Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Đánh giá ảnh hưởng của thông tin kênh truyền thông đầy đủ lên các mô hình thông tin hợp tác

TÓM TẮT LUẬN VĂN Truyền thông hợp tác là một kỹ thuật được sử dụng nhằm thu dược độ lợi phân tập thông qua quá trình truyền tin hợp tác giữa nút nguồn và các nút relay .Các điều kiện thự

GIỚI THIỆU

L Ý DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, với mục đích nâng cao dung lượng và hiệu suất trong môi trường truyền thông không dây [16] [17] , người ta đã tiến hành nhiều nghiên cứu về MIMO Tuy nhiên, do sự hạn chế về kích thước, chi phí và giới hạn về triển khai phần cứng, các thiết bị không dây có thể không có nhiều khả năng để triển khai nhiều anten trên một thiết bị di động [14] Do đó, kỹ thuật “phân tập dựa trên hợp tác” ra đời như là một sự thay thế hệ thống MIMO

Người ta đã chứng minh được rằng kỹ thuật “phân tập dựa trên hợp tác” có khả năng nâng cao hiệu quả về phổ và năng lượng trong mạng truyền thông không dây Ý tưởng chính của “phân tập dựa trên hợp tác” là trong một môi trường không dây, tín hiệu truyền từ một nguồn (S) sẽ đi qua các node trung gian được gọi là “node relay” Tín hiệu từ nguồn (S) và các cộng sự của nó hợp tác với nhau tạo thành

“chuỗi anten ảo”, mặc dù các node này chỉ có một anten Mạng phân tập dựa trên hợp tác có bậc phân tập bằng với số đường có được giữa nguồn và đích

Những năm gần đây, đã có nhiều nỗ lực nghiên cứu để phân tích hiệu suất của các mô hình truyền thông hợp tác Nhưng hầu hết các nghiên cứu đó đều cho rằng thông tin kênh truyền được biết ở đầu thu Tuy nhiên trong thực tế, thông tin kênh truyền cần phải được ước lượng và hầu hết các giải thuật ước lượng kênh truyền đều tạo ra sai số, dẫn đến thông tin kênh truyền không đầy đủ ở phía thu Do đó, việc đánh giá hiệu quả mạng relay giải mã và chuyển với thông tin kênh truyền không đầy đủ rất cần thiết

Đứng trước nhu cầu thực tế, luận văn nghiên cứu xây dựng hệ thống hợp tác giữa nhiều relay dựa trên giao thức "giải mã và chuyển tiếp".

Trang 2 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa

Luận văn này sẽ phân tích hiệu quả mạng relay giải mã và chuyển tiếp với thông tin kênh truyền không đầy đủ, nhằm làm rõ ưu điểm và khuyết điểm của sự kết hợp kỹ thuật relay Phân tích ảnh hưởng của các thông số mạng đối với chất lượng mạng Đưa ra các khuyến cáo về giới hạn chất lượng của mạng relay giải mã và chuyển tiếp Từ kết quả phân tích, đề xuất các giải pháp lựa chọn các thông số hệ thống cho phù hợp nhằm cải thiện chất lượng mạng Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu chính là mạng truyền thông hợp tác

- Phương pháp xử lý tín hiệu tại relay: giải mã và chuyển tiếp (DF)

- Mô hình kênh truyền dùng để đánh giá: kênh truyền Rayleigh với thông tin kênh truyền không đầy đủ

- Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thông số mạng đối với chất lượng mạng Đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện chất lượng

- Kỹ thuật Relay: giải mã và chuyển tiếp (DF) với mô hình multihop.

P HƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Thu thập tài liệu, bài báo kỹ thuật liên quan đến mạng vô tuyến hợp tác, kỹ thuật relay, kênh truyền vô tuyến, các thước đo đánh giá hiệu quả hệ thống

- Nghiên cứu các mô hình thông tin kênh truyền không đầy đủ và phương pháp ước lượng kênh truyền

- Phân tích và mô phỏng mạng relay với thông tin kênh truyền không đầy đủ để đánh giá chất lượng mạng theo nhiều thông số khác nhau

- Nhận xét các kết quả nhằm đưa ra các khuyến nghị và giải pháp cải thiện chất lượng hệ thống mạng

- Kết quả phân tích sẽ được kiểm chứng với kết quả mô phỏng lý thuyết

K ẾT QUẢ VÀ ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN

- Luận văn đã phân tích và đánh giá mạng relay giải mã và chuyển tiếp với thông tin kênh truyền không đầy đủ Đưa ra được biểu thức tính tỷ lệ lỗi bit (BER) của mạng

- Dựa vào kết quả phân tích, luận văn đã đưa ra được kết quả mô phỏng, phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến chất lượng mạng Kết quả, tỷ lệ lỗi bit BER phụ thuộc rất lớn vào các thông số của mạng như: công suất relay, mô hình và phương pháp ước lượng kênh truyền, vị trí và số lượng relay, số lượng pilot symbol, hệ số suy hao trong không gian Từ kết quả phân tích, luận văn đã đưa ra các khuyến nghị và giải pháp cải thiện chất lượng hệ thống mạng.

B Ố CỤC CỦA LUẬN VĂN

Bố cục luận văn gồm có sáu chương:

 Chương 2: Lý thuyết thông tin vô tuyến

 Chương 3: Tổng quan mạng truyền thông hợp tác

 Chương 4: Phân tích chất lượng mạng relay giải mã và chuyển tiếp Chương này phân tích và xây dựng biểu thức tính tỷ lệ lỗi bit BER của mạng

 Chương 5: Kết quả mô phỏng Chương này trình bày các kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu quả của mạng relay Đưa ra các khuyến nghị và giải pháp nhằm cải thiện chất lượng mạng

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÔ TUYẾN

M ÔI TRƯỜNG KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động:

 Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF

Khi sóng truyền từ nguồn phát đến máy thu gặp vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng, hiện tượng nhiễu xạ sẽ xảy ra.

 Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng

2.1.2 Các hiện tượng xảy ra đối với tín hiệu

 Hiện tượng đa đường: là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, khúc xạ của sóng điện từ khi gặp phải các vật cản trên đường truyền Năng lượng tín hiệu sẽ bị phân tán

Trang 5 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa theo nhiều hướng Do đó tín hiệu đến máy thu là tập hợp của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau, suy hao khác nhau với biên độ và pha khác nhau Sự xếp chồng các tín hiệu này ở máy thu tạo ra một tín hiệu phức tạp với biên độ và pha thay đổi rất nhiều so với tín hiệu ban đầu

 Hiện tượng doppler: gây ra do sự thay đổi vị trí tương đối của các vật thể trên đường truyền, làm cho đặc tính của kênh truyền thay đổi theo thời gian Hiện tượng này tác động lên tín hiệu trên những phạm vi nhỏ, trong khoảng thời gian ngắn Do đó đây còn được gọi là fading phạm vi nhỏ hoặc fading nhanh

 Hiện tượng che khuất: xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che khuất bởi các vật thể với mật độ dày và các vật thể này có kích thước lớn so với bước sóng Khác với hiện tượng Doppler, hiện tượng che khuất tác động lên tín hiệu trên phạm vi lớn, trong khoảng thời gian dài nên còn được gọi fading phạm vi lớn hoặc fading chậm

 Hiện tượng suy hao đường truyền: hiện tượng này giống như suy hao đường truyền trong không gian tự do Tuy nhiên, trong môi trường truyền sóng di động thường không tồn tại đường truyền thẳng (LOS), do đó công suất tín hiệu sẽ bị suy hao nhiều hơn so với trong không gian tự do Công suất tại phía thu trong không gian tự do là :

Trang 6 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa trong đó: P t : là công suất phía phát (W), P r (d) là công suất thu được

G t : là độ lợi anten phát và G r là độ lợi anten thu d: là khoảng cách truyền (m)

L: là hệ số suy hao (L ≥1)

𝝀: là khoảng cách bước sóng (m).

K ÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Trong thông tin vô tuyến, kênh truyền vô tuyến là một yếu tố luôn được xét đến Bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng to lớn đến hoạt động của hệ thống Để hạn chế ảnh hưởng kênh truyền và thiết kế thành công hệ thống thông tin với các thông số tối ưu, ta phải nắm bắt được các đặc tính của kênh truyền vô tuyến cũng như mô hình hoá kênh truyền hợp lý Chúng ta sẽ cần có cái nhìn tổng quan về đặc tính kênh truyền đồng thời phân loại kênh truyền vô tuyến theo đặc tính của chúng Người ta xem xét các ảnh hưởng lên tín hiệu dựa trên mô hình fading diện rộng (large scale fading) và mô hình fading diện hẹp (small scale fading)

Do bị tác động bởi các vật thể trên đường truyền, tín hiệu trong môi trường di động vừa bị suy hao vừa bị tán xạ năng lượng theo nhiều hướng Hiện tượng này gọi là hiện tượng fading Có hai loại fading: fading phạm vi lớn và fading phạm vi nhỏ

 Fading phạm vi lớn: là hiện tượng công suất của tín hiệu bị suy giảm khi di chuyển trên một phạm vi lớn (gấp 10 – 30 lần bước sóng) Nguyên nhân là do những ảnh hưởng của địa hình, những vật cản trên đường truyền sóng (đồi núi, nhà cửa…) Cường độ tín hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian quanh giá trị trung bình Fading phạm vi lớn làm cho tín hiệu thay đổi với tốc độ chậm nên còn gọi là hiện tượng fading chậm

