Phân tích đánh giá giao thức hợp tác trong mạng vô tuyến

Nội dung bài viết thực hiện mô phỏng máy tính bằng Matlab, kết quả mô phỏng đã chứng minh được rằng truyền dẫn phân tập hợp tác cho phẩm chất tốt hơn hẳn so với truyền dẫn trực tiếp (không hợp tác). Chúng tôi cũng đã phân tích lý thuyết để chỉ ra rằng nếu quá trình hợp tác đầy đủ ở cả lớp vật lý và lớp điều khiển truy nhập môi trường sẽ cho phẩm chất hệ thống vượt trội.

Hồng Quang Trung Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 99(11): 51 - 54 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC HỢP TÁC TRONG MẠNG VƠ TUYẾN Hồng Quang Trung*, Bùi Thị Thanh Xuân Trường Đại học Công nghệ Thơng tin Truyền thơng – ĐH Thái Ngun TĨM TẮT Truyền dẫn hợp tác kỹ thuật hứa hẹn nhiều khả đáp ứng phẩm chất mạng vô tuyến Trong viết này, trước tiên chúng tơi đưa phân tích đánh giá phẩm chất giao thức hợp tác lớp vật lý dựa sơ đồ phân tập hợp tác [3] Trên sở đó, chúng tơi đề xuất phương pháp tối ưu xuyên lớp cách kết hợp kỹ thuật phân tập hợp tác với giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp [4] nhằm nâng cao hiệu truyền dẫn mạng vô tuyến hợp tác Chúng thực mơ máy tính Matlab, kết mô chứng minh truyền dẫn phân tập hợp tác cho phẩm chất tốt hẳn so với truyền dẫn trực tiếp (không hợp tác) Chúng phân tích lý thuyết để trình hợp tác đầy đủ lớp vật lý lớp điều khiển truy nhập môi trường cho phẩm chất hệ thống vượt trội Key words: Truyền dẫn vô tuyến hợp tác, giao thức hợp tác, lớp vật lý, lớp điều khiển truy nhập môi trường, phân tập hợp tác GIỚI THIỆU* Truyền thông vô tuyến lĩnh vực phát triển mạnh mẽ có khả ứng dụng rộng rãi Đây lý mà ngày có nhiều tác giả quan tâm đến việc thiết kế, cải tiến giao thức mạng nhằm nâng cao tốc độ truyền dẫn phẩm chất hệ thống Để đạt mục đích này, hướng tiếp cận truyền thông hợp tác Tuy nhiên, lĩnh vực nghiên cứu mẻ Do đó, xoay quanh vấn đề có nhiều vấn đề cần phải bàn luận Đại đa số tác giả trước tập trung nghiên cứu chế hợp tác diễn lớp giao thức cụ thể, khơng kết hợp ưu điểm giao thức hợp tác Để có chế hợp tác đầy đủ, tiếp cận theo hướng thiết kế xuyên lớp, cụ thể từ lớp vật lý đến lớp điều khiển truy nhập môi trường Trước tiên, chúng tơi đưa phân tích đánh giá giao thức hợp tác lớp vật lý, sau phân tích giao thức lựa chọn nút mạng Trên sở chúng tơi đề xuất hướng tiếp cận xuyên lớp dựa việc kết hợp hai giao thức HỢP TÁC TẠI LỚP VẬT LÝ Mơ hình phân tập hợp tác Trong truyền dẫn vô tuyến, chất lượng tín hiệu thường bị suy giảm điều kiện kênh khơng đảm bảo, ảnh hưởng * Tel: 0904 055956, Email: hqtrung@ictu.edu.vn thường yếu tố truyền sóng đa đường hay pha-đinh Để khắc phục vấn đề sử dụng kỹ thuật phân tập khác Phân tập khơng gian tạo cách sử dụng nhiều ăng-ten để phát, nhiên việc tích hợp nhiều ăng-ten thiết bị di động nhỏ bé khơng thực trường hợp trạm thu xa trạm phát khơng thể thu tín hiệu với chất lượng tốt Ý tưởng đặt xây dựng mạng ad-hoc trạm nguồn hợp tác với trạm trung gian cho mục đích chuyển tiếp Mơ hình mạng kiểu minh họa Hình Hình Mơ hình truyền dẫn vơ tuyến sử dụng phân tập hợp tác Theo mơ hình trên, nút Chuyển tiếp có nhiệm vụ nhận liệu từ nút Nguồn, sau xử lý trước chuyển tiếp tới nút Đích Phương pháp đơn giản, hiệu khuếch đại