Đang tải... (xem toàn văn)
KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP (AMPLIFY AND FORWARD) CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG Truyền thông dữ liệu qua mạng vô tuyến là một lĩnh vực đang dần nâng cao cả về phương diện kỹ thuật và tính ứng dụng. Đây chính là mũi nhọn trong ngành thông tin và truyền thông ở hiện tại và trong tương lai.
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ĐỖ THỊ MINH QUẾ KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP (AMPLIFY AND FORWARD) CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Mã số: 60.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - NĂM 2013 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH NGUYỄN NGỌC SAN Phản biện 1:…………………………………………… Phản biện 2:…………………………………………… Luận văn bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc:….giờ… ngày….tháng….năm… Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Truyền thông liệu qua mạng vô tuyến lĩnh vực dần nâng cao phương diện kỹ thuật tính ứng dụng Đây mũi nhọn ngành thông tin truyền thông tương lai Tuy nhiên, việc truyền dẫn thông tin qua kênh vô tuyến không đảm bảo chắn nhiều lý thời tiết, địa hình Trong thực tế, tín hiệu truyền từ máy phát tới máy thu theo nhiều đường khác gây tượng thăng giáng ngẫu nhiên biên độ, pha góc tới tín hiệu thu được, tượng gọi fading đa đường Ảnh hưởng fading đa đường tới chất lượng truyền tín hiệu lớn Vấn đề nhận nhiều quan tâm nghiên cứu nhiều phương pháp khác đưa để hạn chế ảnh hưởng fading sử dụng kỹ thuật phân tập, MIMO…Tuy nhiên, với phương pháp có tồn khuyết điểm Luận văn trình bày phương pháp khác để làm giảm ảnh hưởng fading kỹ thuật truyền thông đa chặng (Multi-hop Communication), kỹ thuật Ý tưởng kỹ thuật chia nhỏ đường truyền node nguồn node đích cách sử dụng node trung gian (relay) để chuyển tiếp tín hiệu Node relay ngồi nhiệm vụ chuyển tiếp tín hiệu cịn làm nhiệm vụ khuếch đại truyền, giải mã truyền…để mở rộng phạm vi phủ sóng, tăng chất lượng hệ thống Đây vấn đề đáng quan tâm nghiên cứu Với lý mục tiêu cập nhật công nghệ, kỹ thuật nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu, giảng dạy nên em chọn đề tài Kỹ thuật chuyển tiếp (Amplify and Forward) hệ thống truyền thông đa chặng để làm luận văn tốt nghiệp Tuy nhiên, giới hạn mặt thời gian hạn chế mặt kiến thức nên phạm vi đề tài nghiên cứu điểm trung chuyển cố định mạng truyền thông đa chặng Phƣơng pháp nghiên cứu luận văn - Khảo sát nghiên cứu, tài liệu liên quan để thu thập thông tin sở lý thuyết liên quan đến nội dung nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật chuyển tiếp - Xây dựng mơ hình hệ thống hai chặng đa chặng, đánh giá tham số hệ thống Luận văn có số đóng góp bật nhƣ sau: - Nghiên cứu mạng truyền thông đa chặng phương pháp chuyển tiếp tín hiệu node relay - Xây dựng hai mơ hình: Truyền thơng hai chặng truyền thơng đa chặng - Tính tốn hệ số khuếch đại mơ hình tốc độ đạt tối đa mạng chuyển tiếp AF - Thiết lập hệ thống mô kết mô số Theo phương hướng trên, nội dung luận văn chia làm ba chương sau: Chƣơng 1: Tổng quát hệ thống truyền thông đa chặng Trong chương này, luận văn đề cập tới số yếu tố liên quan đến chất lượng đường truyền vô tuyến tập trung chủ yếu vào phân