 Fading phạm vi nhỏ: gây ra những biến đổi biên độ và pha của tín hiệu khi có sự thay đổi vị trí tương đối trong phạm vi nhỏ (nửa bước sóng) giữa máy phát và máy thu Sự thay đổi của môi trường truyền sóng là nguyên nhân gây ra hiện tượng fading phạm vi nhỏ, và sự thay đổi này diễn ra liên tục trong những khoảng thời gian ngắn nên còn gọi là fading nhanh Trong trường hợp này, cường độ tín hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố Rayleigh (khi không có đường truyền thẳng giữa máy phát và máy thu) hoặc phân bố Rician (khi có đường truyền LOS giữa máy phát và máy thu) Khi máy di động di chuyển trên một phạm vi lớn (hoặc trong khoảng thời gian dài) thì tín hiệu sẽ bị tác động đồng thời bởi cả hai loại fading phạm vi lớn và fading phạm vi nhỏ

Phổ tín hiệu khi truyền qua kênh sẽ hẹp hơn băng thông kênh và chu kỳ symbol vượt quá độ trễ của kênh Đặc tính phổ tín hiệu được giữ nguyên, tức là khi truyền qua kênh, các thành phần tần số sẽ chịu suy giảm và dịch tần tương đương nhau Tuy nhiên, cường độ tín hiệu thu được sẽ thay đổi theo thời gian do ảnh hưởng của hiện tượng đa đường Mặc dù tín hiệu thay đổi theo thời gian nhưng phổ tín hiệu vẫn không đổi Trong khi đó, kênh truyền fading phẳng có đặc điểm thay đổi biên độ, còn được gọi là kênh truyền băng hẹp.

2.2.3 Fading chọn lọc tần số

Phổ tín hiệu có băng thông lớn hơn băng thông kết hợp kênh truyền và chu kỳ symbol nhỏ hơn trải trễ của kênh truyền Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền có đáp ứng tần số khác nhau trên một dải tần số, tức đáp ứng tần số không bằng phẳng trong toàn bộ dải tần đó, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh truyền sẽ có sự suy hao và xoay pha khác nhau Một kênh truyền có bị xem là chọn lọc tần số hay không còn tùy thuộc vào băng thông của tín hiệu truyền đi Nếu trong toàn khoảng băng thông của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh truyền không chọn lọc tần số (frequency nonselective fading channel) hay kênh truyền phẳng (flat fading channel), ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền

Trang 8 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa không phẳng, không giống nhau trong băng thông tín hiệu, ta nói kênh truyền là kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel) Mọi kênh truyền vô tuyến đều không thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên kênh truyền có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó Kênh truyền chọn lọc tần số còn gọi là kênh truyền rộng

2.2.4 Kênh truyền fading biến đổi nhanh Đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi nhanh hơn chu kỳ symbol phát (thời gian kết hợp nhỏ hơn chu kỳ symbol), điều này gây ra sự phân tán tần số do hiện tượng doppler và méo tín hiệu Fading nhanh thường có tác động xấu đến các tham số tín hiệu, rõ nhất là dạng sóng tín hiệu, nó gây méo phổ, pha…và ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống Trong thực tế fading nhanh chỉ xảy ra với đường truyền tốc độ dữ liệu thấp

2.2.5 Kênh truyền fading biến đổi chậm

Sự thay đổi đáp ứng của kênh truyền chậm hơn tốc độ của tín hiệu trên dải nền phát Khi đó kênh truyền được xem là tĩnh, trải Doppler của kênh truyền nhỏ hơn băng thông tín hiệu Các biến động trong kênh xảy ra trong thời gian dài Nguyên nhân có thể từ các chướng ngại vật lớn, các hiện tượng thời tiết xấu… kết quả là công suất thu trung bình có thể giảm đáng kể (có thể mất tín hiệu).

K ÊNH TRUYỀN R AYLEIGH , KÊNH TRUYỀN R ICEAN VÀ KÊNH TRUYỀN

Đáp ứng kênh truyền là một quá trình phụ thuộc vào cả thời gian và biên độ

Tuỳ theo địa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hay không tồn tại suy hao đường truyền LOS (Line Of Sight) Biên độ của hàm truyền tại một tần số nhất định tuân theo phân bố Rayleigh và phân bố Ricean Nếu kênh truyền không tồn tại LOS, người ta đã chứng minh được đường bao của tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyền được gọi là kênh truyền fading Rayleigh Khi đó tín hiệu nhận được ở máy thu là tổng hợp của các thành phần phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ Nếu kênh truyền tồn tại LOS thì đây chính là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần không phải

Trang 9 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa truyền thẳng LOS không đóng vai trò quan trọng, không ảnh hưởng quá xấu đến tín hiệu thu Khi này đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Ricean hoặc Nakagami-m nên kênh truyền được gọi là kênh truyền fading Ricean hoặc Nakagami-m

Phân bố Rayleigh được sử dụng rộng rãi trong truyền vô tuyến để mô tả sự thay đổi theo thời gian của tín hiệu fading thu được hoặc biên độ của một thành phần đa đường riêng lẻ Phân bố này xuất hiện khi biên độ của hai tín hiệu nhiễu Gauss ngẫu nhiên và trực giao tuân theo mật độ xác suất Rayleigh.

Xác suất để đường bao của tín hiệu không vượt quá một giá trị R được xác định bởi hàm phân bố tích luỹ CDF (Cumulative Distribution Function)

Trong trường hợp phân bố Ricean, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến bộ thu với những góc khác nhau sẽ chồng lấn lên tín hiệu LOS Điều này có ảnh hưởng tại ngõ ra của bộ tách sóng đường bao như là cộng thêm thành phần DC vào các thành phần đa đường ngẫu nhiên Ảnh hưởng của tín hiệu LOS đến bộ thu cùng với các tín hiệu đa đường (công suất yếu hơn LOS) sẽ là phân bố Ricean rõ rệt hơn

Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean

 (2.4) trong đó, A là biên độ của thành phần LOS, I 0 là Hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0

Phân bố Ricean thường được mô tả bởi số k, được định nghĩa như là tỷ số giữa công suất tín hiệu xác định (thành phần LOS) và công suất các thành phần đa đường:

Thông số k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Hình 2.2: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Ricean

Khi A→0 và k→0, thành phần LOS bị suy giảm về biên độ, phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh

Hàm mật độ phân bố của phân bố Nakagami-m như sau:

         (2.7) trong đó, m được định nghĩa là tỷ số các moment:

Khác với phân bố Rayleigh, phân bố Nakagami-m có hai thông số m và Ω Điều này làm cho phân bố Nakagami-m có tính linh động và chính xác hơn trong mô hình thống kê tín hiệu Phân bố Nakagami-m có thể được sử dụng để mô hình các điều kiện kênh truyền fading nhiều hoặc ít gay gắt hơn phân bố Rayleigh Phân bố Rayleigh là một trường hợp đặc biệt của phân bố Nakagami-m (m=1)

Hình 2.3: Hàm mật đồ phân bố Nakagami-m

Đ IỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ

Khác với công nghệ tương tự, phương pháp điều chế tín hiệu số cho phép M tín hiệu S 1 (t), S 2 (t), …, SM(t) được gửi vào cùng một khoảng thời gian của chu kỳ ký tự (symbol) T s , với M = 2 n , n là số nguyên, T s = n.T b , T b là chu kỳ của bit Các tín hiệu được điều chế bằng cách thay đổi biên độ, pha hay tần số của sóng mang trong M bước rời rạc Do vậy, các phương pháp điều chế số thường được ký hiệu M-aray ASK (Amplitude Shift Keying), M-aray PSK (Phase Shift Keying), M-aray FSK (Frequency Shift Keying ) hay còn gọi là M-ASK, M-PSK, M-FSK

Tín hiệu M-aray có thể đạt được bằng cách kết hợp các phương pháp điều chế khác nhau thành một dạng điều chế lai Điều này có thể thực hiện bằng cách kết hợp việc thay đổi pha và biên độ của sóng mang, dẫn đến tín hiệu khóa dịch pha biên độ M-aray (M-APK) Một loại đặc biệt của điều chế lai này là M-QAM (điều chế biên độ vuông góc).

Các kiểu điều chế M-aray nêu trên được sử dụng để điều chế tín hiệu nhị phân với mục đích truyền dẫn tín hiệu số trong các kênh thông tin Trên thực tế, các kênh thông tin ít khi có độ rộng băng tần bằng đúng như bề rộng dải phổ của nguồn tín hiệu nhị phân Do vậy, khi độ rộng bằng tần của kênh nhỏ hơn so với yêu cầu, cần điều chế tín hiệu số theo phương pháp M-aray để thu hẹp dải thông

Tuỳ thuộc giá trị M, các phương thức điều chế khác nhau đòi hỏi bề rộng băng tần khác nhau để truyền cùng một chuỗi bit thông tin Ví dụ: nếu truyền bằng phương pháp điều chế BPSK (n = 1, M = 2 ), độ rộng băng tần cần thiết sẽ tỷ lệ nghịch với giá trị T b Tuy nhiên, nếu sử dụng phương pháp điều chế với n = 2, 3, 4,… chu kỳ của một symbol T s = n.T b Độ rộng băng tần cần thiết tương ứng với nT b

1 Điều này có nghĩa: nếu sử dụng tín hiệu M-PSK để truyền cùng một chuỗi bit thông tin nêu trên, băng tần có thể giảm đi n = log 2 M lần so với trường hợp sử dụng phương pháp điều chế BPSK

2.4.1.1 Phương pháp điều chế PAM Điều chế PAM là làm thay đổi biên độ của dãy xung sóng mang sao cho biên độ của mỗi xung bằng hoặc tỉ lệ với giá trị tức thời của tín hiệu tại những thời điểm xuất hiện xung Điểm biên PAM thực chất là rời rạc tín hiệu

Hình 2.4: Sơ đồ mạch truyền tín hiệu rời rạc max

Theo định lý về rời rạc tín hiệu, có thể truyền tin tức bằng mẫu rời rạc được thực hiện trên hình 2.4 Đó là hệ thống rời rạc lý tưởng, bởi vì nó bao gồm mạch phát xung lý tưởng Dirac ở bên phát và mạch lọc thông thấp lý tưởng bên thu Việc rời rạc lý tưởng được thực hiện trong mạch nhân tín hiệu tin tức có tần số giới hạn ω m với dãy xung Dirac 1 ||| t

 , độ cao bằng đơn vị và chu kỳ thỏa mãn định lý rời rạc m

 Ở đầu ra của mạch điều chế ta nhận được tín hiệu rời rạc

Giá trị của các xung Dirac bằng các mẫu x(nT) của tín hiệu x(t) tại các thời điểm nT Phổ của tín hiệu rời rạc là phổ lặp tuần hoàn của X(ω) theo tần số góc ω với chu kỳ là 2π/T, trong đó T là chu kỳ lấy mẫu.