chuyển tiếp Ưu điểm phương pháp tiết kiệm thời gian tính tốn, đảm bảo cơng suất tín hiệu nâng lên Giả sử nút 51 Hồng Quang Trung Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Nguồn phát tín hiệu xs , hệ số kênh nút Nguồn nút Chuyển tiếp hs , r , tín hiệu thu nút Đích yr với thành phần tạp âm kênh zs ,r Khi đó, cơng suất tín hiệu nhận nút Chuyển tiếp từ nút Nguồn chuyển đến [3]: 2 E  yr2  = E  hs ,r  ⋅ E  xs  + E  zs ,r        (1) = hs ,r ⋅ ξ + 2σ s2,r Trong đó, tốn tử E [⋅] xác định kỳ vọng; ξ = E  xs  biểu diễn lượng tín hiệu   phát 2σ s ,r thành phần công suất tạp âm tổng cộng Để gửi chuyển tiếp liệu với công suất với công suất phát ban đầu trạm nguồn, trạm chuyển tiếp cần phải khuếch đại tín hiệu với hệ số β= ξ hs ,r ξ + 2σ s2,r Đánh giá phẩm chất mạng truyền dẫn phân tập hợp tác Để đánh giá phẩm chất mạng theo tham số BER (Bit Error Rate: tỷ số lỗi bit tạp âm), thực mơ máy tính phương pháp Monte-Carlo Mơ hình mơ bao gồm nút (Hình 1): Nguồn, Chuyển tiếp Đích Kênh truyền nút giả thiết chịu ảnh hưởng pha-đinh Rayleigh biến đổi chậm Tức độ lợi kênh không thay đổi chu kỳ khung liệu truyền thay đổi khung Dữ liệu truyền điều chế BPSK, khung liệu chứa 148 symbol Tạp âm nút Chuyển tiếp nút Đích giả thiết độc lập thống kê có phân bố với phương sai Tín hiệu nhận nút Đích sau hai pha kết hợp nhờ phương pháp ESNRC (2) Q trình kết hợp tín hiệu máy thu: Để thực kết hợp tín hiệu nhận theo tuyến trực tiếp với theo tuyến hợp tác, máy thu trạm Đích sử dụng kỹ thuật kết hợp phân tập khác Trong viết này, sử dụng phương pháp kết hợp cải tiến theo tỷ số cơng suất tín hiệu cơng suất tạp âm, gọi phương pháp kết hợp ESNRC (Enhanced Signal to Noise Combining) Về bản, phương pháp thực định dựa tỷ số tương đối tham số SNR (Signal to Noise Rate) tương ứng với tuyến truyền trực tiếp ( SNRs ,d ) tuyến truyền hợp tác ( SNRs ,r ,d ) Cụ thể mẫu tín hiệu thứ n thu nút Đích yd [ n ] xác định tín hiệu đến từ tuyến trực tiếp ys ,d [ n ] tuyến hợp tác ys ,r ,d [ n ] sau:   SNRs ,d  > 10   ys , d [ n ] ,     SNRs ,r ,d     (3) SNRs ,d  yd [ n] =  ys ,d [ n] + ys ,r ,d [ n] ,  0.1 ≤ ≤ 10    SNRs ,r ,d      SNRs ,d   y [ n] , < 0.1    s,r ,d SNR s,r ,d    52 99(11): 51 - 54 Hình So sánh phẩm chất truyền dẫn phân tập hợp tác với truyền dẫn trực tiếp Kết mơ thể Hình cho ta thấy vùng SNR (tỷ số cơng suất tín hiệu cơng suất tạp âm) cao, đường đặc tính BER trường hợp sử dụng hợp tác tốt hẳn so với trường hợp không hợp tác Một vấn đề đặt cần lựa chọn nút trung gian để làm nút Chuyển tiếp? Dựa kết nghiên cứu số tác giả chế hợp tác diễn lớp giao thức riêng rẽ, đề xuất phương pháp tối ưu truyền dẫn hợp tác cách kết hợp kỹ thuật phân tập hợp tác mô tả với phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp [4], hay gọi tối ưu xuyên lớp (từ lớp vật lý đến lớp điều khiển truy nhập môi trường) Hồng Quang Trung Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP Giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp Trong trường hợp có nhiều trạm trung gian trạm Nguồn trạm Đích, vấn đề đặt nên lựa chọn trạm làm trạm chuyển tiếp Chúng ta xem xét mơ hình lựa chọn trạm chuyển tiếp (Hình 3) Hình Mơ hình lựa chọn trạm chuyển tiếp Trong mơ hình trên, giả thiết trạm Nguồn trạm