tích số mơ hình truyền thơng đa chặng (hai chặng, ba chặng, chặng) So sánh ưu nhược điểm phương pháp với phương pháp truyền trực tiếp (đơn chặng) Chƣơng 2: Kỹ thuật chuyển tiếp hệ thống truyền thông đa chặng Trong chương luận văn giới thiệu kỹ thuật chuyển tiếp, loại chuyển tiếp, yêu cầu node trung gian đường truyền Trong chương này, luận văn chủ yếu tập trung vào kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp node relay hệ thống truyền thông hai chặng, đa chặng Chƣơng 3: Kết mô Trong chương luận văn thiết lập hệ thống mô (hệ thống truyền thông chặng, đa chặng) Ứng với hệ thống luận văn đưa kết mô (bằng số) để chứng minh ưu điểm phương pháp khuếch đại chuyển tiếp truyền thông đa chặng CHƢƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG 1.1 Giới thiệu chƣơng Truyền dẫn đa chặng kết hợp liên kết truyền dẫn ngắn để mở rộng phạm vi phủ sóng mạng cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp trung gian máy phát máy thu Việc sử dụng truyền dẫn chuyển tiếp có nhiều ưu điểm, quan trọng cơng suất phát u cầu hai phía phát thu Trong chương này, luận văn phân tích ưu nhược điểm mạng đa chặng so với đơn chặng số loại mơ hình truyền liệu qua số chặng trung gian Ngoài ra, phân tích hiệu cơng suất phát thay đổi số chặng truyền dẫn vô tuyến từ nguồn đến đích mơi trường khơng gian tự 1.2 Những yếu tố liên quan đến chất lƣợng đƣờng truyền Để đánh giá khả hoạt động hệ thống thơng tin vơ tuyến mơ tả xác kênh truyền khơng dây phải xác định đặc tính mơi trường truyền Sau tóm tắt yếu tố có liên quan đến chất lượng đường truyền 1.2.1 Hiện tượng fading 1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến fađinh đa đường 1.2.3 Xác suất thống kê fađinh 1.2.4 Nhiễu giao thoa liên ký tự (ISI) 1.2.5 Phân tập - Phân tập thời gian - Phân tập tần số: - Phân tập khơng gian Ngồi ba phương pháp phân tập giải pháp hiệu sử dụng kỹ thuật truyền thông đa chặng Đây kỹ thuật truyền thông khơng dây, cho phép người dùng hoạt động trạm chuyển tiếp hỗ trợ truyền tín hiệu đến người khác Máy chuyển tiếp (máy relay) với máy nguồn hợp tác truyền tín hiệu đến máy đích, tạo nên mảng anten ảo máy có anten Mảng anten ảo tương tự mảng anten vật lý, giảm ảnh hưởng tượng fading cho phép máy thu thu nhiều tín hiệu từ đường khác tương tự máy có nhiều anten 1.3 Giới thiệu phƣơng pháp truyền thông đa chặng Truyền thông đa chặng phương pháp hiệu để thiết lập kết nối node mạng mà truyền thông theo đường truyền trực tiếp không khả thi hiệu suất công suất không tối ưu Trong truyền thông đa chặng, liệu truyền từ nguồn tới đích tương ứng giúp đỡ số lượng định node trung gian So với truyền thông chặng, truyền thông đa chặng hưởng từ độ lợi kênh truyền Trong hệ thống này, tín hiệu từ node nguồn truyền đến node đích thơng qua số node trung gian (relay) Hình 1.6 Mơ hình mạng truyền thơng đa chặng Một mạng truyền thơng đa chặng gồm có ba thành phần là: - Trạm gốc BS (Base Station): Có khả trợ giúp, giao tiếp với nhiều điểm chuyển tiếp nên BS cịn có tên MR (multihop relay) - Trạm chuyển tiếp RS (Relay Station): Nhận thông tin từ trạm gốc đưa tới truyền tới đích SS (subscriber Station) - Trạm đích MS (Mobile Station) 1.3.1 Mơ hình hệ thống truyền trực tiếp đơn chặng Mạng vô tuyến di