giữa thiết bị phát T và thiết bị thu R 10

Hình 1.6: M¿ng chuyển tiếp một chiều đ°ßng xuáng 14

Hình 1.7: M¿ng chuyển tiếp một chiều đ°ßng lên 15

Hình 1.8: Kỹ thuật chuyển tiếp DF 15

Hình 1.9: Kỹ thuật chuyển tiếp AF 16

Hình 1.10: Chuyển tiếp hai chiều 17

Hình 1.11: Mô hình m¿ng vô tuyến nhận thức 19

Hình 1.12: Mô hình vô tuyến nhận thức d¿ng nền 20

Mä ĐÀU

Trong những năm gần đây hệ tháng thông tin vô tuyến đã phát triển một cách m¿nh mẽ và nhanh chóng bái nhu cầu ngày càng tăng của ng°ßi dùng cũng nh° sự phát triển công nghệ của các thiết bị đầu cuái Việc nghiên cứu ứng dụng những công nghệ tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này là hết sức cần thiết

Gần đây, mã Fountain (Fountain Codes hay Rateless Codes) đang đ°ợc nghiên cứu rộng rãi trong và ngoài n°ớc bái vì mã Fountain là kỹ thuật mã hoá đ¡n giÁn và có khÁ năng thích ứng nhanh với sự thay đổi của điều kiện kênh truyền Trong mã này, nguồn có thể gửi đi một sá l°ợng không giới h¿n các gói mã hoá của dữ liệu gác à nút đích, dữ liệu gác đ°ợc khôi phục nếu nút đích có thể nhận đủ sá l°ợng gói dữ liệu đ°ợc mã hoá Bái sự đ¡n giÁn trong việc cài đặt và triển khai, mã Fountain có thể thích hợp cho các hệ tháng vô tuyến đ¡n giÁn nh° m¿ng cÁm biến vô tuyến (WSN: Wireless Sensor Networks), m¿ng Internet kết nái v¿n vật (IoT: Internet of Things), v.v

Chuyển tiếp hai chiều (Two-way relaying) là mô hình có hai nút nguồn muán trao đổi dữ liệu với nhau thông qua một hoặc nhiều các nút chuyển tiếp trung gian Thông th°ßng, chuyển tiếp hai chiều đ°ợc thực hiện thông qua 04 khe thßi gian trực giao nên tác độ dữ liệu sẽ là 02/04 = 1/2 (02 dữ liệu truyền trên 04 khe thßi gian) Để nâng cao tác độ truyền dữ liệu, kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã hóa m¿ng sá (Digital Network Coding) đã đ°ợc đề xuất Kỹ thuật này chỉ sử dụng 03 khe thßi gian nên đ¿t đ°ợc tác độ dữ liệu cao h¡n (mô hình thông th°ßng), đó là 02/03 (02 dữ liệu trên 03 khe thßi gian)

Với sự khan hiếm phổ tần đang trá thành một vấn đề nghiêm trọng trong thông tin vô tuyến bái sá l°ợng thiết bị vô tuyến ngày càng nhiều Để giÁi quyết vấn đề khan hiếm phổ tần, vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio) đã đ°ợc đề xuất Trong CR, m¿ng thứ cấp có thể sử dụng băng tần của m¿ng s¡ cấp miễn là chất l°ợng dịch vụ của m¿ng s¡ cấp vẫn đ°ợc đÁm bÁo Trong mô hình vô tuyến nhận thức d¿ng nền (Underlay CR), nút phát thứ cấp đ°ợc phép sử dụng các băng tần cùng lúc với m¿ng

s¡ cấp, nh°ng chúng phÁi hiệu chỉnh công suất phát của mình để hiệu năng của m¿ng s¡ cấp không bị Ánh h°áng

Từ những phân tích trên, đề án đề xuất mô hình chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã Fountain trong m¿ng vô tuyến nhận thức d¿ng nền Đề án sẽ đ°ợc cấu trúc với các ch°¡ng nh° sau

Ch°¢ng 1 - KHÁI NIÈM TÞNG QUAN

Trong ch°¡ng 1 đề án sẽ đ°a ra cái nhìn tổng quan về truyền thông vô tuyến, tổng quát về m¿ng chuyển tiếp hai chiều, mã Fountain, m¿ng vô tuyến nhận thức

Ch°¢ng 2 - MÔ HÌNH HÈ THÞNG VÀ HIÈU NNG

Nội dung ch°¡ng 2, sẽ đ°a ra mô hình về m¿ng chuyển tiếp hai chiều 3 pha, nguyên lý ho¿t động và hiệu năng m¿ng chuyển tiếp hai chiều 3 pha và so sánh với mô hình m¿ng chuyển tiếp hai chiều 4 pha

