Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Đánh giá hiệu quả các phương pháp lựa chọn Relay trong mạng truyền thông hợp tác

Do đó, luận văn này sẽ phân tích và đánh giá hiệu năng của các phương pháplựa chon relay dé hỗ trợ chuyên tiếp thông tin từ nguồn một cách tin cậy với hiệu quảsử dụng băng thông cao và c

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUÁ CÁC PHƯƠNG PHÁPLỰA CHỌN RELAY TRONG MẠNG

TRUYEN THONG HỢP TÁC

CHUYEN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TUMÃ SỐ: 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG TRINH DUOC HOÀN THÀNH TẠITRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA - ĐHQG — HCMCán bộ hướng dẫn khoa học: TS HO VĂN KHƯƠNG

Cán bộ cham nhận xét 1: TS LƯU THANH TRÀ

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS HUỲNH PHÚ MINH CƯỜNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bach Khoa, ĐHQG Tp HCMngày 30 tháng l2 năm 2013.

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:PGS.TS PHAM HONG LIÊN

TS LƯU THANH TRÀTS HUYNH PHU MINH CƯỜNGTS HO VĂN KHƯƠNG

TS VO QUE SƠN

mB WNXác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV va Trưởng Khoa quan lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨHọ tên học viên: Đỗ Thị Thanh Phuong MSHV: 11140042

Ngày, tháng, năm sinh: 24/09/1987 Nơi sinh: TP.Hồ Chí MinhChuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 605270

những khuyến nghị phù hợp.Ill NGÀY GIAO NHIỆM VU: 14/01/2013IV NGAY HOAN THANH NHIEM VU: 06/12/2013V CAN BO HƯỚNG DAN:TS HO VĂN KHƯƠNG

Tp HCM, ngày thăng năm 2014CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

LOI CAM ON

Lời đầu tiên, em xin gửi lời biết ơn chân thành nhất đến TS Hồ Văn Khương, làngười đã trực tiếp hướng dan em hoàn thành luận văn này Thay đã tận tinh hướngđi đúng đắn trong nghiên cứu khoa học, rèn luyện cho em cách làm việc khoa học vàtr duy khoa hoc, động thời, luôn theo dõi và định hướng em trong quá trình hoànthành dé tài Những điều này đã giúp em hoàn thành tốt và kịp tiễn độ luận văn này

Em xin cam ơn các thay cô khoa Điện-Điện tu, những người đã tán tình chibao, truyền đạt cho chúng em những kiên thức kỹ thuật nên tang và chuyên sáu, là cơSở quan trọng dé em hoàn thành luận văn nay và vững bước chuyên mén trong conđường sự nghiệp.

Em cũng xin gui lời cam on đến gia đình, bạn be, đã thường xuyên động viênvà chia sẻ những kiến thức quí báu giúp em hoàn thành thật tốt luận văn này

Mặc dù đã nỗ lực dé hoàn thành dé tài nhưng do kiến thức và những kinhnghiệm trong công tác nghiên cứu còn hạn chế nên dé tài còn nhiễu thiếu sót Emmong nhận được sự góp ý cua các thay cô và các ban.

TP Hô Chí Minh, ngày 06 tháng 12 năm 2013

Học viên thực hiệnĐổ Thị Thanh Phương

Hệ thông MIMO ra đời nhằm tăng dung lượng kênh truyén và độ tin cậy truyềntin mà không làm tăng băng thông Tuy nhiên, những hạn chế của hệ thông này là sửdụng nhiều anten tại nơi phát và thu, làm cho kích thước thiết bị lớn, không thuận tiệncho tính di động của thiết bị đầu cuối, công suất phát cho tất cả anten lớn làm hiệusuất hệ thống giảm Những khó khăn này là cơ sở để một hệ thống MIMO ảo ra đời,đó là mạng truyền thông hợp tác Truyền thông hợp tác sử dụng một hoặc nhiều thiếtbị relay tham gia vào việc chuyên tiếp tín hiệu giữa nguôồn và đích Sử dụng nhiềurelay vào việc chuyên tiếp có thé làm giảm tỷ lệ lỗi bit, tăng độ chính xác của thôngtin; tuy nhiên cách làm này gặp hạn chế về công suất phát và hiệu quả sử dụng băngthông Do đó, luận văn này sẽ phân tích và đánh giá hiệu năng của các phương pháplựa chon relay dé hỗ trợ chuyên tiếp thông tin từ nguồn một cách tin cậy với hiệu quảsử dụng băng thông cao và công suất phát thấp.

MIMO systems were born, aiming at increasing channel capacity andcommunication reliability without increasing transmission bandwidth However, thedisadvantages of these systems are several antennas deployed at transmitters andreceivers, making system size large and inappropriate for mobility of mobile devices.Difficulties pay the ground for the proposal of virtual MIMO systems, namelycooperative communication systems Cooperative communication uses one or manyrelays to assist information transmission from a source to a destination Employingseveral relays requires more transmission bandwidth and consumes more energy.Therefore, this thesis will analyze and evaluate the performance of relay selectionmethods in order to forward the information from the source reliably with highbandwidth efficiency and low total transmit power.

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các kêt quả, sô liệu nêu trongluận văn là trung thực Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam đoannói trên.