Đích có K trạm Trung gian nằm vùng phủ sóng hai trạm sẵn sàng hợp tác giúp chuyển tiếp liệu từ Nguồn đến Đích Khi cần phải có chế (giao thức) lựa chọn thích hợp để chọn trạm chuyển tiếp tốt từ K trạm Trung gian Giao thức lựa chọn nút phân tán diễn lớp MAC (Medium Access Control: Điều khiển truy nhập môi trường) mô tả sau [4]: Bước 1: nút Nguồn phát tin yêu cầu truyền RTS (Request - To - Send ) tới nút Đích Do chất phát quảng bá thơng tin vô tuyến nên tất nút Trung gian nhận tin RTS Do nút Trung gian ước lượng kênh truyền từ Nguồn tới chúng Nghĩa nút Trung gian k biết thông tin kênh truyền hsk Bước 2: Sau nhận tin RTS, nút Đích phát tin CTS (Clear – To – Send) cho nút Nguồn để thông báo trạng thái sẵn sàng nhận liệu Khi nút Trung gian ước lượng kênh truyền hdk từ Đích tới chúng Bước 3: Dựa vào tính chất thuận nghịch kênh truyền, nút Trung gian biết 99(11): 51 - 54 kênh truyền từ đến Đích, tức hkd = hdk Kết nút Trung gian biết kênh chuyển tiếp từ Nguồn thông qua tới Đích, tức hsk hkd Lúc này, nút trung gian tính tốn số chất lượng kênh truyền ( CQI k : Channel Quality Index) cho đường chuyển tiếp thơng qua thơng qua hàm CQI k = f ( hsk , hkd ) Mỗi giá trị CQI k ánh xạ thành giá trị thời gian chờ Tk Nút Trung gian với CQI tốt cần phải chờ thời gian Tk nhỏ Sau hết thời gian chờ, nút có CQI tốt phát tin AFR (Apply – For – Relay: Đồng ý chuyển tiếp) nút Nguồn Do tính chất quảng bá kênh truyền nên nút Trung gian khác nhận tin Kết nút Trung gian thời gian chờ thực dừng trạng thái chờ Bước 4: Sau nhận tin AFR từ nút tốt k = κ , nút Nguồn xác nhận lại việc đồng ý chọn nút k = κ làm nút Chuyển tiếp cách phát tin SFR (Select – For – Relay: Lựa chọn làm Chuyển tiếp) cho nút κ Do tính chất quảng bá nên nút Trung gian nút Đích biết thơng tin nút κ lựa chọn làm nút Chuyển tiếp Đến kết thúc q trình lựa chọn nút Tiêu chí lựa chọn nút chuyển tiếp Để lựa chọn nút chuyển tiếp cần cụ thể hóa hàm số chất lượng kênh CQI dựa tiêu chí khác Trong [2], Bletsas đề xuất tiêu chí lựa chọn nút dựa tiêu chuẩn trung bình hài hòa (harmonic mean), cụ thể sau: Các nút Trung gian sử dụng trung bình hài hòa hai thành phần biên độ hai kênh thuận nghịch làm tiêu chí lựa chọn Chỉ số CQI theo trung bình hài hòa tính theo công thức CQI har −mean k = hsk + = hkd 2 hsk ⋅ hkd 2 hsk + hkd 2 (4) Thời gian chờ nút trung gian thứ k λ (5) Tk = har − mean CQI k Trong λ số, có đơn vị phụ thuộc vào đơn vị CQI khar − mean Vì 53 Hồng Quang Trung Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ CQI khar − mean đại lượng vơ hướng nên λ có đơn vị thời gian Với trường hợp xem xét đây, λ có giá trị hàng µ s Khi đó, nút Trung gian k lựa chọn theo tiêu chuẩn cực đại hóa trung bình hài hòa sau: κ = arg max {CQI khar − mean } k (6) Hoạt động xuyên lớp Thông qua tin trao đổi RTS, CTS AFR giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp, nút Nguồn xác định nút chuyển tiếp tối ưu tùy thuộc vào điều kiện môi trường truyền dẫn cụ thể Trên sở nút Nguồn gửi tin liệu theo đường trực tiếp theo đường tới nút Chuyển tiếp tối ưu Tại nút Đích, máy thu kết hợp tín hiệu thu từ hai nhánh phân tập kỹ thuật kết hợp tín hiệu ESNRC Điều có nghĩa có hợp tác xuyên lớp từ lớp từ vật lý lên lớp điều khiển truy nhập