Ch°¢ng 3 - KÀT QUÀ MÔ PHâNG VÀ LÝ THUYÀT

Ch°¡ng 3 sử dụng mô phßng Monte-Carlo và mô phßng kết quÁ lý thuyết trên phần mềm Matlab để kiểm chứng tính chính xác của mô hình hệ tháng dựa trên l°u đồ mô phßng và công thức toán học đã đ¿t đ°ợc

CH¯¡NG 1: KHÁI NIÈM TÞNG QUAN 1.1 Tßng quan và truyÃn thông vô tuyÁn

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển mạng vô tuyến

Trong những năm gần đây hệ tháng thông tin vô tuyến đã phát triển một cách m¿nh mẽ và nhanh chóng bái nhu cầu ngày càng tăng của ng°ßi dùng cũng nh° sự phát triển công nghệ của các thiết bị đầu cuái Việc nghiên cứu ứng dụng những công nghệ tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này là hết sức cần thiết

Khác với m¿ng hữu tuyến sử dụng các đ°ßng truyền cáp đồng hoặc cáp quang để kết nái các điểm đầu cuái cá định với nhau, m¿ng vô tuyến sử dụng sóng điện từ truyền tín hiệu sá từ thiết bị á đầu phát tới thiết bị á đầu thu của hệ tháng thông tin sá thông qua antena hoặc cÁm biến trong môi tr°ßng không gian tự do Sau khi nhận đ°ợc tín hiệu từ phía đầu phát, phía thu sẽ phÁi giÁi mã để nhận đ°ợc tín hiệu ban đầu

Với sự ra đßi và phát triển của các dịch vụ Internet di động, truyền dữ liệu băng thông rộng, truyền hình di động, IoTs, v.v làm cho nhu cầu về tác độ truyền dẫn ngày càng tăng, đặc biệt là trong các hệ tháng thông tin di động tế bào Các hệ tháng thông tin di động tế bào đã phát triển đến thế hệ thứ 5 (5G) và đang đ°ợc triển khai trên nhiều n°ớc trên thế giới, hiện t¿i á Việt Nam đã triển khai thử nghiệm t¿i một sá tỉnh thành Tuy nhiên vấn đề mà truyền thông vô tuyến hiện đang gặp phÁi là sự Ánh h°áng của nhiễu, suy hao kênh truyền, fading, …v.v Khi tín hiệu truyền từ đầu phát tới đầu thu trong môi tr°ßng không gian tự do chịu Ánh h°áng của phÁn x¿, nhiễu x¿, và tán x¿ Do đó, hiện t°ợng đa đ°ßng gây nên sự thăng giáng về biên độ, pha, làm trễ và th°ßng dẫn đến hiện t°ợng fading

Các mác thßi gian quan trọng trong lịch sử phát triển của vô tuyến đến ngày nay:

- Vào năm 1838, Samuel Morse đã phát minh ra hệ tháng điện báo đầu tiên đ°ợc tình diễn t¿i Speedwell Iron Works á Morristown, New Jersey

- Vào năm 1864, J.C Maxwell đã trình bày lý thuyết hợp nhất điện từ và từ tr°ßng, phát triển các ph°¡ng trình tổng quát của tr°ßng điện từ, chứng minh sự tồn t¿i của sóng điện từ và cho thấy sóng này có thể truyền trong không gian tự do

- Vào năm 1895, Marconi đã gái và nhận thành công những tín hiệu sóng vô tuyến đầu tiên

- Vào năm 1915, hê tháng truyền tín hiệu tho¿i không dây đ°ợc thiết lập để truyền tho¿i giữa New York và San Francisco Sau 30 năm, các dịch vụ điện tho¿i di động công cộng đã đ°ợc giới thiệu á 25 thành phá của Mỹ

- Vào năm 1927, hệ tháng thông tin vô tuyến nái liền Bắc Mỹ và Châu Âu đ°ợc thành lập

- Năm 1933 Edwin Howard Armstrong phát minh ra sóng vô tuyến biến tần (frequency-modulated) hay còn gọi là sóng vô tuyến FM

- Vào năm 1963, Viện kỹ s° điện- điện tử (IEEE) đ°ợc thành lập - Năm 1965 một hệ tháng antena phát sóng FM đầu tiên trên thế giới đ°ợc xây

dựng trên toà nhà Empire State á New York - Vào năm 1971, hệ tháng m¿ng vô tuyến gói đầu tiên ALOHANET ra đßi t¿i

tr°ßng đ¿i học Hawaii M¿ng l°ới cho phép các trang web máy tính t¿i các địa điểm trên bán hòn đÁo giao tiếp với một máy tính trung tâm đặt t¿i Oahu thông qua truyền dẫn vô tuyến

- Trong suát những năm 1970 đến đầu những năm 1980 các dự án nâng cao quác phòng (DARPA) đầu t° đáng kể nhằm phát triển m¿ng l°ới sử dụng vô tuyến gói cho truyền thông chiến thuật trên chiến tr°ßng

- Vào năm 1984, Uỷ ban truyền thông liên bang (FCC) cấp phép phân bá khoÁng phổ cho di động từ 40 MHz đến 50MHz Hệ tháng di động t°¡ng tự đầu tiên từ phòng thí nghiệm AT&T Bell đ°ợc triển khai á Chicago

- Vào năm 1985, FCC cho phép th°¡ng m¿i hoá m¿ng LAN không dây (WLANs) bằng việc cấp phép phát triển và sử dụng đ¿i trà các băng tần dùng

trong lĩnh vực công nghiệp, nghiên cứu và y tế (ISM) cho các sÁn phẩm dùng m¿ng LAN không dây

- Những năm 1990, hệ tháng di động thế hệ thứ 2 ra đßi (2G) Chuyển đổi từ tín hiệu t°¡ng tự sang tín hiệu sá cung cấp các dịch vụ cho tho¿i ngoài ra 2G cũng rất quan trọng vì nó cho phép ng°ßi dùng gửi tin nhắn văn bÁn và truyền dữ liệu

Cho đến thßi điểm hiện t¿i, đã trÁi qua nhiều thế hệ nh° m¿ng 2G, 3G, 4G và hiện t¿i là m¿ng 5G Xuyên suát quá trình phát triển, dung l°ợng/tác độ m¿ng ngày càng đ°ợc nâng cao, thßi gian trễ ngày càng thấp, cung cấp ngày càng nhiều ứng dụng hữu ích cho ng°ßi dùng

1.1.2 ¯u điểm và nh°ợc điểm hệ thống truyền thông vô tuyến

Hệ tháng truyền thông vô tuyến truyền dẫn trong môi tr°ßng không gian tự do nên có những °u điểm so với các hệ tháng khác:

¯u điÅm :

- TiÉn lÿi trong viÉc kÁt nßi : Không cần sử dụng dây cáp để thiết lập kết nái

m¿ng, dễ dàng kết nái m¿ng không dây nhanh chóng Có thể truy xuất đến mọi n¡i trong vùng phủ sóng nh° các toà nhà, cao ác Đặc biệt thuận lợi khi mà thiết bị hỗ trợ thu phát ngày càng đ°ợc sử dụng rộng rãi nh° smartphone, laptop, các thiết bị IoTs

- TiÁt kiÉm chi phí đÁu t°: Chi phí thiết lập phần cứng m¿ng ban đầu của hệ

tháng truyền thông vô tuyến cao h¡n nh°ng xét về chi phí lâu dài toàn hệ tháng và giá thành tuổi thọ đáng kể h¡n nhiều so với m¿ng hữu tuyến

- Linh đßng: Có thể kết nái bất kỳ n¡i nào trong vùng phủ sóng mà không cần cáp dây nh° m¿ng hữu tuyến, m¿ng vô tuyến đáp ứng nhu cầu thông tin ng°ßi dùng khi di chuyển mọi lúc mọi n¡i

- DÇ thiÁt kÁ và triÅn khai må rßng: Cài đặt hệ tháng m¿ng không dây nhanh chóng và dễ dàng, giÁm bớt việc phÁi kéo dây qua các vị trí khó khăn Truyền thông không dây cho phép m¿ng đi đến các n¡i mà m¿ng có dây không thể

Dễ dàng má rộng có thể đáp ứng tức thì khi có sự gia tăng lớn về sá l°ợng truy cập

Ngoài những °u điểm trên thì truyền thông vô tuyến cũng có những nh°ợc điểm nhất định:

Nh°ÿc điÅm :

- Suy hao : Truyền thông trong môi tr°ßng không gian tự do nên th°ßng xÁy ra

các vấn đề về nhiễu sóng do thßi tiết, do giao thoa sóng với các thiết bị vô tuyến khác hay do các vật chắn nh° các công trình, toà nhà cao tầng, đồi

núi,…v.v gây Ánh h°áng đáng kể đến chất l°ợng của m¿ng

- BÁo m¿t: Có thể nói chính là nh°ợc điểm lớn nhất của m¿ng không dây bái

tính quÁng bá khÁ năng bị tấn công là rất lớn

- Ph¿m vi ho¿t đßng: Còn h¿n chế về ph¿m vi, nhanh chóng bị suy giÁm tín

hiệu khi sự tăng lên giữa các thiết bị thu và phát - Ch¿t l°ÿng dßch vā: Không ổn định bằng m¿ng hữu tuyến vì tác độ chậm

h¡n, độ trễ cao h¡n và nhiễu, và tỉ lệ lỗi cao

1.1.3 Giới thiệu về mạng WSNs, IoTs

Trong những năm gần đây, với sự phát triển v°ợt bậc của công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông và công nghệ thông tin t¿o động lực thúc đẩy cho việc phát triển các hệ tháng thông minh trong nhiều lĩnh vực nh° công nghiệp, nông nghiệp, y tế, sÁn xuất và dân dụng Đồng thßi, với xu thế IoTs (Internet of Things) đã má ra rất nhiều thuận lợi cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai hệ tháng m¿ng thông minh trên toàn cầu, trong đó hệ tháng m¿ng cÁm biến đóng vai trò quan trọng cho hệ tháng thông minh này