(2.10) Tín hiệu rời rạc được truyền từ nơi nhận tin và được giải điều chế nhờ mạch lọc thông thấp có đặc tính lý tưởng

Trang 14 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa Ở đầu ra của mạch lọc thông thấp sẽ nhận được tín hiệu x(t) có phổ X(ω)

Do giới hạn thực tế của xung Dirac và bộ lọc thông thấp lý tưởng, các hệ thống rời rạc lý tưởng là không thể thực hiện được Tín hiệu PAM được tạo ra khi rời rạc tín hiệu liên tục có phổ không giới hạn Trong phổ tín hiệu PAM, các thành phần tần số thấp và DC chiếm ưu thế, gây cản trở cho quá trình truyền xa Để khắc phục điều này, tín hiệu PAM được điều chế lần nữa bằng hệ thống điều chế liên tục như AM hoặc FM, tạo ra tín hiệu PAM-AM hoặc PAM-FM có phổ được dịch chuyển lên miền tần số cao hơn.

2.4.1.2 Phương pháp điều chế M-PSK Đối với phương pháp điều chế M-PSK, pha của sóng mang có thể bằng bất kỳ giá trị nào trong số M giá trị   i M 

  2  1 với i = 1, 2, …, M Trong chu kỳ symbol T s , luôn tồn tại một trong số M tín hiệu Gọi E là năng lượng symbol,

T f c  n c là tần số sóng mang, n c là một số nguyên nào đó

Tín hiệu M-PSK được biểu thị bằng:

(2.12) Khai triển phương trình trên ta có:

Do vậy, vị trí của các điểm thông tin được xác định bởi toạ độ

)) 1 8 ( cos( 2 i  trên trục I và 8 ( 1 )) sin( 2 i  trên trục Q

Hình 2.5 chỉ ra ba chòm sao của điều chế M-PSK sử dụng cả sóng mang đồng pha (I) và vuông pha (Q)

 Xác suất thu sai của điều chế BPSK: Giả sử nhiễu nền công suất N 0 được lọc qua bộ lọc thông dãi tần số cắt f b thì mật độ phổ công suất nhiễu là:

Với công suất tín hiệu đầu vào là C i , chu kỳ bit chuỗi số là T b thì năng lượng mỗi bit tín hiệu là: b i b

(2.15) Như vậy xác suất thu sai của điều chế BPSK là:

Trang 16 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa trong đó, E b /η là tỷ số năng lượng bit so với mật độ nhiễu (tính bằng dB) Theo công thức (2.16) khi E b /η tăng thì xác suất thu sai Pe giảm nhanh

 Xác xuất thu sai của điều chế QPSK : Giả sử sóng mang QPSK dùng một năng lượng ES = P S T S = 2C i T b để truyền một ký hiệu Do đó, năng lượng để truyền mỗi bit là E b = P S T b = C i T b =E S /2

Vì dãy phổ tần QPSK hẹp gấp đôi so với dãy phổ tần BPSK nên dãy tần thiết bị thu là B = f b /2, do đó xác suất thu sai của điều chế QPSK là: b e

So sánh với (2.16), ta nhận thấy xác suất thu sai của QPSK lớn hơn gấp đôi xác suất thu sai của BPSK với cùng năng lượng bit và công suất nhiễu Điều này có thể được lý giải rằng đối với BPSK, chỉ thành phần nhiễu trên phương của đơn vị u 1 (t) gây ra thu sai, trong khi đối với QPSK hai thành phần nhiễu n1 và n 2 trên cả hai phương của vector đơn vị u 1 (t) và u 2 (t) đều có thể gây ra thu sai

2.4.1.3 Phương pháp điều chế M-QAM

Khác với M-PSK, trong phương pháp điều chế M-QAM tín hiệu được điều chế cả pha và biên độ

Dạng tổng quát của tín hiệu điều chế M-QAM được biểu thị bằng:

  với 0 ≤ t ≤ T (2.18) trong đó, E 0 là năng lượng của tín hiệu với biên độ nhỏ nhất, a i và b i là cặp các số nguyên độc lập được chọn sao cho phù hợp với vị trí của điểm thông tin

Tín hiệu S i (t) có thể tách ra thành hai thành phần:

TỔNG QUAN MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

G IỚI THIỆU

Truyền thông không dây đòi hỏi chất lượng cao và không ngừng phát triển để đáp ứng ứng dụng di động ngày càng tăng Tuy nhiên, nó phải đối mặt với những thách thức như fading đa đường, hiệu ứng che chắn và suy hao tự do, gây ra chất lượng kênh truyền biến đổi theo thời gian, không gian và tần số Để khắc phục, các giải pháp như kỹ thuật phân tập đã được đưa ra để cải thiện độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống truyền thông không dây trong môi trường thực tế.

Việc sử dụng công nghệ phân tập nhằm nâng cao hiệu quả hiệu suất của mạng vô tuyến bởi vì tín hiệu được phát và thu trên các đường khác nhau, do đó ta có các kỹ thuật phân tập không gian, thời gian, tần số Điều này giúp ta cải thiện chất lượng hơn, nhờ độ lợi phân tập bằng cách áp dụng các kỹ thuật phân tập Kỹ thuật MIMO ra đời, với việc các thiết bị phát và nhận trên nhiều anten khác nhau nhằm thu được độ lợi phân tập không gian Tuy nhiên, cùng với sự giới hạn về mặt kích thước và giá thành cho các thiết bị di động, nên không thể triển khai một lúc nhiều anten trên một thiết bị di động để cải thiện chất lượng nhờ kỹ thuật MIMO được Từ đó, việc tạo ra một môi trường MIMO ảo mà ở đó các thiết bị cộng tác và chia sẻ anten với nhau là cách dễ nhất và khả thi nhất để áp dụng vào thực tế Khái niệm này được gọi là truyền thông hợp tác

Truyền thông hợp tác là một hệ thống giao tiếp hoặc một kỹ thuật cho phép người dùng truyền bản tin của nhau làm sao cho đến được đích mong muốn

Hơn thế nữa, mạng 4G đang phát triển là một mạng đa dạng về các loại dịch vụ ( có yêu cầu về chất lượng khác nhau), vì vậy yêu cầu các loại thiết bị đầu cuối khác

Trang 21 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa nhau để có thể sử dụng được dịch vụ Phương pháp dùng một thiết bị duy nhất cho tất cả các mục đích sử dụng dịch vụ mạng gây khó khăn trong việc thiết kế thiết bị, cũng như việc sử dụng pin không hiệu quả gây nên tuổi thọ của pin ngắn đi Trong tình huống đó, mạng truyền thông hợp tác cho phép người dùng dễ dàng chia sẻ tài nguyên mạng khi cần thiết để nâng cao được dụng lượng cũng như thời gian pin của thiết bị.

T ÓM TẮT LỊCH SỬ CỦA TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

Người tiên phong trong việc đưa ra khái niệm truyền thông hợp tác là Thomas M Cover và Abbas A El Gamal vào năm 1979 Cả hai cùng xây dựng một kênh relay bao gồm 1 node nguồn, 1 node chuyển tiếp và một node đích như hình vẽ sau:

Hình 3.1: Mô hình đơn giản của kênh Relay

Nghiên cứu của họ dựa trên phân tích dung lượng của mạng gồm 3 node bao gồm node nguồn, node chuyển tiếp, và node thu Giả thiết rằng tất cả các node đều hoạt động ở cùng băng tần, do đó hệ thống có thể tách thành các kênh quảng bá tương ứng với node nguồn và đi qua các node chuyển tiếp khác nhau và đến node thu cần đến

Ngày nay, truyền thông hợp tác không chỉ đơn thuần là mô hình kênh chuyển tiếp như Cover và El Gamal từng đề xuất Sự khác biệt chính nằm ở nền tảng nhiễu Trong khi Cover và El Gamal nghiên cứu dựa trên nhiễu nhiệt độ trắng AWGN, thì hiện nay, truyền thông hợp tác được áp dụng trong bối cảnh nhiễu đa kênh, mất mát ngẫu nhiên và nhiễu fading đa dạng.

Trang 22 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa khái niệm phân tập trong kênh truyền fading Thứ hai, trong kênh truyền chuyển tiếp, mục đích của node chuyển tiếp là nhằm giúp đỡ kênh chính, trong khi trong mạng truyền thông hợp tác, tổng tài nguyên của hệ thống là cố định, và người dùng hoạt động như là một tài nguyên cung cấp thông tin cũng như là 1 node chuyển tiếp

Do đó, ngoài tầm quan trọng mang tính lịch sử của việc đầu tiên nghiên cứu ra kênh truyền relay là không thể bàn cãi, thì ngày nay, các nhà khoa học nghiên cứu môi trường truyền thông hợp tác ở khái niệm và mức độ phức tạp hơn nhiều.