TPHCM, ngày 06 tháng 12 năm 2013

Học viên thực hiện

Đỗ Thị Thanh Phương

LOL CẢM ONivsssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssesssssossssnosssssosssssosssssosssssossssssssssnsssssssssssssssssssesssssosssssoseess iTOM TAT LUẬN VĂN <5 << G< S4 9E E9 7 0 9.0 0 0202000600 i

L 0:00 777 - :-‹+£.S |

I Khao sát các công trình nghién CỨU - <5 E3 E993 9 0g ng 2

II Tính cấp thiết của để tài 5-5 25c S121 2212311212111 2111 212111111111 210111 01111111 11T c1 4

IV Pham vi nghién 007 1 5

V _ Mục tiêu để tài chọn HH HH HH HH ng gi 6

VỊ _ Phương pháp nghiÊn CỨU - 2G s19 nọ TT nh th 6

an i07 -:::Œ1A 62 Mô phỏng các hệ thống - ¿2-52 %E9SE SE 2121921 12121211111 2111 23211111111 111111 110111 7Mi an 7

CHƯƠNG II: KIÊN THỨC TONG QUAIN -5<-5<<2 2422 02114 grAennksersoesiip 9

I Kênh truyén va các ảnh hướng trong thông tin vô tuyẾn ¿-¿- + 5552 s+xvzscxvxerrrcree 91 Tổng quan kênh truyÊN - ¿6-52 %2E92E SE 2E921 12191121211 11211121 1111210111111 11 0110111 92 _ Các yêu tố ảnh hưởng trong thông tin vô tuyẾn - +2 + 2 ++SS££E+E£+EvEEvxexersrrereee 11

3 Các mô hình kênh cơ bảïn - - <5 < 1623 E9 91 90100 HT hà 12

4 Dung lượng kênh truyền fading ¿+ ¿5 5% SE 2121921 3211121111121 1.21111111111111 re 165 Dung lượng thiếu hụt (outage €aDaCÏty) -¿- 5% 5 e1 121 3 1 2121111 11212121 11111011 1.crye 17

6 Cac kỹ thuật phân tẬp - - - -G cọ nh và 17

No, 9 ::‹+Œ+À 19I Mạng truyền thông hợp tac c.ccccccsccccsscsessssesesscsessesesesscsesscsesescscsussescsecscsessssesesscsesseseseescseseees 23

I Mô hình khảo sat oceccececccccsccssssscssessssessesscssesssessessssecsessssscsscsussssesassessessessssecsessessssecsesseeseses 30Il Các phương pháp lựa chon r€ÏV - 5 6 s11 111 ng 371 MỤC tIÊU -.- CC Q Q00 HS TH HH TT TH TH TH TH CC 372 Cac phương pháp lựa chon relay - - 5s 5 1 + 101019910 910 9g g vrre 37

CHƯƠNG IV: KET QUA MÔ PHOỎÒNG - 5° 5° 5< 5252 S2 99359 3593593503505565505505505500360 49

I M6 hinh m6 phon 22727277 ÔÖÔÔÖÖ 49

Il Kết qua mô phỏng các phương pháp lựa chon relay c.c.cecsccsessssssssseseseesesesscsesesscseeseseseeeeees 491 _ Các thông số cơ bản 6-55 S221 192121 13212111 21111111111111111 1111111111111 01111 T10 492 K6t qua MO Phong ch 6 adJ4/((/(:(/:(:Œ 50

CHUONG V: KET LUẬN VA HƯỚNG PHAT TRRIÈN 2 5-5 s2 s2 se se ssessese<e 631 {7 63

2 Huong g0: 1175:0777 7 :-1-‹12SSỎ 64

/V.\8019089:7)/8.4.7 (000 65

DANH MỤC TU VIET TAT

AF Amplify And Forward

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit Error Rate

CC Cooperative Communication

CF Compress And Forward

CSI Channel State Information

CTS Clear-To-Send

DF Decode And Forward

EF Estimate And Forward

MIMO Multiple-input And Multiple-output

MISO Multi- Input Single-Output

MRC Maximal Ratio Combining

RTS Ready-To-Send

SIMO Single-Input Multi-Output

SISO Single-Input Single-Output

SNR Sigal To Noise Ratio

Hình 1.1:Hình 1.2:Hình 2.1:Hình 2.2:Hình 2.3:Hình 2.4:Hình 2.5:Hình 2.6:Hình 2.7:Hình 2.8:Hình 2.9:Hình 3.1:Hình 3.2:Hình 3.3:Hình 3.4:Hình 3.5:Hình 4.1:

Mô hình truyền thông hợp tácMô hình hợp tác relay trong mạng di độngPhương pháp khuyếch đại và chuyền tiếpPhương pháp giải mã và chuyền tiếpMô hình khảo sát tổng quan

Mô hình lựa chọn relay theo kiểu reactiveMô hình lựa chọn relay theo kiểu proactiveCơ chế hoạt động trong quá trình lựa chọn relay tối ưuMô hình lựa chọn relay theo kiểu từng phân

Kết quả xác suất thiếu hut ( Puy — outage probability) đối với PP1 và PP2:thay đổi giá trị công suất fading của các tuyến (tương ứng trong hình vẽOmega <1, Omega =1, Omega >1)

Kết quả xác suất thiếu hut (P,,4 — outage probability) đối với PPI và PP2:thay đổi số lượng relay K=3; K=4; K=5

Kết quả xác suất thiếu hut (P,,,, — outage probability) đối với PP3: thay đốisố lượng relay K=3; K=4; K=5

Kết quả xác suất thiếu hụt (Pu; — outage probability) đối với PP3: thay đốitốc độ truyền bit R=0.6 bps/Hz; R=1bps/Hz; R=1 4bps/Hz

Kết quả xác suất thiếu hụt (P,,,, — outage probability) đối với PP3: thay đốihệ số phân chia công suất nguồn và relay ¢

Kết quả xác suất thiếu hụt ( Pau¿ — outage probability) so sánh giữa PPI vàPP2 với PP3: thay đối giá trị công suất fading của các tuyến (tương ứngtrong hình vẽ Omega<1, Omega =1, Omega >1)

Hình 4.10: Kết quả xác suất thiếu hut (P,,,4 — outage probability) so sánh giữa PP1 và

PP2 với PP3: thay đối số lượng relay K=4; K=5Hình 4.11: Kết quả xác suất thiếu hụt (Pu — outage probability) so sánh giữa PPI và

PP2 với PP3: thay đổi tốc độ truyền bit R=0.6 bps/Hz; R=1bps/HzHình 4.12: Kết quả xác suất thiếu hụt (P›„¿ — outage probability) so sánh giữa PP1 và