động (như GSM, CDMA, IEEE 802.16) hoạt động theo cấu trúc liên kết điểm-đa điểm, tồn hai hai loại thực thể mạng, trạm gốc (BS) trạm di động (MS) Source Destination D Hình 1.7: Mơ hình truyền thơng đơn chặng Trong mơ hình truyền dẫn trực tiếp (đơn chặng), ta có cơng suất máy thu môi trường không gian tự sau: PRx PTx 4D ( ⇒ ) (1.3) Trong bước sóng truyền dẫn, D khoảng cách từ nguồn đến đích, PTx cơng suất phát, PRx cơng suất thu Trong q trình truyền dẫn tín hiệu bị suy hao: ( ) (1.4) Từ công thức (1.4) ta có cơng suất phát sau: 4 PTx D PRx Đặt (1.5) ( ) ta có Như ta có cơng suất phát tuyến truyền dẫn đơn chặng sau: (1.6) 1.3.2 Các loại mô hình truyền liệu đa chặng Mạng chuyển tiếp đa chặng kết hợp liên kết ngắn để phủ sóng khu vực rộng lớn cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp trung gian trạm gốc (BS) máy thu (MS) Source Destination da =D/2 db =D/2 D/3 D/4 D/3 D/4 D/3 D/4 D/4 Hình 1.9: Mơ hình truyền dẫn qua chặng, chặng, chặng Với mơ hình mạng hai chặng cơng suất phát mơ tả biểu thức sau: PTx _ Hop PTx _ FirstHop PTx _ SecHop (1.7) ( ) ( ) (1.10) (1.11) Như ta có cơng suất mạng mạng hai chặng mô tả biểu thức sau: ( ) (1.12) Trong trường hợp tổng quát, khoảng cách truyền dẫn chia thành n chặng nhau, chặng có khoảng cách Từ (1.12), ta xác định công suất cho tuyến truyền dẫn đa chặng sau D PTx _ MH n.PRx K ; 1 n n (1.13) 1.3.3 Đặc trưng phương pháp truyền đa chặng Mạng cảm biến vô tuyến bao gồm nhiều nút trung gian, nút trung gian xem nhỏ, giá thành thấp, độ phức tạp không cao tiêu thụ lượng Trong phần luận văn trình bày đặc tính nút nguồn, nút trung gian hệ thống truyền thơng đa chặng Hình sau sơ đồ khối để mô tả công suất tiêu thụ nút trung gian Hình 1.12: Cơng suất tiêu thụ nút trung gian Mạch điện cung cấp công suất Pd, công suất bị tiêu tan phần Pi tải suy hao túy khuếch đại Hệ số khuếch đại (1.15) Trong đại ⁄ cơng suất tín hiệu nhận từ kênh truyền đưa tới hệ số khuếch Chúng ta ước tính cơng suất cung cấp ( ) ⁄ ⁄ (1.16) Từ ta thấy G lớn nhiều so với Do cơng suất tiêu thụ Pc nút trung gian là: (1.17) Mức nhiễu máy thu Nhiễu thành phần tránh khỏi hệ thống truyền thông vô tuyến Để đơn giản hóa luận văn trình bày nhiễu nút Sau sơ đồ khối đơn giản điển hình cho nút Hình 1.13: Sơ đồ khối nút chuyển tiếp pha Đầu tiên tín hiệu cao tần nhận từ anten đưa vào lọc khuếch đại khuếch đại tạp âm (LNA – Low Noise Amplifier) Tín hiệu sau khuếch đại làm đưa vào trộn Tín hiệu sau trộn lại đưa vào khuếch đại trung gian (IFA – intermediate frequency amplifier) 1.4 So sánh phƣơng pháp truyền đơn chặng với phƣơng pháp truyền đa chặng 1.4.1 Ưu điểm mạng đa chặng + Giảm công suất phát : + Tăng dung lượng hệ thống: + Dịch vụ tốc độ liệu cao hơn: + Cân lưu lượng tải: + Giảm hiệu ứng nút cổ chai: + Mở rộng vùng phủ sóng hệ thống: + Cải thiện độ tin cậy định tuyến: 1.4.2 Nhược điểm mạng đa chặng + Hệ thống phức tạp: + Bảo mật kém: + Thách thức thủ tục AAA + Trễ 1.5 Kết luận chƣơng Trong chương 1, nghiên cứu cách tổng quát yếu tố liên quan đến chất lượng đường truyền môi trường truyền dẫn vô tuyến Để khắc phục yếu tố để đạt yêu cầu thơng lượng, phạm vi phủ sóng rộng lớn, việc cung cấp chất lượng dịch vụ tốt chương đưa phương pháp truyền thơng truyền thơng