C ÁC PHA TRUYỀN CỦA TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

Pha 1: Pha kết hợp Đây là pha mà người dùng trao đổi thông tin, dữ liệu của họ và các bản tin điều khiển với nhau hoặc với node đích

Trong pha này, người dùng hợp tác với nhau nhằm truyền đi các bản tin của chúng đến được đích

Hệ thống truyền thông hợp tác cơ bản gồm 2 node truyền tới một node đích chung, được mô tả như hình bên dưới Một node hoạt động như là nguồn, trong khi node còn lại hoạt động như một relay chuyển tiếp Cả hai node có thể thay đổi vai trò cho nguồn, và relay cho nhau theo thời gian Trong pha một, node nguồn quảng bá dữ liệu của nó cho cả node realy và node đích Trong pha hai, node relay chuyển tiếp thông tin dữ liệu của node nguồn đến node đích

Hình 3.2: Mạng truyền thông hợp tác cở bản 2 người dùng

Sự hợp tác là yêu cầu đặc biệt quan trọng trong hệ thống truyền thông hợp tác, nhờ đó mà anten được phân bố dùng chung giữa các node, trái ngược với hệ thống MIMO tập trung Mặc dù thêm sự hợp tác cũng có nghĩa là sẽ làm giảm sự không hiệu quả băng thông, chi phí này được bù lại bằng độ lợi phân tập lớn ở tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao (SNR) Bằng việc thu thập thông tin thông qua kết hợp với nhau, các node này sẽ tính toán và truyền bản tin sao cho giảm chi phí truyền dẫn hoặc nâng cao chất lượng tại node thu Tuy nhiên, chi phí của việc kết hợp này có thể tăng nếu số lượng node hợp tác với nhau tăng lên Điều này sẽ làm giảm hiệu quả trao đổi thông tin giữa các node với nhau

Mô hình hợp tác hai node có thể nhân rộng ra thành một mạng lớn hơn Trong đó, có 1 node được xem như là node nguồn, các node còn lại được xem như là các relay chuyển tiếp (như hình bên dưới) Các node relay này kết hợp với nhau tạo thành một chuỗi anten phân bố, nhưng không phải được sắp xếp chung một chỗ mà được mang bởi các node relay nằm độc lập Do đó, hệ thống có thể thu được phân tập không gian và độ lợi ghép kênh tương tự như hệ thống MIMO tập trung

Hình 3.3: Mô tả hệ thống truyền thông hợp tác gồm nhiều Relay

Theo hình trên, x đại diện cho dữ liệu được truyền đi tại node nguồn, y đại diện cho dữ liệu thu được tại node đích

Hệ thống thông tin hợp tác với nhiều nguồn phát đã được nghiên cứu và nhắc đến trong [11], [12] và thể hiện như hình bên dưới Tín hiệu có thể truyền từ node nguồn đến node relay thông qua các kênh trực giao nhau, với điều kiện các node relay phải có đủ năng lượng và tài nguyên băng thông Trong trường hợp không đáp ứng được các điều kiện trên có thể gây ra lỗi tại lớp vật lý và các lớp mạng cao hơn Điều này sẽ làm cho hiệu suất BER của hệ thống bị giảm xuống và đội lợi phân tập sẽ bị giảm đi Do đó, với điều kiện còn hạn chế về năng lượng và tài nguyên băng thông ở các node relay, thì việc xem xét chính xách cấp phát tài nguyên sao cho hiệu quả phải được xem xét nhằm đảm bảo hiệu suất cao cho tất cả các người dùng

Hình 3.4: Mô tả hệ thống truyền thông hợp tác gồm nhiều Relay và node nguồn

Ứ NG DỤNG CỦA TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

Ý tưởng chính trong truyền thông hợp tác là việc người dùng chia sẻ tài nguyên với nhau trong cùng một mạng Ngoài ra, người dùng còn hợp tác với nhau nhằm chia sẻ công suất và tính toán với các node lân cận nhằm một mục tiêu là tiết kiệm tài nguyên của toàn mạng chứ không riêng gì tài nguyên của một node độc lập nào cả

Mạng truyền thông hợp tác có 3 ứng dụng sau đây:

Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức bao gồm các thành phần được trình bày trong hình Đặc trưng của kiến trúc này là trong cùng dãy băng tần, mạng chính (primary) và mạng vô tuyến nhận thức (CR) hoạt động đồng thời Tuy nhiên, hoạt động của mạng CR phải tuân theo điều kiện của mạng chính.

Hình 3.5: Mạng vô tuyến nhận thức

 Mạng primary: mạng đã tồn tại sẵn và đã được quyền truy cập và sử dụng dãy băng tần riêng Các thành phần cơ bản của mạng primary bao gồm:

 Primary user (PU): có quyền truy cập và hoạt động trên dãy băng tần được cấp phép, PU được điều khiển bởi trạm gốc và không bị tác động bởi các nhà khai thác mạng khác khi hoạt động trên băng tần đó

 Trạm gốc primary (primary base station): là một thành phần cơ bản của mạng primary, có quyền truy cập và hoạt động trên dãy băng tần đã được cấp phép Trong mạng tế bào thì trạm gốc primary chính là BTS, nó có chức năng quản lý và thiết lập kết nối với PU

 Mạng vô tuyến nhận thức (CR - Cognitive Radio Network): không được cấp giấy phép truy cập và hoạt động trong dãy tần mong muốn Do đó, việc truy cập trong dãy tần số chỉ được thực hiện một cách tìm kiếm cơ hội và phải được sự cho phép của mạng primay (đã được cấp phép hoạt động trên dãy tần đó), đồng thời khi hoạt động mạng CR đảm bảo không gây nhiễu cho các user của mạng primary Thành phần của mạng vô tuyến nhận thức bao gồm các thành phần chính sau:

Người dùng CR (CR User) phải tuân thủ các điều kiện mạng chính, chỉ truy cập phổ tần và hoạt động khi có cơ hội Các chức năng của họ bao gồm cảm biến phổ, quyết định phổ tần, bàn giao phổ và các giao thức MAC/định tuyến/vận chuyển của mạng nhận thức vô tuyến Người dùng CR có thể kết nối với trạm cơ sở và trực tiếp với nhau, tạo ra ba loại truy cập khác nhau trong kiến trúc mạng CR.

 Truy cập mạng vô tuyến nhận thức: CR user có thể truy cập vào các trạm CR gốc trong cả miền phổ tần đã đăng ký hoặc chưa đăng ký Vì tất cả những tương tác xảy ra bên trong mạng CR nên những truy cập trung gian trong hệ thống của độc lập với mạng chính

 Truy cập nhận thức AdHoc (Cognitive Radio Ad_Hoc Access): CR user có thể liên lạc với các CR user khác thông qua kết nối ad_hoc trong cả miền phổ tần đã đăng ký và chưa đăng ký sử dụng Ngoài ra các CR user cũng có thể sử dụng các kỹ thuật truy cập của riêng nó

Truy cập mạng chính cho phép người dùng CR truy cập trạm gốc của mạng chính bằng băng tần đã đăng ký, nhưng có điều kiện là mạng chính phải cho phép Để thực hiện truy cập dạng này, người dùng CR phải hỗ trợ kỹ thuật truy cập không gian của mạng chính, trong khi trạm gốc của mạng chính cũng cần được trang bị các tính năng hỗ trợ mạng CR.

 Trạm gốc mạng CR (Cognitive Radio Base Station): là một thành phần cơ sở hạ tầng cố định với khả năng nhận thức vô tuyến Trạm gốc mạng CR hỗ trợ kết nối single hop mà thông qua kết nối này, một user mạng CR có thể truy cập đến các CR user khác mà không cần giấy phép truy cập phổ

- Sơ đồ hoạt động của mạng như sau:

Hình 3.6: Sơ dồ hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức

3.4.2 Mạng Ad-Hoc không dây

Mạng ad hoc là một tập hợp các node mạng di động không dây nằm phân tán về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay sự quản lý tập trung nào Các node mạng liên lạc với nhau qua môi

Trang 28 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa trường vô tuyến không cần các bộ định tuyến cố định, vì vậy mỗi node mạng phải đóng vai trò như một bộ định tuyến di động có trang bị bộ thu phát không dây Các bộ định tuyến tự do di chuyển một cách ngẫu nhiên và tự tổ chức một cách tùy tiện, vì vậy cấu hình không dây của mạng thay đổi nhanh chóng và không thể đoán trước Mạng như vậy có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối với các mạng hạ tầng tạo thành mạng toàn cầu

Mạng ad hoc có đặc điểm dễ kết nối với mạng truy nhập, cấu trúc mạng đa chặng động và truyền thông ngang hàng trực tiếp Tính đa chặng cần để làm cầu tới cổng kết nối vào mạng trục hạ tầng Cổng kết nối phải có giao diện mạng của cả hai kiểu mạng và là một phần của cả mạng định tuyến rộng khắp và định tuyến ad hoc cục bộ Người dùng được lợi từ mạng khắp nơi: di chuyển cho phép người dùng chuyển đổi giữa các thiết bị, phiên làm việc và vẫn có cùng dịch vụ cá nhân Trạm di động cho phép thiết bị của người dùng di động quanh mạng và duy trì kết nối và khả năng truyền thông

Hình 3.7: Mạng Ad-Hoc không dây

3.4.3 Mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây (WSN) là hệ thống mạng bao gồm nhiều nút kết nối với nhau thông qua sóng vô tuyến Những nút mạng này thường là các thiết bị đơn giản, nhỏ gọn, có chi phí thấp và có số lượng lớn Chúng được phân phối không có hệ thống trên một khu vực rộng với phạm vi hoạt động lớn, sử dụng nguồn năng lượng hạn chế.