PP2 với PP3: thay đổi hệ số phân chia công suất nguồn và relay Ớ

CHUONG I: GIỚI THIEU DE TÀI

I Lý do chọn đề tai

Mạng truyền thông không dây đã phát triển thành công hơn hai mươi năm quavà sẽ tiếp tục trong tương lai Với việc triển khai các dịch vụ như đa phương tiện diđộng, các ứng dụng video di động, và điện thoại di động trực tuyến theo yêu cầu,chúng ta thấy được yêu cầu ngày càng cao đối với tốc độ dữ liệu trong thế hệ thứ ba(3G) hệ thống di động tế bào và xu hướng phát triển thành hệ thống 4G

Mặt khác, hiệu suất của việc truyền tải các dịch vụ băng thông nói trên bị giớihạn bởi sự suy yếu cường độ tín hiệu gây ra bởi kênh truyền vô tuyến Cụ thể, như tínhiệu truyền từ bộ phát đến bộ thu liên quan đến việc lan truyền sóng điện từ, phản xa,nhiễu xạ và tán xạ Ngoài ra, việc truyền sóng đa đường của các tín hiệu sẽ gây ra sựbiến thiên về biên độ, pha, độ trễ, thường quy vào fading

Những suy yếu của tín hiệu có thé được khắc phục băng nhiều cách như tăngcông suất phát, băng thông, hoặc áp dụng mã hóa sửa sai (ECC) Tuy nhiên, công suấtvà băng thông là tài nguyên khan hiếm và đắt trong mạng vô tuyến, trong khi ECClàm giảm hiệu suất truyền tin Do vậy, để có được tốc độ dữ liệu cao cùng với truyềntin cậy trên kênh vô tuyến có lỗi là một thách thức lớn

Mô hình tại bộ thu phát được trang bị nhiều anten có thé làm tăng đáng kề tốcđộ dữ liệu và độ tin cậy của mạng không dây Tuy nhiên do sự giới hạn bởi kíchthước, chi phí và giới hạn phan cứng tai các thiết bị thu phát không dây nên hệ thốngMIMO có thể không phù hợp cho các thiết bị di động nhỏ Một phương pháp mớiđược đề xuất gọi là truyền thông hợp tác Hệ thong nay được hình thành từ sự kết hợpcác tín hiệu phát đến các relay đóng vai trò chuyền tiếp, nham tạo ra các đường truyềnfading độc lập, cho phép dat được phân tập không gian cao Tuy nhiên, néu tat cả các

Chương I — Giới thiệu dé tài GVHD: TS Hồ Văn Khươngvà các relay phải lớn, và đòi hỏi sử dụng nhiều băng thông cho tất cả các relay choviệc chuyên tiếp tín hiệu, dẫn đến hiệu quả sử dụng băng thông thấp.

Cách tối ưu để công suất phát và băng thông được sử dụng hiệu quả mà vẫnđảm bảo tính chính xác của thông tin là lựa chọn một relay tốt nhất trong số các relayđể truyền tải thông tin Đó cũng là mục tiêu chính của luận văn Luận văn sẽ đánh giáhiệu quả của các kỹ thuật chọn relay trong mạng truyền thông hợp tác, phân tích vàđưa ra những ưu điểm cũng như hạn chế của từng phương pháp Từ đó, khuyến nghịsử dụng kỹ thuật hợp lý.

II Khao sát các công trình nghiên cứu

Các nghiên cứu trong lĩnh vực thông tin hợp tác đóng vai trò tiên phong [20]trong những năm 1970 với dung lượng của các kênh relay được nghiên cứu trong việctruyền tải thông tin với ba thiết bị đầu cuối (nguồn, relay, đích) Sau đó, dung lượngcủa kênh relay truyền bị ảnh hưởng của fading đã được kiểm tra [21]

a tuyén fading

© độc lap

Hình 1.1: Mô hình truyén hợp tác cơ bản: nguồn, relay, dichKhái niệm relay đã đạt được tầm quan trọng lớn trong nghiên cứu gần đây nhờ

nghiên cứu rộng rãi Ví dụ, dung lương của mạng relay đối với kênh Rayleigh fadingđã được nghiên cứu trong [13][15].

Hình 1.2: Mô hình truyền hợp tác gom nhiễu relayCác phương pháp chuyển tiếp dữ liệu từ relay đến đích: giải mã và chuyển tiếpDF [11][12]; khuếch đại và chuyên tiếp AF [22]; nén-chuyén tiếp (CF) [16] và ướcđoán-chuyền tiếp (EF) [23]; mã hoá hợp tác (CC) [24] Mỗi phương pháp đóng vai tròquan trọng trong việc chuyền tiếp dữ liệu từ nguồn đến đích thông qua relay, tùy vàomỗi yêu cầu, tính chất của hệ thống mà áp dụng phương pháp phù hợp

Với mô hình 1.2, K relay, nếu tat cả các relay đều tham gia vào chuyển tiếp tínhiệu, làm cho hiệu quả sử dụng băng thông không cao vì mỗi relay cần kênh truyềnriêng cho nó để không gây can nhiễu với các kênh truyền relay khác Do vậy, ta cầnđưa ra phương pháp để chọn lựa được một relay tối ưu nhất để chuyên tiếp tín hiệu

Chương I — Giới thiệu dé tài GVHD: TS Hồ Văn Khươnglợi phân tập [25] đề xuất hai mô hình proactive và reactive Với mô hình reactive,các relay sẽ nhận dữ liệu từ nguồn trong giai đoạn một Relay nào giải mã thành công,đồng thời có tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời giữa relay-đích lớn nhất sẽ được chọnlàm relay tốt nhất để chuyền tiếp dữ liệu đến đích trong giai đoạn hai Tuy cần phảitốn thời gian cho việc giải mã dữ liệu nhưng thông tin do relay truyền đến chính xáchơn Với mô hình proactive, relay tốt nhất sẽ được chọn dựa vào max{min{ty s6 tínhiệu trên nhiễu tức thời giữa nguén-relay, relay-dich}} Như vậy, mô hình nay cũngdựa vào end-to-end SNR lớn nhất, nhưng bị hạn chế nếu relay được chọn mã hoá sailàm cho thông tin đến đích không chính xác Ngoài ra, [26] đưa ra phương pháp chọnrelay dựa vào ngưỡng định trước Relay nào có giá tri SNR từ nguồn đến relay lớnhơn ngưỡng sẽ được giải mã và chuyền tiếp đến đích Với phương pháp này, ngay từđầu hệ thống đã xác định được giá trị SNR tối thiểu (ngưỡng) mà hệ thống có théchấp nhận Tu những relay được chon, thông tin sẽ được mã hoá và chuyển tiếp đếnđích Tại đích sẽ sử dụng kỹ thuật kết hợp tối đa MRC dé kết hop thông tin của nguồnvà đích Sau đó sẽ giải mã được thông tin chính xác của nguồn.