đa chặng Trong chương nêu đặc trưng phương pháp truyền thông đa chặng so sánh phương pháp truyền thông đa chặng với phương pháp truyền trực tiếp truyền thống Kỹ thuật truyền thông đa chặng sử dụng nút chuyển tiếp để chia đường truyền (vùng phủ sóng) thành nhiều chặng nhỏ Kỹ thuật có nhiều ưu điểm như: giảm cơng suất phát, mở rộng vùng phủ sóng mạng, tăng thơng lượng hệ thống…Để làm rõ vấn đề yêu cầu node trung gian đường truyền khuếch đại chuyển tiếp Để hiểu rõ kỹ thuật chuyển tiếp, loại chuyển tiếp, kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp node trung gian đường truyền việc xây dựng mơ hình truyền thơng đa chặng tính tốn thơng số cần thiết Vấn đề trình bày chương II 10 Type-II Type-I BS Relay MS Relay MS Hình 2.3 Chuyển tiếp loại I loại II 2.4 Yêu cầu node trung gian đƣờng truyền 2.4.1 Khuếch đại chuyển tiếp AF (Amplify and Forward) – Non regenerative Relay Hình 2.4: Phƣơng pháp chuyển tiếp Amplify and Forward Kỹ thuật sử dụng trường hợp thời gian tính tốn cơng suất vốn có trạm chuyển tiếp bị giới hạn, hay có thời gian trì hỗn Trạm chuyển tiếp nhận tín hiệu bị suy hao cần phải khuếch đại lên trước truyền tiếp 2.4.2 Giải mã truyền DF (Decode and Forward)- Regenerative Relay 11 Hình 2.5: Phƣơng pháp chuyển tiếp Decode and Forward Phương pháp dùng việc truyền tín hiệu số Tín hiệu nhận được giải mã sau mã hóa, nhiễu khơng khuếch đại tín hiệu nhận (có tái tạo lại tín hiệu: transparent mode) 2.4.3 Giải mã, khuếch đại truyền (Decode, Amplify and Forward) Đầu tiên, nút chuyển tiếp giải mã tín hiệu nhận từ node nguồn sau mã hóa lại thực khuếch đại truyền đến đích Phương pháp đơn giản độ trễ xử lý thấp, tránh lỗi lan truyền Mặt khác tín hiệu ước tính truyền tới đích Hình 2.6: Phƣơng pháp Decode, Amplify and Forward 2.5 Kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp AF hệ thống truyền thông hai chặng Chuyển tiếp hệ thống không tái sinh lại phân làm loại chuyển tiếp hỗ trợ thông tin trạng thái kênh (CSI) chuyển tiếp mờ (blind relay) Hệ thống không tái sinh với chuyển tiếp hỗ trợ thông tin trạng thái kênh sử dụng CSI tức thời chặng để kiểm soát độ lợi đưa nút chuyển tiếp khôi phục công suất truyền lại tín hiệu Ngược lại, hệ thống với chuyển tiếp mờ không cần CSI tức thời, sử dụng khuếch đại với độ lợi cố định tín hiệu có cơng suất thay đổi ngõ 12 nút chuyển tiếp Hệ thống với loại chuyển tiếp mờ không vận hành tốt hệ thống trang bị chuyển tiếp hỗ trợ CSI, độ phức tạp thấp dễ dàng triển khai khiến chúng trở nên hấp dẫn từ góc nhìn thực tế 2.5.1 Hệ thống hai chặng không hợp tác với nút chuyển tiếp cố định 2.5.1.1 Mơ hình hệ thống Tín hiệu truyền từ node nguồn tới node đích thơng qua node chuyển tiếp relay Giả sử node nguồn truyền tín hiệu s với cơng suất trung bình đủ để node relay nhận được, tín hiệu nhận node relay viết sau: (2.1) Hình 2.7: Mơ hình hệ thống chặng khơng hợp tác Trong đó: n1 nhiễu AGWN với công suất N01 đẩu relay biên độ fading kênh truyền từ node nguồn tới node relay, tuân theo hàm mật độ xác suất sau: ( ) Với ( ) (2.2) ̅̅̅ cơng suất fading trung bình chặng thứ i nhiễu AWGN với mật độ phổ công suất N01 Tín hiệu nhận node relay sau khuếch đại truyền tới node đích Tín hiệu nhận node đích biểu diễn sau: ( Trong ) biên độ fading kênh node relay với node đích (2.3) nhiễu AWGN với hàm mật độ phổ công suất N02 đầu vào node đích Từ biểu thức (2.3) ta biểu thức tức thời SNR node đích sau: (2.4) 13 Rõ ràng từ phương trình cho thấy việc chọn độ lợi G xác định tỷ số tín hiệu nhiễu SNR từ đầu cuối tới đầu cuối hệ thống hai chặng Xét trường hợp: Node relay loại hỗ trợ trạng thái kênh thơng tin CSI Khi độ lợi G là: Trong đó: (2.5) cơng suất tín hiệu phát ngỏ nút chuyển tiếp Việc lựa chọn độ lợi nhằm mục đích đảo ngược hiệu ứng fading kênh đầu tiên, giới hạn công suất ngõ chuyển tiếp biên fading chặng thấp Thay (2.5) vào (2.4) ta có được: (2.6) Trong i E1hi2 N 0i , (với i = 1, 2) SNR chặng Nếu xem xét hiệu suất hệ thống không tái sinh với nút chuyển tiếp mờ loại chuyển tiếp có độ lợi cố định với tín hiệu thu mà không quan tâm đến biên độ fading chặng Đặt C E2 (G N 01 ) , cơng thức (2.4) viết lại sau: eq2 1 C (2.7) Với C số độ lợi cố định G Hai chặng giả định độc lập khơng thiết có phân bố fading Rayleigh giống 2.5.2 Hệ thống hai chặng hợp tác với nút chuyển tiếp cố định 2.5.2.1 Mơ hình hệ thống Xét mơ hình hệ thống vơ tuyến hai chặng hợp tác hình 2.8 Trạm đích (D) liên lạc với trạm nguồn (S) thơng qua nút chuyển tiếp (R) Ngồi ra, trạm đích (D) cịn nhận tín hiệu trực tiếp từ trạm phát (S) Nút chuyển tiếp sử dụng nút chuyển tiếp AF với độ lợi cố định 14 Hình 2.8 Mơ hình hệ thống hai chặng hợp tác Thông tin trạm nguồn (S) đích (D) liên lạc với thơng qua kênh chịu ảnh hưởng Rayleigh fading với hệ số hS,D, nút chuyển tiếp chia tuyến truyền dẫn nguồn đích thành hai chặng với hệ số Rayleigh fading tương ứng hS,R hR,D Với giả định rằng, nhiễu AWGN tuyến (S-D, S-R, R-D) có mật độ phổ công suất N0 hệ số fading (hS,D, hS,R , hR,D) độc lập với Việc truyền tín hiệu diễn pha nút chuyển tiếp khơng thể truyền thu tín hiệu đồng thời + Trong pha thứ nhất, tín hiệu từ nguồn phát quảng bá tới đích tới relay Tín hiệu nhận đích relay sau: √ (2.23) √ (2.24) Trong đó: P1 cơng suất phát nguồn hs,r hs,d hệ số kênh nút nguồn với nút chuyển tiếp, nút nguồn với nút đích có phương sai là: ns,r ns,d nhiếu Gauss cộng sinh có phương sai + Trong pha thứ hai: Node relay khuếch đại tín hiệu nhận từ node nguồn truyền tới node đích với cơng suất P2 Tín hiệu nhận node đích từ relay đưa tới là: √ √ (2.25) | | Thay biểu thức vào ta √ √ | (2.26) | 15 √ Với √ | | hai biến ngẫu nhiên độc lập có phương sai Giả sử là: ( | | | | (2.27) ) Nút đích nhận hai tín hiệu x qua hai đường: (S – D) (S-R-D) Có nhiều cách khác để kết hợp hai tín hiệu đó, quan tâm tới phương pháp MRC Tỷ số tín hiệu nhiễu đầu kết hợp MRC tổng tỷ số tín hiệu nhận nhiễu đường truyền Giả sử công suất truyền P = P1 + P2 Trong phương thức AF node relay ngồi nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ node nguồn đưa tới, cịn khuếch đại tín hiệu nhiễu Thành phần nhiễu pha có phương sai là: ( | | | | ) Với hệ số kênh biết hs,d, hs,r, hs,d tín hiệu đầu kết hợp MRC nút đích viết sau: (2.28) Những hệ số kết hợp a1 a2 nên chọn cho kết hợp SNR cực đại: √ √ √ | | | ( | | | (2.29) ) Giả sử tín hiệu phát từ nguồn x có lượng trung bình 1, SNR đầu MRC là: Trong đó: | | (2.30) | | | | | | | | (2.31) Khi ta biểu thức SNR cho hai chặng là: (2.32) 2.6 Kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp AF hệ thống truyền thơng đa chặng 2.6.1 Mơ hình hệ thống Xét hệ thống truyền thơng vơ tuyến hình 2.9 Tín hiệu từ nguồn lan truyền qua n chặng trước đến đích Trong hn biên độ fading chặng thứ n, Gn độ lợi nút chuyển tiếp thứ n Với mơ hình này, hệ thống sử dụng loại chuyển tiếp không tái sinh 16 h R1 Rn-2 R2 Rn-1 h S h D Hình 2.9: Mơ hình hệ thống đa chặng Trong trường hợp trạng thái kênh thơng tin CSI, nút chuyển tiếp có độ lợi G sau: (2.40) Trong đó: lượng ngõ nút chuyển tiếp thứ n N0 tín hiệu nhiễu trắng Gaussian ngõ vào nút chuyển tiếp cho bởi: Ta có SNR toàn hệ thống *∏ ( ) + (2.41) Nếu hệ thống sử dụng loại chuyển tiếp mờ (2.45) Trong số, sử dụng hai phương trình biểu thức biểu thức tỷ số tín hiệu nhiễu từ đầu cuối tới đầu cuối SNR đầu node đích viết lại sau: ( ) * ∑ Trong đó: + (2.46) ∏ SNR tức thời chặng thứ j 2.7 Kết luận chƣơng Trong chương này, luận văn đưa khái niệm kỹ thuật chuyển tiếp, loại chuyển tiếp yêu cầu node trung gian đường truyền mạng truyền thông đa chặng Để phân tích mạng truyền thơng đa chặng dựa sở mạng truyền thơng hai chặng Tuy nhiên chương này, luận văn trình bày kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp mơ hình truyền thơng 17 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Giới thiệu chƣơng Trong chương trước, luận văn trình bày kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp AF hệ thống truyền thông hai chặng truyền thơng đa chặng Để nhìn nhận rõ ràng xác thực số vấn đề mà lý thuyết đề cập, chương giới thiệu chương trình mơ để minh họa cách trực quan hệ số khuếch đại hệ thống với biểu đồ đánh giá BER so với SNR Thông qua phần mô để đánh giá chất lượng hệ thống hai chặng, đa chặng với nút chuyển tiếp cố định Việc mô thực thông qua đánh giá xác suất lỗi bít (BER) xác suất rớt hệ thống hai chặng, đa chặng với mức ngưỡng khác kênh Rayleigh fading với phương thức điều chế BPSK Qua đánh giá cải thiện BER hệ thống hai chặng hợp tác so với đường truyền trực tiếp 3.2 Thiết lập hệ thống mô 3.2.1 Hệ thống truyền thông hai chặng không hợp tác 3.2.2 Hệ thống truyền thông qua hai chặng hợp tác 3.2.3 Hệ thống truyền thông đa chặng 3.3 Kết mô (bằng số) 3.3.1 Đối với hệ thống truyền thơng qua hai chặng khơng hợp tác Hình 3.5 mô tả xác suất đầu hệ thống hai chặng với nút chuyển tiếp AF hoạt động chế độ khác nhau: Khi nút chuyển tiếp có độ lợi cố định: √̅ ( ) ̅ Khi nút chuyển tiếp có độ lợi biến thiên: Ở hai chế độ trường hợp nút chuyển tiếp có độ lợi biến thiên có hiệu suất tốt Tuy nhiên khoảng cách chênh lệch hiệu suất hai chế độ không nhiều so với độ phức tạp relay có độ lợi biến thiên Thậm chí đơi hệ thống sử dụng relay có độ lợi cố định hoạt động hiệu trường hợp relay có độ lợi biến thiên Điều phụ thuộc vào hệ số relay biến thiên khi nhỏ Chú ý tăng phạm vi tỷ số tín hiệu nhiễu trung bình trường hợp hệ thống có độ lợi cố định tốt trường hợp hệ thống có độ lợi biến thiên 18 Hình 3.6 so sánh tỷ lệ lỗi bít trung bình hệ thống hai chặng sử dụng relay có độ lợi cố định độ lợi biến thiên, nhiên độ lênh lệch hai trường hợp nhỏ Hình 3.5: Xác suất đầu hệ thống hai chặng với việc sử dụng relay hoạt động chế độ khác Hình 3.6: Tỷ lệ bít lỗi trung bình hệ thống hai chặng với việc sử dụng relay hoạt động chế độ khác 19 3.3.2 Đối với hệ thống truyền thông qua hai chặng hợp tác + Đánh giá BER hệ thống hai chặng hợp tác: Kết mơ hình 3.7 cho thấy tỉ lệ lỗi bit với giá trị khác Kết cho thấy BER hệ thống hai chặng với nút chuyển tiếp hợp tác tốt so với đường truyền trực tiếp Khi mức ngưỡng tăng tỉ lệ lỗi bít cải thiện Sở dĩ có điều hệ thống đạt lợi ích từ chế phân tập hợp tác Ngoài ta, kết cho thấy SNR cao hiệu lỗi chế chuyển tiếp hợp tác có xu hướng song song với đường truyền trực tiếp, điều cho thấy hệ thống đạt độ lợi mảng ăng ten ảo khơng có độ lợi phân tập Nguyên nhân SNR cao, đích cần đến hỗ trợ việc truyền tín hiệu từ nút chuyển tiếp BER for dual hop with Cooperative Relay 10 -1 10 -2 10 -3 BER 10 -4 10 Direct Transmission Dual-hop g0=2.71 -5 10 Dual-hop g0=4.77 -6 Dual-hop g0=6.92 10 Dual-hop g0=9.09 -7 10 10 15 Es/No(dB) 20 25 30 Hình 3.7 BER cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút chuyển tiếp AF 20 + Đánh giá xác suất rớt hệ thống hai chặng hợp tác Pout Dual-hop Cooperative with Amplify and Forward Relay 10 -1 10 -2 Pout 10 -3 10 -4 gamma0=2.71 10 gamma0=4.77 -5 gamma0=6.92 10 gamma0=9.09 -6 10 10 15 Es/No(dB) 20 25 30 Hình 3.8: Xác suất rớt cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút chuyển tiếp AF 3.3.3 Đối với hệ thống truyền thơng đa chặng Mơ hình mơ BER hệ thống đa chặng (mơ hình tuyến tính) sử dụng hình (3.4) Nút chuyển tiếp sử dụng nút AF Giả định terminal cố định, khoảng cách từ nguồn đến đích d Hệ thống đa chặng sử dụng ( N 1) nút chuyển tiếp chia hệ thống thành N chặng có khoảng cách (d / N ) Với hệ thống N chặng, tín hiệu sau qua nút chuyển tiếp tiếp tục chuyển đến nút thứ 2, nút chuyển tiếp thứ N-1, hình thành hệ thống N chặng Sau nút chuyển tiếp, ta tính tốn SNR BER Sau tính tốn tỉ số BER sau chặng so sánh với đường trực tiếp Các kết mô thực với nguồn vào triệu bit ngẫu nhiên, sử dụng điều chế BPSK, QPSK cho kênh Rayleigh fading Nút chuyển tiếp sử dụng AF 21 + Điều chế BPSK BER for BPSK - Multihop over Rayleigh channel 10 -1 Bit Error Rate 10 -2 10 Hops Hops Hops Hops Hops Direct Link -3 10 -4 10 10 15 20 SNR per Hop 25 30 35 Hình 3.10 BER cho hệ thống đa chặng kênh Rayleigh fading sử dụng phƣơng pháp BPSK + Điều chế QPSK BER - QPSK for multihop over Rayleigh channel 10 -1 Bit Error Rate 10 -2 10 Hops Hops Hops Hops Hops Direct Link -3 10 -4 10 10 15 20 SNR per Hop 25 30 35 Hình 3.11 BER cho hệ thống đa chặng kênh Rayleigh fading sử dụng phƣơng pháp QPSK 22 3.4 Những bàn luận (trên sở kết quả) Mô với việc bổ sung thêm nhiều chặng vào hệ thống, theo kết mơ hình (3.10) (3.11) ta thấy rằng, với hệ thống chặng với nút chuyển tiếp cho BER tốt đường truyền trực tiếp Ngoài ra, tỉ lệ BER sau chặng thêm vào tăng so với chặng trước tỉ lệ tăng khơng giống nhau, hay nói cách khác BER tăng sau chặng có hiệu ứng giảm dần Nguyên nhân tăng BER hệ thống sử dụng nút chuyển tiếp AF, nút chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu nhiễu từ kênh 3.5 Kết luận chƣơng Chương trình bày kết mô đánh giá hệ thống hai chặng hợp tác hệ thống đa chặng mơ hình tuyến tính sử dụng với nút chuyển tiếp AF Kết mô với cho thấy ảnh hưởng việc tăng số chặng lên tỉ lệ lỗi