M Ô HÌNH VÀ PHÂN LOẠI RELAY

Mô hình kỹ thuật relay thường có 2 loại: mô hình đa hop (multihop) và mô hình hợp tác (cooperative)

Hình 3.9: Mô hình relay đa hop

Hình 3.10: Mô hình relay hợp tác

G IAO THỨC TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

Để nâng cao khả năng hợp tác giữa các node với nhau, các giao thức và kỹ thuật chuyển tiếp khác nhau đã được nghiên cứu và triển khai dựa trên vị trí các node, điều kiện kênh truyền, độ phức tạp của bộ thu phát Các phương pháp này định nghĩa cách thức làm thế nào để dữ liệu được xử lý ở các node relay trước khi được truyền tiếp đến đích Sau đây là các loại giao tức truyền thông hợp tác đã được nghiên cứu

3.6.1 Khuếch đại và chuyển tiếp Đây là phương pháp hợp tác đơn giản được đề xuất bởi Laneman [13] Các node relay nhận tín hiệu từ node nguồn, khuếch đại và chuyển tiếp nó đến node đích

Hình 3.11: Khuếch đại và chuyển tiếp

Khuyết điểm chính của phương pháp này là nhiễu thu được sẽ được khuếch đại Độ lợi của khuếch đại được tính toán theo công thức sau (giả sử rằng các đặc tính kênh truyền được ước lượng đầy đủ [14]):

Công suất tín hiệu tại relay là:

Với s là node nguồn, r là node relay

    E x  s 2  là năng lượng của tín hiệu được truyền đi

, h s r là hệ số kênh truyền giữa s và r

2 s r 2 ,   E z   s r , 2    là công suất của nhiễu giữa node nguồn và node relay

Dùng cùng công suất phát như node nguồn, relay thu được một độ lợi là:

3.6.2 Giải mã và chuyển tiếp

Giao thức này được đề xuất bởi Sendonaris [15] Giao thức này cho phép relay giải mã bản tin nhận được từ node nguồn, và mã hóa lại, sau đó mới truyền tới node đích Đây là phương pháp thường được sử dụng để xử lý dữ liệu tại relay, bởi vì không có hiện tượng khuếch đại thêm thành phần tín hiệu nhiễu

Tín hiệu có thể được giải mã một cách hoàn toàn tại relay Điều này làm tốn nhiều thời gian tính toán và băng thông CPU tại node relay Việc mã hóa nguồn tại node đích giúp cho việc phát hiện và sửa lỗi tại node relay được dễ dàng hơn Trong trường hợp không có việc mã hóa nguồn này, relay có thể phát hiện ra lỗi bằng cách dùng kỹ thuật “kiểm tra tổng”

Hình 3.12: Giải mã và chuyển tiếp

Relay có thể hoạt động ở chế độ half-duplex (relay không truyền và nhận đồng thời trong cùng một băng tần) hoặc trong chế độ full-duplex (relay truyền và nhận đồng thời trong cùng một băng tần) Kỹ thuật này yêu cầu một không gian tách biệt giữa tín hiệu truyền và nhận từ các anten nhằm giảm ảnh hưởng của nhiễu giữa tín hiệu anten truyền và tín hiệu anten nhận được Trong những năm gần đây, kỹ thuật relay đã được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực thông tin vô tuyến nhằm nâng cao vùng phủ sóng, cải thiện dung lượng và chất lượng mạng

PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG MẠNG RELAY GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN KHÔNG ĐẦY ĐỦ

M Ô HÌNH GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP N HOP TRONG KÊNH TRUYỀN ĐẦY ĐỦ

Mô hình hệ thống mạng hợp tác bao gồm một nguồn S, K-1 relay và 1 đích tới D hoạt động trên kênh truyền relay Node nguồn (T 0 ) giao tiếp với node đích (T K ) thông qua K-1 relay được kí hiệu là T 1 …, T k …, T K-1 Các node trung gian luôn thực hiện các “quyết định cứng” trên các symbol tín hiệu nhận được trước khi chuyển chúng đi Giả sử rằng, mỗi relay chỉ xử lý các tín hiệu nhận được từ các node trước đó, điều này sẽ giúp làm giảm chi phí tính toán và độ phức tạp về phần cứng tại đầu thu của mỗi node Điều này cũng phù hợp với mạng cảm biến không dây (yêu cầu độ phức tạp về xử lý cố định tại mỗi node)

Hình 4.1: Mô hình K-1 relay với thông tin kênh truyền đầy đủ

Giả sử rằng, mỗi kênh truyền giữa các node là fading Rayleigh Đối với fading Rayleigh, công suất kênh truyền tại mỗi chặng , được tính là h k 2 , độc lập, biến ngẫu nhiên có phân bố mũ, và trung bình của nó là  k Với h k là hệ số fading từ node thứ (k-1) đến node thứ k, với k=1,…,K

Công suất phát trung bình giữa các node S→R1, R1→R2,…,R K-1 →D được kí hiệu bởi  k với k=1,…,K

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu giữa các node S→R1, R1→R2,…,R K-1 →D là:  k  k h k 2 với k=1,…,K

Mô hình cấp phát kênh theo thời gian trong hệ thống chuyển mạch kênh trực giao giúp tạo ra các kênh trực giao với nhau, hạn chế nhiễu giữa các relay nhờ môi trường thông tin kênh truyền đầy đủ.

4.1.2 Phân tích hiệu suất 4.1.2.1 Hàm pdf của tỷ số tín hiệu trên nhiễu từ node đầu đến node cuối

Tại hop thứ k, ta có tín hiệu nhận được y k là: k k k y h s n (4.1)

Biến ngẫu nhiên phức $h_k$ có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng không và biên độ tuân theo phân phối Rayleigh Tín hiệu truyền đi được ký hiệu là $s$ Biến ngẫu nhiên phức $n_k$ có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng không và phương sai $N_0$ đại diện cho nhiễu kênh AWGN (Additive White Gaussian Noise) có phổ công suất một bên.

Hàm mật độ xác suất và hàm mật độ phân bố  k được tính toán như sau:

Với  k E   k   k k Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR tương đương cho kênh DF đa hop là:

Giả sử rằng, các hop là các thành phần độc lập nhau, ta tính được hàm phân bố xác suất CDF của  eq như sau:

Hàm mật độ xác xuất pdf của  eq cho K-1 Relay là:

Tỷ lệ lỗi symbol (SER) cho điều chế M-QAM trong kênh AWGN được cho bởi

   là hàm Gauss được định nghĩa trong [8, p.85, eq (4.2)]

   là hàm Gauss được định nghĩa trong [8, p.88, eq (4.9)]

Tỷ lệ lỗi cho M-QAM trong kênh truyền fading Rayleigh phẳng, chậm có thể tính được bằng trung bình tỷ lệ lỗi của kênh truyền AWGN trên hàm mật độ xác suất pdf của SNR trong môi trường fading Rayleigh:

Với P s    là tỷ lệ lỗi symbol với điều kiện 

Thế (4.6) và (4.7) vào (4.8), và dùng hàm tạo moment (MGF) [8], công thức tính lỗi symbol SER cho hệ thống có thể được viết như sau:

Tương tự như SER, tỷ lệ lỗi bit BER của hệ thống trên kênh truyền fading Rayleigh cho M-QAM với Gray mapping có thể được biểu diễn như sau [6]

Thay [ 4.6] vào [4.10] ta có biểu thức BER là:

       (4.11) Với M=4 (4-QAM),ở tỷ số tín hiệu cao,dùng hàm xấp xỉ  1  x  n   1 nx , với x nhỏ

U ỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN

Phương pháp ước lượng MMSE (minimum mean square error) là phương pháp ước lượng nhằm làm tối thiểu hóa sai số bình phương trung bình giữa tín hiệu mong muốn và tín hiệu ước lượng

Giả sử x là vector biến ngẫu nhiên chưa biết, y là vector biến ngẫu nhiên đã biết (đo hoặc quan sát được) Ta sẽ ước lượng x y ˆ( ) Khi đó, sai số do ước lượng là: e   x x ˆ ˆ ˆ

MSEE x{( x x)( x) } T (4.13) Ước lượng MMSE chính là xác định giá trị nhỏ nhất của MSE

4.2.2 Phương pháp ước lượng LMMSE

Phương pháp ước lượng LMMSE (linear minimum mean square error) cũng gần tương tự như MMSE Ước lượng Linear MMSE là tìm giá trị nhỏ nhất của MSE của tất cả các ước lượng dạng tuyến tính Wy + b Trong đó, y là vector ngẫu nhiên, W là ma trận và b là vector Ta sẽ tìm giá trị ước lượng LMMSE ˆx Wy b  Trong trường hợp ước lượng không lệch thì lỗi ước lượng sẽ bằng 0 khi đó:

Trong đó: x  E x { } và y  E y { } ˆ ( ) x  W y  y  x Sai lệch do ước lượng: x ˆ   x W y (  y ) (   x x ) ˆ

Theo nguyên tắc trực giao:

C XY là ma trận hiệp phương sai chéo của X và Y, C Y là ma trận hiệp phương sai của Y Hiệp phương sai của sai số ước lượng MMSE tuyến tính là: ˆ ˆ ˆ

M Ô HÌNH GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP N HOP VỚI THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN KHÔNG ĐẦY ĐỦ

Phần này sẽ trình bày cách tính tỷ lệ lỗi bit cho mô hình giải mã và chuyển tiếp gồm N-1 relay với thông tin kênh truyền không đầy đủ Vì theo [10], ta có công thức tính tỷ lệ lỗi BER trung bình khi tín hiệu được truyền qua N-1 relay là:

Với R e (j), R e (n) là lỗi bit tại mỗi chặng tương ứng với j, n Ví dụ: hệ thống có 1 relay thì tín hiệu sẽ được truyền qua hai chặng S → R1, R1 → D tương ứng với tỷ lệ lỗi bít tại mỗi chặng có được là R e (1) và R e (2) Tương tự, với N-1 relay thì ta có N chặng, tương ứng với tỷ lệ lỗi bít có được là R e (j), với j=1, 2, …,N.