Ill Tinh cấp thiết của đề tài

Với hệ thong MIMO được trang bi nhiều anten tại bộ phát và bộ thu dựa trênkỹ thuật phân tập không gian nhăm làm tăng dung lượng kênh truyền mà không làmtăng băng thông và công suất phát Tuy nhiên, hạn chế của kỹ thuật MIMO cũng doviệc sử dụng nhiều anten tại đầu phát và thu Làm sự tương quan giữa nơi phát và thutăng, kích thước hệ thống lớn Ngoài ra, công suất phát cho tất cả các anten sẽ rất lớn.Như vậy hiệu suất hệ thống sẽ giảm

Nham khắc phục nhược điểm của hệ thống MIMO, một kỹ thuật phan tậpkhông gian khác được đưa ra, đó là truyền thông hợp tác

đích sẽ giảm đáng kể, dẫn đến suy hao kênh truyền giảm và tăng được công suất tínhiệu thu, cải thiện chất lượng truyền tin Ngoài ra, viéc kết hợp tín hiệu từ nguồn vàcác relay sẽ tạo ra phân tập không gian nên tăng cường độ tin cậy truyền tin Tuynhiên, kỹ thuật này vẫn gặp phải một số van dé như sau:

— Cần thêm nhiều bộ encoder và decoder hay bộ khuếch đại tại các relay.— Vấn đề công suất: tổng công suất phải được chia cho nguồn và nhiều

relay Điều này làm giảm công suất phát, dẫn đến chất lượng thông tinnhận được giảm.

— Hiệu quả sử dụng băng thông: nếu dùng nhiều relay, cần phải có băng

thông riêng cho việc truyền tải của mỗi relay Đòi hỏi băng thông lớn,hiệu quả sử dụng băng thông thấp

Chính vì vậy, việc nghiên cứu các phương pháp lựa chọn relay trong mạngthông tin hợp tác là yêu cau cấp thiết nhằm giải quyết được các van dé nêu trên Đó là,trong số các relay tham gia vào mạng, cần chọn ra được relay tối ưu để chuyền tiếpthông tin đến đích dựa vào các yếu tố kênh truyền, công suất phát, trong khi độ lợiphân tập vẫn bảo toàn như việc chọn tất cả các relay

IV Phạm vi nghiên cứu

Đề tài khảo sát các phương pháp lựa chọn relay trong mạng thông tin hợp tác.Mô hình khảo sát bao gồm:

— Một thiết bị nguồn trang bị một anten, một thiết bị đích trang bị một

anten, K relay với mỗi relay trang bị một anten

— Biết được thông tin trang thái kênh truyền CSI

Chương I — Giới thiệu dé tài GVHD: TS Hồ Văn Khương

Giao thức relay là dùng kỹ thuật DF.

— Truyền half-duplex và dual-hop.— Rayleigh fading.

— Nhiễu trăng Gaussian.— Đánh giá phương pháp dựa vào xác suất thiếu hụt.V Mục tiêu dé tài

Với mô hình truyền thông hợp tác có nhiều relay, đề tài sẽ đưa ra các phươngpháp để chọn relay tối ưu dựa vào việc cực đại dung lượng kênh truyền hay giảmthiểu xác suất thiếu hụt Relay tối ưu này sé dùng giao thức DF dé xử lý thông tinnhận được sau đó sẽ chuyên tiếp đến đích Hiệu quả của các phương pháp chọn relaytrong mạng thông tin hợp tác sẽ được đánh giá thông qua xác suất thiết hụt nhằm rútra các ưu khuyết điểm của chúng, đồng thời khuyến nghị lựa chọn phương pháp phùhợp.

VỊ Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bao gôm 2 nội dung chính : nghiên cứu lý thuyết và môphỏng hệ thống Việc mô phỏng nham xác thực, đánh giá lại kết quả lý thuyết, đồngthời, kết quả lý thuyết làm cơ sở cho mô phỏng

I Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết được chia thành các giai đoạn sau:% Bước 1: Tìm hiểu những ảnh hưởng của kênh truyền tác động lên hệ

thống viễn thông Từ đó tìm hiểu mô hình kênh truyền Rayleigh, những

% Bước 2: Tìm hiểu về các kỹ thuật phân tập, dung lượng kênh truyền,dung lượng thiếu hụt.

s* Bước 3: Tìm hiêu vê mô hình truyền thông hợp tác, vai tro relay đôi vớimạng hợp tác.

% Bước 4: Tù mô hình kênh truyền và các kiến thức của phân phốiRayleigh, phân tích kỹ thuật DF và xác định điều kiện dung lượng kênhtruyền Đây là cơ sở để xây dựng xác suất thiếu hụt trong mô hìnhtruyền thông hợp tác

lv* Bước 5: Dua ra các phương pháp lựa chon relay để chuyền tiếp thôngtin từ nguồn đến đích Dựa vào các thông số kênh truyền, ta xác địnhđược xác suất thiếu hụt Đông thời, thay đổi các thông số liên quantrong từng phương pháp để có cái nhìn toàn diện hơn

2 Mô phỏng các hệ thống

Công cụ hỗ trợ mô phỏng là phần mềm Matlab Nội dung đề tài tập trung vàoxác định giá trị xác suất thiếu hụt của hệ thống Trong quá trình mô phỏng, từ cácphương pháp đã được xây dựng, dựa vào công thức được thiết lập trong phần nghiêncứu lý thuyết, ta tiến hành thay đổi các thông số liên quan: số lượng relay, độ lợi kênhtruyền, tốc độ truyền dữ liệu bit, hệ số phân chia công suất nguồn và relay để đánh giáđược sự thay đổi của xác suất thiếu hụt

VII Bồ cục luận van

Luận văn được chia thành 5 chương như sau:

%% Chương 1: Giới thiệu dé tài, lý do, mục đích, phương pháp và phạm vinghiên cứu.