bit hệ thống Với hệ thống hai chặng hợp tác, xác suất lỗi bít cải thiện so với truyền dẫn trực tiếp, nhờ chế phân tập hợp tác đích nút chuyển tiếp Với hệ thống đa chặng không hợp tác, BER hệ thống đa chặng với nút chuyển tiếp tốt so với đường truyền trực tiếp Tuy nhiên, hiệu lỗi sau chặng thêm vào tăng lên ảnh hưởng fading nhiễu Với mơ hình BER khơng tăng mà có hiệu ứng giảm dần sau chặng thêm vào 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Tóm tắt kết nghiên cứu Trong thông tin vô tuyến, kỹ thuật truyền thông đa chặng với nút chuyển tiếp công nghệ đem lại nhiều ưu điểm lợi ích cho ngành viễn thơng tương lai, cụ thể áp dụng hệ thống thông tin di động 4G Tại khu vực rìa cell, nơi mà tín hiệu thu có SNR thấp, hệ thống mạng 4G không đáp ứng nhu cầu truyền tải liệu tốc độ cao, việc sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp đáp ứng yêu cầu tốc độ truyền tải liệu cho thuê bao khu vực rìa cell, mở rộng vùng phủ sóng hệ thống mạng 4G Luận văn phân tích khái quát ưu nhược điểm hệ thống đa chặng so với đơn chặng, với việc đưa số mơ hình truyền liệu qua chặng, chặng, chặng Ngoài luận văn trình bày loại chuyển tiếp trung gian đường truyền yêu cầu node trung gian đường truyền Để đánh giá chất lượng mạng truyền thông đa chặng, luận văn phân tích kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp node chuyển tiếp cố định đường truyền dựa mô hình hệ thống mạng hai chặng hệ thống đa chặng Qua đánh giá SNR hệ thống, tỉ lệ lỗi bit, xác suất rớt hệ thống Kết thực nghiệm cho thấy hệ thống đa chặng với hỗ trợ nút chuyển tiếp cần thiết để mở rộng vùng sóng, tăng cường chất lượng tín hiệu vùng rìa cell Tuy nhiên, luận văn cho thấy lúc việc mở rộng thêm nhiều chặng phù hợp Do cần phải cân việc mở rộng vùng phủ sóng với hiệu lỗi hệ thống Hƣớng nghiên cứu Nghiên cứu đem lại kết đóng góp định hệ thống truyền thông đa chặng Tuy nhiên, việc đánh chất lượng hệ thống hai chặng thực với nút chuyển tiếp cố định Ngoài ra, với hệ thống đa chặng, dừng trường hợp chưa có phân tập hợp tác hệ thống đa chặng có nhiều nhánh, máy thu nhận tín hiệu từ nhiều nhánh Do chưa đánh giá hết ưu điểm mạng đa chặng Để đánh giá ưu điểm mạng đa chặng, cần phát triển nghiên cứu thêm vấn đề sau: - Với hệ thống hai chặng, phân tích đánh giá chất lượng mạng với hỗ trợ nhiều nút chuyển tiếp hay nhiều nhánh chuyển tiếp 24 - Với hệ thống đa chặng cần phân tích mơ hình đa chặng có hợp tác nhiều nhánh, nhiều nút chuyển tiếp - Nghiên cứu toán node relay mạng truyền thông đa chặng kết nối với theo cấu trúc hình lưới - Kỹ thuật chuyển tiếp (Decode and forward) hệ thống truyền thông đa chặng ... thơng đa chặng Trong chương nêu đặc trưng phương pháp truyền thông đa chặng so sánh phương pháp truyền thông đa chặng với phương pháp truyền trực tiếp truyền thống Kỹ thuật truyền thông đa chặng. .. lập hệ thống mô 3.2.1 Hệ thống truyền thông hai chặng không hợp tác 3.2.2 Hệ thống truyền thông qua hai chặng hợp tác 3.2.3 Hệ thống truyền thông đa chặng 3.3 Kết mô (bằng số) 3.3.1 Đối với hệ thống. .. truyền dựa mơ hình hệ thống mạng hai chặng hệ thống đa chặng Qua đánh giá SNR hệ thống, tỉ lệ lỗi bit, xác suất rớt hệ thống Kết thực nghiệm cho thấy hệ thống đa chặng với hỗ trợ nút chuyển tiếp