Trước tiên, tính tỷ lệ lỗi BER cho mô hình thu phát đơn giản, gồm tín hiệu phát ban đầu t là S, tín hiệu thu r là Relay tiếp theo Sau đó, ta áp dụng cho N cặp thu phát (t – r) đối với hệ thống gồm N-1 Relay thì ta thu được tỷ lệ lỗi bit của hệ thống

4.3.1 Kênh truyền có thông tin không đầy đủ dùng ước lượng LMMSE

Trong thiết bị thu phát, do thông tin về kênh truyền không đầy đủ nên cần phải ước lượng đặc tính kênh truyền Mô hình ước lượng kênh truyền thường được biểu diễn như sau:

Trang 39 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa tr ˆ tr tr h h  (4.18)

Trong đó: h ˆ tr là hệ số kênh truyền ước lượng của kênh truyền giữa (t - r) và ε tr là sai số ước lượng kênh truyền Giả thuyết,h tr và h ˆ tr là ngẫu nhiên dừng và tuân theo phân bố Gaussian,h ˆ tr trực giao với sai số ước lượng ε tr Thông số h ˆ tr , ε tr tuân theo phân bố Gaussian và được biểu diễn như sau:

~ 0, tr CN tr E h tr E h tr

                    (4.19) ˆ ~ tr 0, 1 tr tr tr h CN  

  (4.20) σ tr là phương sai phản ánh độ sai lệch của quá trình ước lượng kênh truyền, giá trị σ tr phụ thuộc vào tính chất của kênh truyền và sự lựa chọn phương pháp ước lượng

Luận văn này sẽ sử dụng phương pháp ước lượng LMMSE (linear minimum mean square error) dùng để ước lượng kênh truyền Theo [4],[5] σ tr được tính toán như sau:

, ˆ 1 tr tr tr 1 p tr training

 L p : là số lượng pilot symbol

0 0 t training tr t training tr tr training tr training

      : là tỷ số SNR trung bình pilot symbol của kênh truyền (t – r) tr tr 1 tr

4.3.2 Phân tích tỷ lệ lỗi bit BER mạng giải mã và chuyển tiếp một cặp thu phát (t – r) với thông tin kênh truyền không đầy đủ 4.3.2.1 Mô hình một cặp thu phát (t – r) với thông tin kênh truyền không đầy đủ

Trong môi trường thông tin truyền dẫn không đầy đủ, một cặp thu - phát đơn giản thường bao gồm một node phát (t) và một node thu (r) Mô hình này được minh họa trong Hình 4.2, nơi cặp t - r giao tiếp thông qua một kênh truyền dẫn không hoàn hảo.

Kênh truyền Rayleigh được sử dụng trong luận văn này với giả thiết suy hao kênh hầu như không phụ thuộc vào tần số Hệ số kênh truyền giữa node phát t và node thu r là h tr tuân theo phân phối chuẩn phức tạp CN (0,η tr = d tr -α ), trong đó η tr là tham số mờ của kênh truyền.

Trong đó, dtr là khoảng cách giữa node phát và node thu, α là hệ số mũ suy hao trong không gian Theo [9] giá trị α nằm trong khoảng [1.6, 6]

4.3.2.2 Công thức tính BER cho một cặp thu phát (t – r)

Trong hệ thống giải mã và chuyển tiếp với thông tin kênh truyền không đầy đủ Từ (4.18) tín hiệu thu được tại r của kênh truyền (t – r) là: tr ˆ tr t tr t tr y h x  x n (4.22)

Hệ số γ tr,eff ( effective SNR ) của kênh truyền (t – r) được tính toán như sau [5]:

0 ˆ ˆ tr t t tr tr eff t tr t t tr h E x B h

Dựa vào công thức (4.23) để xây dựng được công thức tính tỷ lệ lỗi bit BER của kênh truyền (t – r) Sử dụng phương pháp điều chế M-QAM để tính toán và phân tích sự thay đổi BER của hệ thống

Trang 41 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa Điều chế M-QAM gồm có 2 trường hợp:

 Điều chế M-QAM hình vuông với M = 2 m (m chẵn)

 Điều chế M-QAM hình chữ nhật với M = 2 m (m lẻ)

Công thức tính BER của kênh truyền thứ (t-r) như sau:

R tr  f   d (4.24) trong đó: f  tr eff , là hàm mật độ xác xuất (pdf) của γ tr,eff R e1,tr , R e2,tr là xác suất lỗi bit của kênh truyền thứ (t – r), theo [5], [6] được tính như sau:

I = 2 (m-1)/2 ; J = 2 (m+1)/2 Để tính tỷ lệ lỗi bit Re(r), cần thực hiện hai bước sau:

Bước 1: tính hàm phân bố , ( ) tr eff f  x

, ( ) tr eff f  x vào, tính công thức tỷ lệ lỗi bit của cặp thu phát (t – r) với thông tin kênh truyền không đầy đủ là R e (r)

Trang 42 HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa a Bước 1: tính hàm phân bố , ( ) tr eff f  x

Dựa vào công thức (4.23) để xác định hàm f γtr,eff (γ):

0 ˆ ˆ tr t t tr tr eff t tr t t tr h E x B h

(4.27) ˆ 2 h tr tuân thủ theo phân phối exponential: ˆ tr 2 ~ 0, 1 tr h CN

Hàm pdf của h ˆ tr trong (4.23) là: ˆ ( ) tr tr x h tr f x  e   (4.28)

Do đó, hàm mật độ xác suất pdf của , ˆ 2 tr eff a h tr

, ( ) tr tr eff tr eff tr a f x e a

Từ (4.24), (4.25), (4.26), biểu thức R e (r) được xác định như sau

2 k tr eff k s k w i k s g tr Q i gx f x dx s 

2 k log I (1 2 )I 1 tr k 1 i 0 log J (1 2 )J 1 2 e tr l 1 j 0 log M (1 2 ) M 1 tr k 1 i 0

Thế y tính được từ (4.33) vào z trong (4.31), ta được:

2 k tr eff k s k w i k s g tr Q i gx f x dx s 

(4.35) Thế ,b từ (4.32) vào ta được: i2 1 1

Kết quả cuối cùng ta được:

4.3.3 Phân tích tỷ lệ lỗi bit BER mạng giải mã và chuyển tiếp N-1 Relay với thông tin kênh truyền không đầy đủ 4.3.3.1 Mô hình N-1 Relay

Hình 4.3: Mô hình hệ thống giải mã và chuyển tiếp N-1 Relay với thông tin kênh truyền không đầy đủ

Tín hiệu x 0 sẽ được truyền từ node S→ D Ban đầu, tín hiệu x 0 tại S sẽ được điều chế và truyềnđến node relay R 1 vớinăng lượng là B 0 = E{|x 0 | 2 } Tín hiệu thu tại R 1 sẽ giải điều chế x 1 , sau đó tiếp tục điều chế tín hiệu x 1 và truyền tín hiệu đến đầu thu R2 Tín hiệu được truyền đi đến khi nào đến được đầu thu đích D Tín hiệu thu được tại D và giải điều chế ta sẽ thu được tín hiệu gốc

Trong mô hình này, tín hiệu sẽ được truyền qua hai N khe thời gian: khe thời gian thứ nhất tín hiệu được truyền từ node nguồn S tới relay R1, tại khe thời gian thứ hai tín hiệu được giải mã và chuyển tiếp từ relay R1 tới relay R2, tương tự như vậy tại khe thời gian thứ N tín hiệu được giải mã và chuyển tiếp từ relay R N-1 tới node đích D Như vậy, ta sẽ có N cặp tín hiệu thu phát (t – r)

4.3.3.2 Công thức tính tỷ lệ lỗi bit (BER) cho N-1 Relay

Trong phần 4.3.2, công thức tính BER cho 1 cặp thu phát (t – r) cơ bản được tính như công thức (4.37):

Hệ thống gồm N-1 relay nên có N cặp thu phát (t – r) lần lượt là: S→R1, R1→R2, R2→R3,…,R(N-1) →D tương ứng với tỷ lệ lỗi bít lần lượt là R e (1), R e (2),…, R e (N)

Vậy công thức BER trung bình của tất cả các hop {R e (1), R e (2),…, Re(N)} theo (4.17):

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

M Ô HÌNH HỆ THỐNG TỔNG QUÁT

Hình 5.1: Mô hình mạng relay vô tuyến giải mã và chuyển tiếp với thông tin kênh truyền không đầy đủ

Mô hình mạng relay DF vô tuyến giải mã và chuyển tiếp với thông tin kênh truyền không đầy đủ được mô tả như hình trên 5.1 Gọi (x,y) là tọa độ vị trí của các node mạng, để thuận lợi cho việc mô phỏng và đánh giá các thông số thì giá trị của x và y được đưa về khoảng chuẩn và giới hạn trong khoảng [0,1].Vị trí của các node mạng được chọn làm ví dụ như sau: S(0,0), R(x,y), D(1,0) Vị trí của các node mạng này sẽ được cố định và sử dụng trong toàn bộ quá trình mô phỏng Chọn giá trị hệ số mũ suy hao trong không gian α bằng 3 , số lượng symbol pilot L p bằng 1 dùng để mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của các thông số của hệ thống mạng trong tất cả các trường hợp Mô hình kênh truyền không đầy đủ được mô tả như sau: tr ˆ tr tr h  h  

Phương sai sai số do ước lượng:

Chương này sẽ tiến hành mô phỏng và đánh giá các thay đổi của thông số BER Thông qua việc sử dụng các công thức phân tích ở chương 4, chương này thực hiện mô phỏng các thông số Ngoài ra, chương này sẽ sử dụng lý thuyết để kiểm chứng độ chính xác của quá trình phân tích nói trên.