Chương I — Giới thiệu dé tài GVHD: TS Hồ Văn Khương

oo

lv

Chương 2: Dua ra những lý thuyết co ban liên quan đến đề tài nghiêncứu: kênh truyền và những ảnh hưởng của kênh truyền đến hệ thống:các kĩ thuật phân tập; truyền thông hợp tác

Chương 3: Đưa ra các phương pháp lựa chọn relay trong mạng truyềnthông hợp tác Từ đó, phân tích và xây dựng công thức tính xác suấtthiếu hụt P„

Chương 4: Thực hiện mô phỏng, đánh giá kết quả về P„„¿ với từngphương pháp.

Chương 5: Nêu lên kết quả đạt được và hướng phát triển đề tài

CHUONG II: KIÊN THUC TONG QUAN

I Kênh truyén và các ảnh hưởng trong thông tin vô tuyến

1 Tổng quan kênh truyền

Đối với đường truyền tín hiệu vô tuyến lý tưởng, tín hiệu nhận được chỉ baogdm đường truyền tín hiệu đơn trực tiếp Tín hiện phát sẽ được tái tạo hoàn chỉnh nhưban đầu Tuy nhiên trên thực tế tín hiệu sẽ bị thay đối trong suốt quá trình truyền Bởingoài máy phát và máy thu thì kênh truyền là một khối quan trọng trong mô hìnhtruyền tin Vì nó là môi trường dé truyền tin từ máy phát đến máy thu và có cau trúctương đối phức tạp Chính vì vậy kênh truyền ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng các hệthong thông tin

May phat | —=—_,] Kênh truyền [-=_»| May thu

Hình 2.1: So đô khối hệ thống truyền tinCác kênh truyền vô tuyến chịu tác động mạnh mẽ của môi trường, song vôtuyến được truyền qua môi trường vật lý có nhiều cau trúc và vật thé như tòa nha, đôinúi, cây cối, xe cộ do đó, các kênh truyền vô tuyến không ổn định theo thời giannhư các kênh truyền hữu tuyến Tín hiệu đi qua kênh truyền vô tuyến bị tác động trựctiếp của các yếu tô môi trường như tán xạ, phản xa, bức xạ, nhiễu xạ, và kết quả làtại máy thu, nhận được nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu về độ trễ, lệch pha vàsuy giảm biên độ Các kênh truyền nay được mô hình hóa gọi là các kênh truyềnfading.

Chương II — Kiến thức tong quan GVHD: TS Hô Văn Khương

a)

(2.1)

trong đó: L là path loss tinh theo dB, vad là bước sóng va khoảng cách lantruyền, tính theo m

s“ Phản xạ: hiện tượng phản xạ xảy ra khi sóng vô tuyên đập vào các vậtcản có kích thước lớn hơn nhiêu so với bước sóng, cụ thê là bê mặt trái đât,núi, tường các tòa nha,

s Nhiều xạ: xảy ra do sóng điện từ đập vào các bê mặt sac cạnh, các thành

sờ của các câu trúc.

>,

s Tan xạ: xảy ra do kích thước của các vật thê trong môi trường truyềnsóng nhỏ hơn bước sóng Tán xạ xảy ra khi sóng vô tuyên gặp các ký hiệu giaothông, cột đèn đường,

2 Các yếu tô ảnh hướng trong thông tin vô tuyến

Từ những đặc điểm của kênh truyền vô tuyến, các hệ thống thông tin vô tuyếnchịu ảnh hưởng của các yếu tô sau:

2.1 Su suy hao trên đường truyềnSuy hao là sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máyphát đến máy thu do sự hấp thụ tín hiệu bởi nước, không khí, vật bị chan, bi phản xạtừ mặt đất

2.2 Hien tượng đa đường

Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, giữa nơi phát và nơi thu luôn tôn tạicác vật thé cản trở sự truyền sóng trực tiếp, nên các bức sóng điện từ thường khôngbao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Do đó, sóng nhận được tại nơi thu chínhlà sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, tán xạ, từcác tòa nhà, cây cối và các vật thé khác Hiện tượng này gọi là hiện tượng đa đường.Tín hiệu thu được là tong các bao sao tín hiệu phát Cac bản sao nay bị suy hao, trễ,dịch pha và có ảnh hưởng lẫn nhau Tùy thuộc vào pha của từng thành phần mà tín

Chương II — Kiến thức tong quan GVHD: TS Hô Văn Khươnghiệu chồng chập có thé khôi phục lại hoặc bị hư hỏng hoàn toàn Ngoài ra, khi truyềntín hiệu số, đáp ứng xung có thể bị méo khi qua kênh truyền đa đường và máy thunhận được các đáp ứng xung độc lập khác nhau Hiện tượng này gọi là sự phân tánđáp ứng xung Hiện tượng méo gây ra bởi kênh truyền đa đường thì tuyến tính và cóthé được bù lại ở phía thu bang các bộ cân bằng.

2.5 Trải trễ (delay spread)

Trải trễ là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tin hiệuphản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiện tượng fading đa đường

3 Các mô hình kênh cơ bản

3.1 Kênh truyền RayleighTrong những kênh vô tuyến, kênh truyền Rayleigh thường được dùng dé mô tảbản chat thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phang thu được hoặcđường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ

Đề mô hình cho sự phân bố các hệ số kênh truyền, có nhiều phương pháp đượcsử dung, trong đó, phân bố Rayleigh và phân bố Rican là được sử dụng rộng rãi nhất

Điểm khác nhau của 2 loại phân bố này là phân bố Rayleigh không bao gồm tín hiệutruyền thăng Light-of-Sight.