môi trường theo cách mô tả phẩm chất mạng vơ tuyến nâng lên nhiều Do vừa có độ lợi phân tập hợp tác đồng thời có tuyến truyền dẫn tối ưu KẾT LUẬN Trong báo chúng tơi phân tích, đánh giá mơ sơ đồ truyền dẫn phân tập hợp tác so sánh phẩm chất mạng theo sơ 99(11): 51 - 54 đồ với trường hợp không sử dụng phân tập hợp tác Ngồi chúng tơi đề xuất mặt lý thuyết cho chế hợp tác xuyên lớp (từ lớp vật lý đến lớp điều khiển truy nhập mơi trường) Bằng cách mơ máy tính sử dụng chương trình Matlab chúng tơi chứng minh vượt trội truyền dẫn phân tập hợp tác Bên cạnh đó, chúng tơi đề xuất mặt lý thuyết cho thiết kế xuyên lớp để nâng cao phẩm chất mạng vô tuyến hợp tác Hướng phát triển cần giải vấn đề tranh chấp có nhiều nút chuyển tiếp có khả tốt cho việc trợ giúp nút nguồn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Xuân Nam, (2010), “Mô hệ thống xử lý tín hiệu khơng gian thời gian sử dụng Matlab”, Học viện Kỹ thuật Quân [2] Bletsas A., et al, (2006), "A Simple Cooperative Diversity Method Based on Network Path Selection", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 24(3), pp 659 – 672 [3] J N Laneman, G W Wornell, and D N C Tse, (2001), “An Efficient Protocol for Realizing Cooperative Diversity in Wireless Networks”, Proc IEEE ISIT, Washington, DC, June, p 294 [4] Zhang W and K.B Letaief, (2008), “Opportunistic Relaying for Dual-Hop Wireless MIMO Channels”, IEEE Global Telecommunications Conference, New Orleans, LO SUMMARY THE PERFORMANCE OF COOPERATIVE WIRELESS NETWORKS Hoang Quang Trung*, Bui Thi Thanh Xuan College of Information and Communication Technology - TNU Cooperative communications, which refer to the collaborative processing and retransmission of overheard information at stations surrounding a source This technique takes full advantage of the broadcast nature of the wireless channel In this paper, we first analyze and evaluate the performance of cooperative diversity networks built on physical layers, then we propose a crosslayer approach for cooperative wireless communications (from PHY layer to MAC layer) We simulated the solution on Matlab program and simulation result showed that the cooperative diversity scheme provides better BER performace than the no cooperative diversity scheme By analyzing on the theory we also showed the significant performance improvement of the crosslayer protocol Key words: Cooperative wireless communications, Cooperative Protocol, PHY Layer, MAC Layer, Cooperative Diversity Ngày nhận bài:02/11/2012, ngày duyệt đăng:19/11/2012, ngày phản biện:10/12/2012 * Tel: 0904 055956, Email: hqtrung@ictu.edu.vn 54 ... mạng vô tuyến nâng lên nhiều Do vừa có độ lợi phân tập hợp tác đồng thời có tuyến truyền dẫn tối ưu KẾT LUẬN Trong báo phân tích, đánh giá mơ sơ đồ truyền dẫn phân tập hợp tác so sánh phẩm chất mạng. .. phải khuếch đại tín hiệu với hệ số β= ξ hs ,r ξ + 2σ s2,r Đánh giá phẩm chất mạng truyền dẫn phân tập hợp tác Để đánh giá phẩm chất mạng theo tham số BER (Bit Error Rate: tỷ số lỗi bit tạp âm),... tác tốt hẳn so với trường hợp không hợp tác Một vấn đề đặt cần lựa chọn nút trung gian để làm nút Chuyển tiếp? Dựa kết nghiên cứu số tác giả chế hợp tác diễn lớp giao thức riêng rẽ, đề xuất phương