5.2 Mô phỏng BER với mô hình hợp tác một Relay với thông tin kênh truyền không đầy đủ

Hình 5.2: Mô hình hợp tác một Relay với thông tin kênh truyền không đầy đủ

Trong bài viết này, mô hình Relay R(0.4,0.6) được sử dụng cùng với node nguồn S(0,0) và node đích D(1,0) để so sánh tỷ lệ lỗi BER (Bit Error Rate) trong hai trường hợp chính Trường hợp thứ nhất, BER được so sánh giữa các kiểu điều chế M-QAM khác nhau trong môi trường thông tin kênh truyền không đầy đủ Trường hợp thứ hai, BER được so sánh giữa môi trường thông tin kênh truyền đầy đủ và thông tin kênh truyền không đầy đủ.

5.2.2 Mô phỏng BER với điều chế M-QAM

Hình 5.3 mô phỏng sự thay đổi của BER ứng với kỹ thuật điều chế M-QAM với thông tin kênh truyền không đầy đủ Quá trình mô phỏng này được thực hiện dựa theo kết quả phân tích trong Chương 4 và kết quả phân tích sẽ được kiểm chứng bằng kết quả theo lý thuyết (simulation)

Hình 5.3: BER của hệ thống một relay ứng với điều chế M-QAM trong môi trường thông tin kênh truyền không đầy đủ

 Kết quả của quá trình phân tích tương thích với kết quả mô phỏng theo lý thuyết

 Tỷ lệ lỗi bit BER giảm khi tỷ số Es/Notăng

Tỷ lệ lỗi bit (BER) có mối quan hệ tỷ lệ nghịch với số mức điều chế (M) trong điều chế M-QAM Theo lý thuyết, càng sử dụng kiểu điều chế có mức thấp (ví dụ: M = 2), BER sẽ càng thấp với cùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) Tuy nhiên, điều này cũng đi kèm với hạn chế là thông tin truyền tải trên kênh sẽ bị giảm trong cùng điều kiện công suất và băng thông.

ImPerfect CSI 2QAM (Analysis)Imperfect CSI 2QAM(Simulation)Imperfect CSI 4QAM(Analysis)Imperfect CSI 4QAM(Simulation)ImPerfect CSI 8QAM (Analysis)Imperfect CSI 8QAM(Simulation)ImPerfect CSI 16QAM (Analysis)Imperfect CSI 16QAM(Simulation)

5.2.3 Mô phỏng BER thông tin kênh truyền đầy đủ và thông tin kênh truyền không đầy đủ

Sau khi xem xét kết quả mô phỏng đối với M-QAM xong, phần này sẽ so sánh hệ thống có thông tin kênh truyền không đầy đủ và hệ thống có thông tin kênh truyền đầy đủ sử dụng mô hình hợp tác một Relay như hình 5.2

Hình 5.4: BER một node relay ứng với điều chế 4-QAM thông tin kênh truyền đầy đủ và không đầy đủ Nhận xét:

 Kết quả của quá trình phân tích tương thích với kết quả mô phỏng theo lý thuyết

 Dựa vào kết quả ta thấy, tỷ lệ lỗi BER của môi trường thông tin đầy đủ tốt hơn so với môi trường thông tin không đầy đủ Điều này có thể giải thích được vì, khi kênh truyền có thông tin không đầy đủ, thì khi ước lượng sẽ có một sai số là  , do đó khiến cho việc ước lượng thông tin kênh truyền có sai số, điều này dẫn tới lỗi BER tăng Ngoài ra, tương tự với mô phỏng trong 5.2.2, nghĩa là khi dùng điều chế M-QAM thì M càng nhỏ sẽ cho kết quả BER tốt hơn với cùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR

QAM 1 HOP Imperfect vs Perfect

1 HOP 2QAM Imperfect (Analysis)1 HOP 2QAM Imperfect(Simulation)1 hop 2QAM Perfect(Analysis)1 hop 2QAM Perfect(Simulation)1 HOP 4QAM Imperfect (Analysis)1 HOP 4QAM Imperfect(Simulation)1 hop 4QAM Perfect(Analysis)1 hop 4QAM Perfect(Simulation)

M Ô PHỎNG BER VỚI VỊ TRÍ R ELAY THAY ĐỔI TRONG MÔI TRƯỜNG THÔNG

Cho mô hình như sau:

Hình 5.5: Mô hình một relay với vị trí relay thay đổi với thông tin kênh truyền không đầy đủ

Mô phỏng thể hiện sự thay đổi của Tỷ lệ lỗi bit (BER) theo vị trí của Relay di chuyển từ tọa độ (0,1; 0) đến (0,9) Mục đích của quá trình mô phỏng là xác định vị trí Relay có BER thấp nhất, từ đó đánh giá ảnh hưởng của vị trí Relay đến BER của hệ thống khi thông tin kênh truyền không đầy đủ.

Xét tại tỉ lệ trên nhiễu SNR bằng 30 [dB], cho vị trí Relay thay đổi So sánh BER của hệ thống dùng điều chế M-QAM với M=2, 4, 8, 16 trong môi trường thông tin kênh truyền không đầy đủ ta thu được kết quả như hình 5.6 bên dưới

Hình 5.6: BER với mô hình một Relay và vị trí Relay thay đổi trong môi trường thông tin kênh truyền không đầy đủ

Theo kết quả nghiên cứu, tỷ lệ lỗi BER thấp nhất thuộc về vị trí Relay có tọa độ (0,5; 0) Đây là thông tin quan trọng để lựa chọn vị trí Relay khi hệ thống chỉ cho phép triển khai một Relay duy nhất Vị trí này giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi BER trong môi trường truyền thông bị suy giảm.

 Tỷ lệ bit lỗi BER ứng với điều chế M-QAM thấp hơn đối với M nhỏ hơn, tính chất này đúng theo lý thuyết

M Ô PHỎNG BER THEO THEO HỆ SỐ SUY HAO TRONG KHÔNG GIAN TRONG MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN KHÔNG ĐẦY ĐỦ

trường thông tin kênh truyền không đầy đủ

Sử dụng mô hình như hình 5.2 với một Relay Trong phần này sẽ khảo sát sự thay đổi của BER theo hệ số α trong khoảng [2, 5] của mạng relay giải mã và chuyển tiếp với thông tin kênh truyền không đầy đủ

Kênh truyền h tr có phân bố Gaussian h tr ~ CN (0, ηtr) với η tr = (d tr ) -α , vị trí của các relay và node mạng (x, y) được giới hạn trong khoảng [0, 1] nên khoảng cách giữa các node mạng d tr < 1

Phần này sẽ so sánh ảnh hưởng của hệ số mũ đối với vị trí Relay R(0.1, 0.8)

Hình 5.7 BER theo theo hệ số suy hao trong không gian α

 Đối với vị trí R(0.1, 0.8) thì khi tăng giá trị α thì tỷ lệ lỗi bit BER tăng lên Do vậy, khi α tăng lên thì suy hao do đường truyền sẽ tăng lên nên chất lượng tín hiệu giảm xuống và tỷ lệ lỗi bit BER sẽ tăng lên, như hình 5.7 Điều này chỉ xảy ra khi khoảng cách d SR ,d RD nhỏ hơn 1

M Ô PHỎNG BER THEO SỐ LƯỢNG RELAY THAY ĐỔI TRONG MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN KHÔNG ĐẦY ĐỦ

Bài viết phân tích sự thay đổi của Tỷ lệ lỗi bit (BER) theo số lượng nút tiếp sức của mạng tiếp sức giải mã và chuyển tiếp với thông tin truyền tải không đầy đủ Cụ thể, mạng có N + 1 nút, vị trí của nút nguồn (S) và nút đích (D) được đặt cố định, còn N - 1 nút tiếp sức được đặt tuyến tính trên đường kết nối từ S đến D, với khoảng cách giữa các nút tiếp sức là 1/N.

Ví dụ: Trường hợp hệ thống mạng relay giải mã và chuyển tiếp có số hop N=2 thì vị trí của các node mạng được đặt tuyến tính như sau: S(0,0), R1(1/2,0) và D(1,0)

Trường hợp N=5 thì vị trí của các node mạng có vị trí lần lượt là: S(0,0), R1(1/5,0), R2(2/5,0), R3(3/5,0), R4(4/5,0) và D(1,0)

Hình 5.8: Sơ đồ mạng vô tuyến hợp tác với N node relay

Phần này sẽ tiến hành so sánh BER giữa các mô hình sau :

Mô hình thứ nhất là khi so sánh hệ thống với số lượng Relay thay đổi, nhưng tổng công suất phát không đổi dùng kiểu điều chế 2-QAM

Mô hình thứ hai là khi so sánh hệ thống với số lượng Relay cố định, nhưng tổng công suất phát không đổi, kiểu điều chế thay đổi dùng điều chế M-QAM

Mô hình thứ ba so sánh Tỷ lệ lỗi bit (BER) giữa các mô hình có cùng số lượng relay nhưng công suất phát của các relay khác nhau Các công suất phát được xem xét bằng lần so với công suất phát của node nguồn, cụ thể là 4, 3, 2, 1, 1/2, 1/3, 1/4, 1/5.

5.5.1 Mô phỏng BER theo số lượng relay thay đổi với tổng công suất bằng nhau dùng điều chế 2-QAM trong môi trường thông tinh kênh truyền không đầy đủ

Mô hình hệ thống tương tự như hình 5.8, tuy nhiên công suất phát của Relay thay đổi tùy theo số lượng của Relay sao cho tổng công suất phát của hệ thống là bằng nhau Ví dụ: node nguồn S phát với công suất 30 [dBm] thì với một Relay thì Relay đó sẽ phát với công suất 30[dBm] Nhưng với hai Relay thì mỗi Relay sẽ phát với công suất là 15 [dBm] Tương tự như vậy với số lượng Relay bằng 3, 4…N-1

Hình 5.9: BER theo số lượng relay thay đổi với tổng công suất bằng nhau trong môi trường thông tin kênh truyền không đầy đủ Nhận xét:

 Tỷ lệ lỗi bit BER giảm khi số hop N tăng lên Vì vậy, tùy trường hợp thực tế mà chọn số lượng relay sao cho hợp lý nhằm nâng cao chất lượng mạng đồng thời cân bằng chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng mạng Số lượng relay ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mạng

2-QAM k=1 Direct2-QAM k = 3 hop2-QAM k = 5 hop2-QAM k = 10 hop

5.5.2 Mô phỏng BER theo số lượng Relay cố định bằng 9 với tổng công suất bằng nhau dùng điều chế M-QAM trong môi trường thông tin kênh truyền không đầy đủ

Mô hình hệ thống tương tự như hình 5.8, với công suất phát của Relay thay đổi tùy theo số lượng của Relay sao cho tổng công suất phát của hệ thống là bằng nhau Số lượng Relay cố định bằng 9, và phần này so sánh BER của các kiểu điều chế M- QAM khác nhau trong mô hình này

Hình 5.10: BER theo số lượng relay cố định với tổng công suất bằng nhau, dùng điều chế M-QAM trong môi trường thông tin kênh truyền không đầy đủ Nhận xét:

 Tỷ lệ lỗi bit BER tăng khi dùng kiểu điều chế M-QAM với M tăng Vì vậy, tùy trường hợp thực tế về chất lượng và dung lượng kênh truyền mà quyết định chọn kiểu điều chế cho phù hợp

5.5.3 Mô phỏng BER theo số lượng relay cố định bằng 9, với công suất phát của Relay thay đổi theo tỉ lệ 4, 3, 2, 1, 1/2 , 1/3, 1/4, 1/5 so với công suất phát của Relay

2-QAM k hop16-QAM k hop64-QAM k hop256-QAM k hop1024-QAM k hop

Mô hình hệ thống tương tự như hình 5.8, với công suất phát của Relay thay đổi theo một tỉ lệ với công suất phát của node nguồn S, bằng 4, 3, 2, 1, 1/2, 1/3, 1/4, 1/5 Số lượng Relay bằng 9 và nằm tuyến tính từ node nguồn S tới node đích D So sánh BER của mô hình này với Relay có công suất phát khác nhau dùng kiểu điều chế 2-QAM

Hình 5.11: BER theo số lượng relaycố định bằng 9 với công suất phát Relay thay đổi, dùng điều chế 2-QAM trong môi trường thông tin kênh truyền không đầy đủ Nhận xét:

 Tỷ lệ lỗi bit BER tăng khi công suất phát của Relay giảm theo tỉ lệ với công suất phát của node nguồn S Ví dụ, BER của mô hình dùng Relay có công suất phát bằng 1/2 công suất phát của nguồn cho BER tốt hơn so với mô hình dùng Relay có công suất phát bằng 1/3, 1/4, 1/5 so với công suất phát của Relay

2-QAM 1xPower2-QAM 1/2xPower2-QAM 1/3xPower2-QAM 1/4xPower2-QAM 1/5xPower2-QAM 2xPower2-QAM 3xPower2-QAM 4xPower

 Ngược lại, tỷ lệ lỗi BER giảm khi công suất phát của Relay tăng gấp 2, gấp 3 so với công suất phát của node nguồn S

 Vì vậy, tùy vào điều kiện thực tế, vì công suất của các node là hữu hạn nên tùy trường hợp cụ thể mà chọn công suất phát của Relay như thế nào cho phù hợp với yêu cầu của thực tế

5.5.4 Mô phỏng BER theo số lượng pilot symbol

Trong mô hình hệ thống (Hình 5.8), 9 Relay được sắp xếp tuyến tính từ nguồn S đến đích D Tỷ lệ lỗi bit (BER) được so sánh giữa các điều chế M-QAM khác nhau với các số lượng pilot khác nhau Từ đó, số lượng pilot tối ưu được lựa chọn để đảm bảo BER thấp nhất.

Hình 5.12: BER ứng với số lượng pilot, với số Relay bằng 9, dùng kiểu điều chế

M-QAM trong môi trường thông tin kênh truyền không đầy đủ

Kết luận

Sau quá trình phân tích sự thay đổi tỷ lệ lỗi bit BER theo các thông số của mạng relay vô tuyến hợp tác với thông tin kênh truyền không đầy đủ, có thể rút ra nhận xét như sau:

Tỷ lệ lỗi bit (BER) của mạng relay vô tuyến hợp tác tăng lên trong trường hợp thông tin kênh truyền không đầy đủ so với trường hợp có đầy đủ thông tin kênh truyền Sự gia tăng của BER là do các sai số gây ra trong quá trình ước lượng kênh truyền.

 Tỷ lệ lỗi bit BER của mạng relay vô tuyến hợp tác trong trường hợp thông tin kênh truyền không đầy đủ dùng điều chế M-QAM tăng khi M tăng

Tỷ lệ lỗi bit BER trong hệ thống relay tùy thuộc vào hệ số suy hao không gian α Giá trị α phản ánh mức độ suy hao tín hiệu trên đường truyền, được xác định dựa trên điều kiện môi trường thực tế Khi hệ số suy hao α tăng, BER cũng tăng theo hàm mũ, cho thấy sự suy giảm chất lượng tín hiệu và khả năng truyền tải dữ liệu chính xác bị ảnh hưởng Do đó, nắm được giá trị α là điều quan trọng để đánh giá mức độ suy hao đường truyền và BER, từ đó đưa ra các biện pháp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

Tỷ lệ lỗi BER thấp nhất được ghi nhận tại vị trí nút nguồn (0,5,0) và nút nhận Đây là thông tin quan trọng ứng dụng khi cần chọn vị trí đặt Relay duy nhất trong hệ thống nhằm mục đích tối thiểu hóa BER trong môi trường kênh truyền không hoàn hảo.

Trong một hệ thống truyền thông kênh truyền không đầy đủ, tỷ lệ lỗi BER tỷ lệ nghịch với số lượng relay được sử dụng khi tổng công suất truyền không đổi và sử dụng cùng một kiểu điều chế M-QAM Nói cách khác, khi tăng số lượng relay trong hệ thống, tỷ lệ lỗi BER sẽ giảm, dẫn đến khả năng truyền dữ liệu đáng tin cậy hơn.

 Tỷ lệ lỗi BER với số lượng relay cố định và tổng công suất phát của hệ thống bằng nhau dùng kiểu điều chế M-QAM trong môi trường thông tinh kênh truyền không đầy đủ thì khi M tăng lên tức là cùng một băng thông sẽ điều chế được nhiều bit thông tin hơn thì tỷ lệ lỗi BER tăng

 Tỷ lệ lỗi BER theo số lượng relay cố định bằng nhau được nằm tuyến tính với nhau, với công suất phát của Relay thay đổi theo tỉ lệ 4, 3, 2, 1, 1/2 , 1/3, 1/4, 1/5 so với công suất phát của Relay thì công suất phát Relay càng lớn thì tỷ lệ lỗi BER càng giảm

 Số lượng pilot symbol cũng ảnh hưởng đến BER, khi tăng số lượng pilot symbol thì BER của mạng hợp tác sẽ giảm Tuy nhiên, khi tăng số lượng pilot symbol L p đến một ngưỡng nào đó thì BER sẽ giảm rất ít và hầu như không thay đổi nên cần phải chọn lựa L p sao cho hợp lý Thông thường chọn L p = 4 nhằm đảm bảo BER thấp và không ảnh hưởng đến tốc độ dữ liệu và sự suy giảm công suất Theo kết quả phân tích thì L p ảnh hưởng không nhiều đến tỷ lệ lỗi bit BER

 BER trong hệ thống với cùng tổng công suất phát, cùng băng thông trong môi trường thông tin kênh truyền không đầy đủ thì mô hình hệ thống với ít Relay hơn, dùng kiểu điều chế thấp hơn cho tỷ lệ lỗi BER nhỏ hơn

Tỷ lệ lỗi bit BER phụ thuộc nhiều vào số lượng, vị trí và công suất phát của relay Do đó, cần nghiên cứu và đưa ra phương pháp lựa chọn số lượng, vị trí, công suất của relay để tối ưu hóa vùng phủ sóng và đảm bảo chất lượng mạng.

Vì vậy, khi thiết kế và xây dựng mạng relay hợp tác đa hop yêu cầu phải lựa chọn các thông số {kiểu điều chế, số lượng, công suất và vị trí relay} sao cho tối ưu nhất, việc lựa chọn các thông số trên ngoài ra còn phụ thuộc vào {α, L p } đối với thông tin kênh truyền không đầy đủ