Kênh truyền Rayleigh được mô hình hóa như sau:

r0)=Xe|¬ ma Jưy0 (2.3)

với độ lợi kênh truyền H, có phân bố mũ và giá trị trung bình 207

Xác suất để đường bao của tín hiệu nhận được không vượt qua một giá trị Rcho trước được cho bởi hàm phân bó tích lũy:

Chương II — Kiến thức tong quan GVHD: TS Hô Văn Khương

=

=O,!1—

2= 1.25330

¬I|

(2.5)

và phương sai øˆ (công suất thành phần AC của đường bao tín hiệu):

o = E| r? |-E*[r]= |? p(r)ar- ot

2

= 0.42920"

(2.6)

Giá tri hiệu dung của đường bao là ¥2o0 (căn bậc hai của giá trị trung bình

bình phương) Gia tri median của r tìm được khi giải phương trình:

' =f p(r)dr=>t„„ =1.177ø (2.7)

Về mặt toán học, nhiều trăng là một tín hiệu ngâu nhiên có mat độ phân bôcông suât phăng nghĩa là tín hiệu nhiêu có công suât băng nhau trong toàn khoảngbăng thông.

Chúng ta không thể tạo ra nhiễu trắng theo đúng lý thuyết vì theo định nghĩacủa nó, nhiễu trăng có mật độ phố công suất phân bố trong khoảng tan vô han và dovậy nó cũng phải có công suất vô hạn Tuy nhiên, trong thực tế, chúng ta chỉ cần tạora nhiễu trắng trong khoảng băng tần của hệ thống chúng ta đang xem xét

Nguồn nhiễu trang n(t)c6 thé được mô hình bang một biến xác suất Gaussiancó giá trị kì vọng w=0 va độ lệch chuẩn Oo

Chương II — Kiến thức tong quan GVHD: TS Hô Văn Khương

ø? = El(x~ ¿2 | (2.9)

Ngoài nhiễu trắng Gaussian chúng ta còn có nhiễu trắng Poisson, Cauchy, Khi miêu tả hệ thống bang toán học chúng ta hay sử dụng nhiễu AWGN (additivewhite Gaussian noise) vì loại nhiễu này dé tạo ra nhất

4 Dung lượng kênh truyền fading

Kênh truyền dẫn là phương tiện mang thông tin từ máy phát đến máy thu nênkhả năng mang thông tin của nó là một yếu tô co bản quan trọng Dung lượng kênh làmột đại lượng thé hiện khả năng mang tin của kênh truyền dan, được định nghĩa là tốcđộ truyền tin giữa máy phát và máy thu lớn nhất mà vẫn đảm bảo xác suất tín hiệuthu bị lỗi ở mức nhỏ tùy ý Một hệ thống truyền thông có dung lượng kênh cànglớn thì tốc độ truyền tin càng cao, lượng thông tin được truyền càng nhiều hơn trongmột đơn vi thời gian.

Kênh truyền thay đối ngẫu nhiên nên dung lượng kênh cũng là một biến ngẫunhiên Giả sử máy thu phải biết day đủ thông tin trạng thái kênh truyền (Channel StateInformation), tức là biết các hệ số kênh truyền h, dung lượng kênh được tính là:

Dung lượng kênh tỷ lệ thuận với tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) Tínhiệu thu có công suất càng lớn so với nhiễu, hệ thong được khử nhiễu tốt, dung lượngkênh sẽ càng lớn.

5 Dung lượng thiếu hut (outage capacity)

Ngoài đại lượng dung lượng kênh truyền, đại lượng dung lượng thiếu hụt cũnglà một đại lượng pho biến đánh giá hiệu quả của hệ thống truyền tin với kênh truyềnfading Thiếu hut là hiện tượng dữ liệu không thể khôi phục thành công ở máy thu.Dung lượng thiếu hụt được xác định theo xác suất xảy ra hiện tượng thiếu hụt Nếutốc độ truyền tin của hệ thông có kênh truyền flat-fading là R thì hiện tượng thiếu hutxảy ra khi R lớn hơn dung lượng kênh truyền:

6 Cac ky thuat phan tap

Hiện tượng fading anh hưởng mạnh đến chất lượng truyén tin trong hệ thong.Để hạn chế ảnh hưởng của nó, tăng thêm một lượng công suất phát, còn gọi là

Chương II — Kiến thức tong quan GVHD: TS Hô Văn Khươngkhác là sử dụng kỹ thuật phân tập Kỹ thuật phân tập tăng hiệu quả truyền tin cho hệthống bằng cách truyền độc lập nhiều bản sao của tín hiệu trên kênh truyền đa đường,khi đó xác suất xảy ra tất cả các bản sao tín hiệu truyền bị suy giảm mạnh do fadingđược giảm đáng kể nên hiệu quả khôi phục tín hiệu sẽ cao hơn Việc truyền nhiều bảnsao tín hiệu có thể được thực hiện trong miễn thời gian, tần số hoặc không gian.

6.1 Phan tập thời gian:

Phân tập thời gian có thé đạt được bang cách phát những mau tin giống nhautrong các khe thời gian khác nhau, kết quả là có được các tín hiệu fading không tươngquan tại đầu thu

Yêu cầu của phương pháp này là khoảng thời gian giữa các lần phát bản saophải ít nhất bằng thời gian kết hợp của kênh truyền Trong truyền thông di động, mãsửa sai được kết hợp với bộ xáo trộn để đạt được phân tập thời gian Trong trườnghợp này, những bảo sao của tín hiệu phát thường đưa tới bên thu dưới dạng dư thừatrong miễn thời gian băng bộ mã sửa sai Khoảng thời gian tách biệt giữa các ban saocủa tín hiệu phát được tạo ra băng bộ xáo trộn dé thu được các fading độc lập tại ngõvào của bộ giải mã.