M¿ng cÁm biến không dây (Wireless Sensor Network) là tập hợp các nút cÁm biến sử dụng các liên kiết không dây nh° vô tuyến, hồng ngo¿i hoặc quang học để phái hợp thực hiện thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và á bất kỳ vị trí địa lý nào

Hình 1.1: Mô hình m¿ng cÁm biÁn không dây

Nh° hình 1.1 mô tÁ m¿ng WSNs trong đó các nút cÁm biến đ°ợc triển khai để thu thập thông tin các thông sá về môi tr°ßng, nhiệt độ, độ ẩm,.v v và gửi thông tin thu đ°ợc về trung tâm Trong m¿ng WSNs, có thể lắp đặt các Sink để thu thập dữ liệu theo từng vùng Các thiết bị cÁm biến có thể gửi trực tiếp dữ liệu về Sink hoặc sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp để gửi thông tin về

M¿ng cÁm biến không dây có các đặc điểm nổi trội nh° : M¿ng WSNs sử dụng các nút cÁm biến nói chung có kích th°ớc nhß với chi phí đầu t° thấp, có thể triển khai á các điều kiện địa hình và khí hậu phức t¿p, phục vụ tát cho việc thu thập dữ liệu Tuy nhiên bên c¿nh đó thì m¿ng WSNs vẫn còn một sá h¿n chế nhất định nh°: Thiết bị cÁm biến bị giới h¿n về mặt năng l°ợng nên cần đ°ợc cung cấp năng l°ợng th°ßng xuyên, có kích th°ớc nhß nên h¿n chế về mặt xử lý và l°u trữ, và công suất phát thấp dẫn tới giới h¿n về vùng bao phủ

T°¡ng tự nh° m¿ng WSNs, m¿ng IoTs có nhiều ứng dụng nổi bật nh° ứng dụng vào smart city, smart home, các thiết bị đeo tay thông minh, hỗ trợ trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, y tế v v

Hình 1.2: M¿ng IoTs

1.1.4 Fading kênh truyền

Các yếu tá chính Ánh h°áng đến chất l°ợng truyền dẫn trong một kênh vô tuyến bao gồm: hiệu ứng đa đ°ßng, tổn thất đ°ßng truyền và mß dần Fading kênh là sự thay đổi c°ßng độ của tín hiệu sóng mang tần sá cao do tác động từ môi tr°ßng phát, do đó làm méo tín hiệu thu đ°ợc t¿i anten thu Các tác động môi tr°ßng có thể bao gồm những thay đổi không đồng đều trong chỉ sá khúc x¿ của khí quyển, mặt đất và phÁn x¿ của n°ớc đái với sóng vô tuyến đi qua Một sá kênh fade phổ biến hiện nay có thể kể đến nh° Rayleigh, Rician, Nakagami-m:

Kênh fading Rayleigh:

Hình 1.3: Mô hình kênh Fading Rayleigh

Kênh fading Rayleigh là một kênh truyền thông phổ biến hiện nay và là kênh đ°ợc hình thành bái các đ°ßng tín hiệu gián tiếp từ các thiết bị phát (Non Line of Sight) Hệ sá kênh (th°ßng đ°ợc ký hiệu là h) có phân bá Rayleigh và có hàm mật độ xác suất (PDF - Probability Density Function):

- Cumulative Distribution Function) và hàm mật độ xác suất (PDF - Probability Density Function) của  =| |h 2lần l°ợt là (xem tài liệu [1]):

( ) 1 exp(),

F y = − −y (1.2)

( ) exp(),

f y = −y (1.3) với =1/ 2( ) ó2 là tham sá đặc tr°ng của biến ngẫu nhiên có phân phái mũ, cụ thể  bằng 1 chia cho giá trị trung bình của  , và cũng bằng 1 chia cho độ lệch chuẩn của  :

 

var

= = (1.4)

Kênh fading Rician:

Với kênh fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu nào trực tiếp đến máy thu mà không bị phÁn x¿ hoặc tán x¿ với công suất v°ợt trội Khi thành phần chiếm °u thế này có mặt, phân phái sẽ là Rician Trong kênh này, các thành phần đa đ°ßng ngẫu nhiên đến máy thu với các góc khác nhau đ°ợc đặt chồng lên các tín hiệu đ°ợc truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu

1.1.5 Mô hình truyền tín hiệu trên kênh fading

Hình 1.5 miêu tÁ sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh giữa thiết bị phát T và thiết bị thu R Tín hiệu nhận đ°ợc t¿i nút R đ°ợc viết nh° sau:

Hình 1.4: Mô hình kênh truyÃn Fading Rician

RT TRR,

y = P h x+n (1.5) với x là tín hiệu chứa dữ liệu của nút T, PT ký hiệu công suất phát của nút T,

TR

h là hệ sá kênh fading Rayleigh giữa nút T và nút R, nR là nhiễu Gauss trắng cộng tính (AWGN: Additive White Gaussian Noise) t¿i nút R H¡n nữa, nhiễu nR là biến ngẫu nhiên có phân phái Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và ph°¡ng sai là 2

0

ó

Hình 1.5: Mô hình truyÃn tín hiÉu giăa thiÁt bß phát T và thiÁt bß thu R

Từ công thức (1.5), tỷ sá SNR (Signal-to-noise ratio) tức thßi đ¿t đ°ợc t¿i nút đích R đ°ợc tính nh° sau:

2TTR

0

| |

P h



ó= (1.6) Tỷ sá SNR trong công thức (1.6) đ°ợc gọi là tỷ sá SNR tức thßi bái vì tỷ sá này thay đổi theo thßi gian Tiếp đến, dung l°ợng kênh tức thßi trên 01 đ¡n vị băng thông (BW = 1) đ°ợc viết nh° sau:

0

| |log 1 log 1 P h

1.1.6 Hiệu năng mạng vô tuyến

Các hiệu năng m¿ng vô tuyến có thể kể đến nh° xác suất dừng (OP: Outage Probability), tỷ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate), dung l°ợng kênh trung bình (EC: Ergodic Capacity) Trong đề án này, học viên nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng, đó là xác suất mà dung l°ợng kênh CTR nhß h¡n một ng°ỡng cho tr°ớc, ký hiệu Cth

Sử dụng công thức (1.6), ta có xác suất dừng của đ°ßng truyền từ thiết bị phát T sang thiết bị thu R nh° sau:

02

Sử dụng hàm CDF của biến ngẫu nhiên 2

1.1.7 Mô phỏng Monte Carlo

Để kiểm chứng tính chính xác của các công thức toán học Mô phßng Monte Carlo th°ßng đ°ợc sử dụng Mô phßng Monte Carlo là quá trình sử dụng các ph°¡ng pháp ngẫu nhiên để t¿o ra các kịch bÁn mô phßng và xác định các kết quÁ xác suất hoặc °ớc l°ợng giá trị của một vấn đề hay một hệ tháng Ph°¡ng pháp này đ°ợc sử dụng để mô phßng các quá trình và sự kiện có tính ngẫu nhiên, trong đó các kết quÁ không thể dự đoán chính xác từng tr°ßng hợp cụ thể

Quá trình mô phßng Monte Carlo bao gồm các b°ớc sau: - Xác định mô hình: Đầu tiên, cần xác định mô hình của vấn đề hoặc hệ tháng

cần mô phßng Mô hình này có thể là một hàm toán học hoặc một bộ luật, mô tÁ các quy tắc và quy trình của vấn đề

- T¿o ra dữ liệu ngẫu nhiên: Sử dụng các ph°¡ng pháp t¿o sá ngẫu nhiên, nh° phân phái đều hay phân phái Gaussian, dữ liệu ngẫu nhiên đ°ợc t¿o ra Sá l°ợng và phân phái của dữ liệu ngẫu nhiên phụ thuộc vào mô hình và mục tiêu của mô phßng

- Thực hiện mô phßng: Sử dụng dữ liệu ngẫu nhiên, mô hình đ°ợc áp dụng để mô phßng các kịch bÁn và tính toán các giá trị đầu ra Quá trình này th°ßng đ°ợc lặp l¿i nhiều lần để thu thập thông tin đầy đủ về phân phái và kết quÁ mong muán

- Xác định kết quÁ: Sau khi hoàn thành các quá trình mô phßng, kết quÁ đ°ợc thu thập và xử lý để xác định các giá trị xác suất, °ớc l°ợng hoặc đánh giá hiệu năng của hệ tháng

Mô phßng Monte Carlo đ°ợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nh° tài chính, khoa học, kỹ thuật, quÁn lý rủi ro và nhiều ứng dụng khác Ph°¡ng pháp này cho phép đánh giá và dự đoán các kết quÁ trong các tình huáng phức t¿p và không chắc chắn, n¡i các ph°¡ng pháp phân tích truyền tháng gặp khó khăn

Ví dụ để kiểm chứng tính chính xác của biểu thức xác suất dừng đ°ợc đ°a ra trong công thức (1.8), mô phßng Monte Carlo đ°ợc áp dụng để mô phßng kênh truyền fading Rayleigh Phần mềm MATLAB [19] hỗ trợ hàm t¿o ra biến ngẫu nhiên, sử dụng cấu trúc sau:

h = 1/sqrt(2* )*(randn(1,1) + j*randn(1,1)); (1.9) Trong công thức (1.9), randn(1,1)là hàm MATLAB t¿o ra biến ngẫu nhiên có phân phái Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và ph°¡ng sai bằng 1

1.2 Tßng quan và m¿ng chuyÅn tiÁp

Chuyển tiếp là một kỹ thuật hiệu quÁ trong truyền thông vô tuyến, th°ßng đ°ợc sử dụng để má rộng vùng phủ sóng bằng cách sử dụng một hoặc nhiều các nút chuyển tiếp trung gian Chuyển tiếp đ°ợc sử dụng khi nguồn tin không thể liên l¿c trực tiếp với nút đích Ngay cÁ khi nút nguồn có thể trực tiếp truyền dữ liệu đến nút đích, chuyển tiếp vẫn có thể đ°ợc sử dụng nh° một giÁi pháp tăng c°ßng khi liên kết giữa nguồn và đích không tát Chuyển tiếp có rất nhiều ứng dụng thực tế trong m¿ng vô tuyến nh° sự truyền dữ liệu giữa các thuê bao di động đ°ợc thực hiện thông qua tr¿m gác Trong tr°ßng hợp này, tr¿m gác đóng vai trò là nút chuyển tiếp trung gian cho các thuê bao di động Chuyển tiếp cũng đ°ợc áp dụng trong m¿ng cÁm biến vô tuyến bái vì các thiết bị cÁm biến th°ßng có công suất phát thấp nên việc truyền dữ liệu đi

xa cần sự giúp đỡ của các nút cÁm biến khác

Do đó, những °u điểm chính của chuyển tiếp đ°ợc tóm tắt nh° sau: - Má rộng vùng phủ: Nh° đã nói á trên, đây là °u điểm nổi bật của chuyển tiếp

giúp m¿ng có thể má rộng vùng phủ mà không cần tăng công suất phát cho các thiết bị vô tuyến

- Tính linh ho¿t: trong nhiều tr°ßng hợp, chuyển tiếp không yêu cầu phÁi lắp đặt thêm c¡ sá h¿ tầng để phục vụ cho việc chuyển tiếp Thay vào đó, mỗi thiết bị trong m¿ng có khÁ năng làm nút chuyển tiếp và kết nái với các thiết bị khác trong vùng phủ của thiết bị, t¿o ra một m¿ng không dây Ví dụ nh° trong m¿ng cÁm biến vô tuyến, các thiết bị cÁm biến nhàn rỗi có thể đ°ợc tận dụng để chuyển tiếp dữ liệu từ một cÁm biến á xa về trung tâm xử lý

- KhÁ năng tự phục hồi: Do không phụ thuộc vào c¡ sá h¿ tầng m¿ng cá định, m¿ng chuyển tiếp vô tuyến có khÁ năng tự phục hồi khi có sự cá xÁy ra Khi một thiết bị trong m¿ng bị hßng hoặc mất kết nái, các nút chuyển tiếp khác trong m¿ng có thể tìm kiếm các đ°ßng khác để truyền thông, đÁm bÁo tính liên tục và khÁ năng truyền thông của m¿ng

- KhÁ năng di động: M¿ng chuyển tiếp vô tuyến phù hợp cho các môi tr°ßng di động, n¡i các thiết bị di chuyển liên tục và cần liên kết với nhau Với khÁ năng tự cấu hình và tự tổ chức m¿ng, m¿ng chuyển tiếp vô tuyến có thể cung cấp kết nái liên tục trong quá trình di chuyển

- Tiết kiệm chi phí: Vì không cần đầu t° vào c¡ sá h¿ tầng m¿ng cá định, m¿ng chuyển tiếp vô tuyến có thể tiết kiệm chi phí triển khai và duy trì Điều này đặc biệt hữu ích trong các tình huáng t¿m thßi hoặc khẩn cấp, n¡i triển khai m¿ng truyền thông nhanh chóng và hiệu quÁ

- Dễ dàng má rộng: m¿ng chuyển tiếp sử dụng các thiết bị trong m¿ng sẽ dễ dàng má rộng h¡n khi so sánh với các m¿ng có h¿ tầng c¡ sá cá định

Tuy nhiên, chuyển tiếp cũng có những nh°ợc điểm sau đây: - Thßi gian trễ lớn: Do quá trình chuyển tiếp qua nhiều nút trung gian, m¿ng

chuyển tiếp vô tuyến th°ßng có độ trễ lớn Việc l°u trữ và xử lý dữ liệu và đồng bộ t¿i các nút trung gian làm gia tăng thßi gian trễ H¡n nữa, việc định tuyến, duy trì và bÁo quÁn tuyến giữa nguồn và đích cũng tán nhiều thßi gian thực hiện

- Tiêu hao năng l°ợng: Việc truyền dữ liệu qua các nút chuyển tiếp trong m¿ng cũng tiêu hao năng l°ợng của các thiết bị Đái với các thiết bị có nguồn năng l°ợng giới h¿n nh° các thiết bị cÁm biến, vấn đề năng l°ợng cũng là vấn đề khó khăn khi triển khai kỹ thuật chuyển tiếp

- Hiệu suất thấp: Hiệu suất của m¿ng chuyển tiếp sử dụng các thiết bị trong m¿ng th°ßng thấp h¡n khi so sánh với m¿ng đ°ợc hỗ trợ c¡ sá h¿ tầng phục vụ

1.2.1 Chuyển tiếp một chiều

Trong chuyển tiếp một chiều (one-way relaying), có một nút đóng vai trò là nút nguồn gửi dữ liệu đến một nút mong muán gọi là nút đích, các nút hỗ trợ sự giao tiếp giữa nguồn và đích đ°ợc gọi là các nút chuyển tiếp trung gian hay nút chuyển tiếp

Hình 1.6 vẽ mô hình chuyển tiếp một chiều đ°ßng xuáng (downlink) trong m¿ng thông tin di động Trong hình vẽ này, tr¿m gác BS truyền dữ liệu đến ng°ßi dùng MS với sự hỗ trợ của tr¿m chuyển tiếp (Relay) Do đó, BS đóng vai trò là nút nguồn, MS đóng vai trò là nút đích, và tr¿m chuyển tiếp (Relay) đ°ợc triển khai trong m¿ng để hỗ trợ BS gửi dữ liệu đến MS

Hình 1.6: M¿ng chuyÅn tiÁp mßt chiÃu đ°ãng xußng

Hình 1.7 vẽ mô hình chuyển tiếp một chiều đ°ßng lên (uplink), trong đó các ng°ßi dùng (User) muán gửi dữ liệu đến tr¿m BS với sự hỗ trợ của thiết bị chuyển

tiếp là vật thể bay (drone) Trong mô hình này, các ng°ßi dùng sẽ đóng vai trò là nút nguồn, tr¿m gác BS đóng vai trò là nút đích và thiết bị bay (shared relay) đóng vai trò là nút chuyển tiếp

Hình 1.7: M¿ng chuyÅn tiÁp mßt chiÃu đ°ãng lên

1.2.2 Các kỹ thuật chuyển tiếp c¡ bản

Tùy thuộc vào kỹ thuật xử lý dữ liệu t¿i nút chuyển tiếp, ta có 02 kỹ thuật chuyển tiếp c¡ bÁn, đó là khuếch đ¿i-và-chuyển tiếp AF (Amplifier-and-Forward), giÁi mã và chuyển tiếp DF (Decode-and-Forward) Ngoài ra, còn có các kỹ thuật chuyển tiếp khác nh° nén và chuyển tiếp, chuyển tiếp thích nghi, tuy nhiên các kỹ thuật này phức t¿p vì yêu cầu nút chuyển tiếp thực hiện nhiều tác vụ

GiÁi mã và chuyÅn tiÁp (DF)

Hình 1.8: Kÿ thu¿t chuyÅn tiÁp DF

Trong chuyển tiếp DF [2],[3],[4], tín hiệu từ nút nguồn sẽ đ°ợc nút chuyển tiếp giÁi mã, thực hiện mã hóa và chuyển tiếp tín hiệu mới (tín hiệu giÁi mã sau khi nén và thêm vào các bit d° thừa để tăng khÁ năng sửa lỗi) tới nút đích (xem hình 1.8) Kỹ thuật chuyển tiếp DF còn đ°ợc biết đến nh° là kỹ thuật chuyển tiếp tái t¿o, bái nhiễu sẽ đ°ợc lo¿i bß t¿i nút chuyển tiếp

Tuy nhiên, nh°ợc điểm của chuyển tiếp DF đó là giÁi mã và mã hóa kênh t¿i nút chuyển tiếp l¿i gây ra độ trễ cho m¿ng Ngoài ra, trong kỹ thuật DF này, một khi nút chuyển tiếp không thể giÁi mã đ°ợc dữ liệu của nguồn thì nó sẽ không gửi dữ liệu đến đích, tức là sẽ không thực hiện b°ớc chuyển tiếp

KhuÁch đ¿i và chuyÅn tiÁp (AF)

Hình 1.9: Kÿ thu¿t chuyÅn tiÁp AF

Trong kỹ thuật AF, nút chuyển tiếp đóng vai trò nh° những tr¿m lặp, và chúng chỉ đ¡n giÁn khuếch đ¿i tín hiệu nhận đ°ợc và gửi tín hiệu đã khuếch đ¿i đến nút đích [5]-[7] Khác với kỹ thuật DF, nút chuyển tiếp AF sẽ luôn gửi tín hiệu đến nút đích Tuy nhiên, khi khuếch đ¿i tín hiệu từ nguồn, nút chuyển tiếp AF cũng khuếch đ¿i luôn nhiễu và vì vậy, nhiễu đ°ợc cộng dồn á nút đích Do đó, chuyển tiếp AF còn đ°ợc gọi là chuyển tiếp không tái t¿o

Mặc dù kỹ thuật chuyển tiếp AF đ¡n giÁn h¡n kỹ thuật chuyển tiếp DF nh°ng kỹ thuật chuyển tiếp DF đ¿t đ°ợc hiệu suất tát h¡n do nhiễu á chặng đầu đ°ợc lo¿i bß t¿i nút chuyển tiếp

Do đó, đề án này sẽ nghiên cứu về kỹ thuật giÁi mã và chuyển tiếp (DF)

1.2.3 Chuyển tiếp hai chiều

Hình 1.10: ChuyÅn tiÁp hai chiÃu

Trong chuyển tiếp hai chiều (two-way relaying) [8]-[9], có hai nút muán gửi dữ liệu cho nhau và bái vì không đ°ßng truyền trực tiếp giữa chúng nên hai nút ngày phÁi chuyển tiếp dữ liệu cho nhau dựa vào các nút chuyển tiếp trung gian Trong chuyển tiếp hai chiều, hai nút gửi dữ liệu vừa là nút nguồn cũng đồng thßi là nút đích

Hình 1.10 là một ví dụ về m¿ng chuyển tiếp hai chiều, trong đó hai nút S và 1

ChuyÅn tiÁp hai chiÃu 04 pha

Đây là ph°¡ng thức chuyển tiếp hai chiều thông th°ßng, trong đó sự truyền dữ liệu từ S đến R rồi đến 1 S thực hiện, rồi sự truyền dữ liệu từ 2 S đến R rồi đến 2 S 1

Mô hình này đ°ợc miêu tÁ cụ thể nh° sau: - Pha thứ nhất: nguồn S gửi 1 x1 đến nút chuyển tiếp R

- Pha thứ hai: nút chuyển tiếp R chuyển tiếp x1 đến nguồn S Nút chuyển tiếp 2R có thể sử dụng kỹ thuật DF hoặc AF

- Pha thứ ba: Nguồn S gửi 2 x2 đến nút chuyển tiếp R - Pha thứ t°: Nút chuyển tiếp R gửi x2 đến nguồn S 1

Tác độ truyền dữ liệu của mô hình chuyển tiếp hai chiều 04 pha này là 2 dữ liệu/ 4 pha Để nâng cao tác độ truyền, các nhà nghiên cứu đề xuất mô hình chuyển tiếp hai chiều 03 pha

ChuyÅn tiÁp hai chiÃu 03 pha

Trong mô hình này, 01 pha truyền dữ liệu sẽ đ°ợc giÁm bớt thông qua ho¿t động XOR dữ liệu t¿i nút chuyển tiếp R [10]-[12] Nguyên lý ho¿t động của mô hình này đ°ợc mô tÁ nh° sau:

- Pha thứ nhất: Nguồn S gửi 1 x1 đến nút chuyển tiếp R Nút chuyển tiếp R sẽ giÁi mã x1 và l°u vào bộ đệm

- Pha thứ hai: Nguồn S gửi 2 x2 đến nút chuyển tiếp R Nút chuyển tiếp R sẽ giÁi mã x2, sau đó tiến hành XOR x1 và x2: x = x1 x2

- Pha thứ ba: Nút chuyển tiếp R gửi x đến cÁ hai nguồn S và 1 S Sau khi giÁi 2

mã x, hai nút nguồn S và 1 S sẽ lấy dữ liệu của chính mình XOR với x2  để đ¿t đ°ợc dữ liệu mong muán: x2 = x1 x và x1= x2 x

Do đó, chuyển tiếp hai chiều 03 pha đ¿t đ°ợc tác độ truyền: 2 dữ liệu/ 3 pha

1.3 Vô tuyÁn nh¿n thāc

Với sự gia tăng nhanh chóng của các thiết bị vô tuyến, đặc biệt là các thiết bị thông minh, sự khan hiếm phổ tần đang là bài toán nhức nhái trong triển khai các m¿ng vô tuyến Tuy nhiên, theo khÁo sát của các nghiên cứu trên thế giới và á Việt Nam, tần suất sử dụng phổ tần th°ßng xuyên (trừ băng tần di động và phát thanh) nhß h¡n 50% Điều này có nghĩa rằng hiệu quÁ sử dụng băng tần ch°a cao

Vào năm 1999, Giáo s° J Mitola đã đ°a ra ý t°áng về vô tuyến đ°ợc định nghĩa bằng phần mềm SDR (Sofware Defined Radio) [13], trong đó các cấu trúc chính là thành phần cao tần và xử lý băng tần gác đều có khÁ năng tự cấu hình để