Vì thời gian xáo trộn dẫn tới giải mã trễ, kỹ thuật này thường rất hiệu quả vớimôi trường fading nhanh (tốc độ di chuyền lớn) khi mà thời gian kết hợp là nhỏ Vớikênh fading chậm, một bộ xáo trộn lớn có thé dẫn tới trễ rất lớn và không thé dùngcho những ứng dụng thời gian thực như video, âm thanh, Chính vì vậy, phân tậpthời gian không thể giúp giảm được suy hao fading Một nhược điểm nữa đó là môhình này tạo ra dư thừa miễn thời gian, nghĩa là làm lãng phí băng thông

6.2 Phan tập tan số:

được các fading độc lập Băng thông kết hợp sẽ khác nhau với các môi trường khácnhau Trong những hệ truyền thông di động, những bản sao tín hiệu phát được đưatới nơi thu dưới dang dư thừa trong miễn tan số bang tín hiệu trải phd Các kỹ thuậttrải phd sẽ hiệu quả khi băng thông kết hợp của kênh truyền là nhỏ Tuy nhiên, khibăng thông kết hợp của kênh truyền lớn hon dải thông tín hiệu trải pho, trải trễ đađường sẽ nhỏ so với chu kỳ ký hiệu (kênh truyền phăng) Trong trường hợp này, trảiphố sẽ không hữu hiệu trong việc phân tập tần số Cũng giống như phân tập thời gian,phân tập tần số làm giảm hiệu suất phố do có dư thừa trong miễn tân số.

6.3 Phân tập không gian:

Phân tập không gian là kỹ thuật phố biến trong truyền thông vi sóng không dâyvà còn được gọi là phân tập anten Kỹ thuật này sử dụng nhiều anten hay những dãyanten sắp xếp cùng nhau trong không gian dé truyền hay nhận tín hiệu Những antennay được đặt cách nhau một khoảng thích hợp để các tín hiệu trên từng anten khôngtương quan Khoảng cách nay thay đổi theo độ cao anten, môi trường lan truyền vàtần số Thường thì khoảng cách này băng khoảng một vài bước sóng là đủ để có đượcnhững tín hiệu không tương quan.

Trong phân tập không gian, những bản sao của tín hiệu phát thường được gửitới máy thu dưới dạng dư thừa trong miền không gian Không như phân tập thời gianvà phân tập tần số, phân tập không gian không làm suy giảm hay mat mát về hiệu suấtpho Tính chất này cho thay đây là kỹ thuật thích hợp với sự phát triển của công nghệtruyền thông vô tuyến tốc độ dữ liệu cao trong tương lai

7 — Hệ thống MIMO

7.1 Mô hình kênh

Chương II — Kiến thức tong quan GVHD: TS Hô Văn KhươngGiả sử hệ thông MIMO ta xét gồm n+ đầu vào tương ứng với tr anten phát vàNp đầu ra tương ứng với Neg anten thu Hệ thống có thể được mô tả trên hình:

Hình 2.5: Mô hình kênh truyền MINOKhi chỉ có một anten phát và một anten thu, hệ thong suy biến thành hệ thốngmột đầu vào và một dau ra, SISO (Single-Input Single-Output) Còn nếu có + > 1anten phát và một anten thu thì đó là hệ MISO (Multi- Input Single-Output), ngược lạinếu chỉ có một anten phát và có Np > 1 anten thu thì hệ thống suy biến thành hệSIMO (Single-Input Multi-Output).

Với mô hình trên, mỗi kênh truyền dẫn giữa một cặp anten phát i và anten thu jlà một kênh vô tuyến có đáp ứng kênh truyền là Ajj, j = 1,2, , mg, i = 1,2, , np.Vậy nên, hệ thống sẽ có mg kênh vô tuyến thành phan, nghĩa là nrn„ kênh SISO.Các kênh thành phan này có thé độc lập hoặc tương quan với nhau

Ở hệ thông MIMO, dòng dữ liệu phát, sau khi được ánh xạ thành các symbol

anten phát một anten thu SISO Tuy nhiên, do các luông dữ liệu thu được tại máy thubị nhiễu lẫn nhau, nên tăng số lượng anten phát đồng nghĩa với việc tăng nhiễu đồngkênh giữa các luông dữ liệu Vì vậy làm tăng bit lỗi.

Ta có quan hệ giữa tín hiệu phát, tín hiệu thu và đáp ứng kênh truyền đượcbiểu diễn như sau:

hNpl "¬ ngHr |

7.2 Dung lượng kênh MIMO

Năm 1948, Shanon lan dau tiên dé xuất dung lượng kênh cho kênh nhiễuAWGN:

Chương II — Kiến thức tong quan GVHD: TS Hô Văn Khương

C= Blog,| 1+ Pts Sih, (2.17)

No ‘AKénh SIMO:

Tuy vậy, kỹ thuật MIMO cũng có các hạn chế của nó MIMO có nhiều antenphát tại đầu vào và nhiều anten thu tại đầu ra; điều này đem lại lợi thế về sự đa dạngkhông gian; tuy nhiên, đây cũng là hạn chế của nó Sử dụng nhiều anten phát và thulàm cho sự tương quan giữa nơi phát và thu tăng Hơn nữa, điều này làm cho kíchthước hệ thống sẽ lớn Đây là hạn chế lớn về mặt thương mại cũng như thâm mỹ Mộtthiết bị đi động sẽ có kích thước lớn nếu có nhiều anten trên đó Một hạn chế nữa lànếu có nhiều anten phát, công suất phát cho tất cả các anten sẽ rất lớn Như vậy hiệusuât hệ thông sẽ giảm.

Một kỹ thuật đa dạng không gian khác đang được nghiên cứu phần nảo đókhắc phục được nhược điểm của MIMO; đó là truyền thông hợp tác

II Mang truyền thông hợp tác

Trong hệ thống thông tin, nhằm nâng cao chất lượng thông tin, tốc độ truyềndan, người ta dựa trên kỹ thuật phan tap phat va phân tập thu trang bị nhiều anten tạibộ phát và bộ thu Tuy nhiên, với mô hình này đòi hỏi công suất phát cho tất cả cácanten sẽ rất lớn, hiệu suất hệ thống sẽ giảm; kích thước hệ thống lớn; hơn nữa khôngthuận tiện trong việc di động đối với người dùng đầu cuối Với những hạn chế nêutrên, là cơ sở cho việc phát triển kỹ thuật truyền thông hợp tác

Mạng truyền thông hợp tác dựa trên kỹ thuật phân tập không gian, cho phépngười dùng có thé hoạt động như một trạm chuyển tiếp hỗ trợ truyền tín hiệu đếnngười khác Thiết bị chuyển tiếp relay cùng với máy phát hợp tác truyền tín hiệu đến

máy thu, tạo nên một mảng anten ảo mặc dù mỗi máy chỉ có một anten Mảng anten

ảo này tương tự như mảng anten vật lý, có thể giảm ảnh hưởng của hiện tượng fadingvì cho phép máy thu thu được nhiều bản sao của tín hiệu từ nhiều đường khác nhau,mang lại hiệu quả tương tự như kỹ thuật MIMO.

User 2 L]

Hình 2.6: Mô hình truyền thông hợp tácNhư trong mô hình 2.6, mỗi thiết bị đầu cuối đều được trang bị một anten KhiUserl truyền tín hiệu đến trạm, đồng thời User2 cũng nhận được bản tin phát tín hiệutừ Userl Từ đó, User2 đóng vai trò như một relay chuyền tiếp tín hiệu này đến tram,hình thành nên sự phân tập không gian tại trạm Nhờ đó, tăng hiệu quả của hệ thốngthông tin.

1 Relay và vai trò relay trong mạng truyền thông hợp tác

Trong các hệ thống thông tin võ tuyến, VIỆC lắp đặt các trạm với mật độ quácao không phải là giải pháp tối ưu cả về chi phí và kỹ thuật Trong khi đó, công suấtphát giữa trạm và thiết bị đầu cuối là giới hạn Do đó, để mở rộng vùng hoạt động vàhiệu quả của các mạng thông tin, người ta sử dung relay như một giải pháp khá hiệuquả.

Một hệ thống thông tin sử dụng relay với hai mục đích:— Tạo khả năng phân tập cho hệ thống nhăm tăng chất lượng và tốc độ

— Chuyển tiếp tín hiệu nhằm mở rộng vùng phủ sóng khi thiết bị đầu cuối

không thể liên lạc trực tiếp được với trạm thu phát sóng.Trong môi trường truyền nhận tín hiệu trực tiếp giữa thiết bị đầu cuối và trạmthu phát sóng, khi khoảng cách quá lớn, tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR nhỏ, tại trạmthu phát sóng có thể không nhận được tín hiệu hoặc tín hiệu đã bị sai lệch so với banđầu Khi đó, việc sử dụng một hoặc nhiều relay đóng vai trò chuyền tiếp trung gian,tạo thành một phân tập, nhờ đó, chất lượng va tốc độ tín hiệu tăng lên đáng kế màkhông cân tăng công suất phát tại các thiết bị đầu cuối

~#~

“``T———w®> =:\i

Hình 2.7: Mô hình hợp tác Relay trong mang di động

2 Các cơ chế chuyển tiếp tín hiệu

Relay sử dụng nhiều phương pháp chuyển tiếp dữ liệu như: khuếch dai vàchuyển tiếp (AF); giải mã và chuyền tiếp (DF), nén và chuyển tiếp (CC) Đề tài chỉgiới han ở phương pháp DF, một phương pháp sử dụng pho biến bởi tính hiệu quả và

Chương II — Kiến thức tong quan GVHD: TS Hô Văn Khương2.1 Phuong pháp khuếch dai và chuyền tiếp

Mỗi relay nhận được một phiên bản khác nhau của tín hiệu sốc Relay chỉ thựchiện việc khuếch đại tín hiệu mà nó nhận được (bao gồm cả tín hiệu gốc và nhiễu) rồitruyền dữ liệu đến đích Tín hiệu của nguồn và relay được kết hợp tại đích để khôiphục tín hiệu ban đầu Mặc dù nhiễu cũng được khuếch đại, tuy nhiên đích nhận haiphiên bản tín hiệu có thể đưa ra một quyết định chính xác hơn trong quá trình giãi mãthông tin.

Ve h,.X, +N, (2.20)

với n, là nhiễu AWGN tai relay k

x, = By, (2.21)

với hệ số / được xác định như sau:

bB= (2.22)

o h,,: hệ số kênh truyền fading giữa relay và đích

o m,: nhiều AWGN tại đích

Relay loại này có ưu điểm là không cần phải giải mã các tín hiệu từ nhiều usertrên kênh truyền đa truy nhập, do đó không phải chịu lỗi gộp của nhiều user Đôi khirelay dạng này còn được gọi là Analog Network Coding.

2.2 Phương pháp giải mã và chuyên tiếpRelay đóng vài trò là thiết bị trung gian giữa bộ phát và bộ thu Relay nhận tín

Chương II — Kiến thức tong quan GVHD: TS Hô Văn Khươngmã thành công, relay truyền tín hiệu này đến cho đích Ngược lại, nếu việc giãi mãkhông thành công, relay sẽ không truyền gói tin mà nó nhận Relay có thể được chọnbởi trạm sốc hoặc thông qua một vài kỹ thuật lựa chọn relay.

())

ooo 2ooo

— Đôi với non_selective DF, relay luôn truyền tai tín hiệu dén đích; cho

dù nó có thé giải mã thành công thông tin của nguồn hay không.— Đối với selective DF, relay truyền tải thông tin nguôn chỉ khi nó giải

mã chính xác thông tin nguồn.Mô hình hoạt động của loại relay này có thể được mô tả như sau:— Nguồn truyền tín hiệu x, tới relay trên kênh truyền fading, tín hiệu thutại relay có dạng:

trong do: