Truyền thông hợp tác trong hệ thống thông tin vô tuyến

TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -  - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN GV hướng dẫn: ThS NGUYỄN THỊ KIM THU SV thực hiện: NGUYỄN VIỆT NAM Lớp: 52K - ĐTVT Khóa học: 2011- 2016 NGHỆ AN-5/2016 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC VIẾT TẮT CHƢƠNG LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 1.1 Tổng quan 1.2 Các vấn đề kênh truyền 1.2.1 Sự suy giảm .10 1.2.2 Suy hao không gian tự 10 1.2.3 Fading .10 1.3 Giao thức truy cập ngẫu nhiên ALOHA 13 1.3.1 ALOHA phân khe .16 1.3.2 ALOHA túy .17 1.4 Tổng kết chương 18 CHƢƠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC .19 2.1 Tổng quan 19 2.2 Truyền thông hợp tác .19 2.3 Kế hoạch hợp tác tín hiệu 22 2.3.1 Phát chuyển tiếp 23 2.3.2 Khuếch đại chuyển tiếp 24 2.3.3 Hợp tác mã hóa 25 2.4 Hợp tác đa người dùng mạng không dây .28 CHƢƠNG TÁC ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐA DẠNG NGƢỜI DÙNG VÀ CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .32 3.1 Tổng quan 32 3.2 Xây dựng vấn đề mơ hình 33 3.2.1 Mơ hình mạng 34 3.2.2 Mô tả giao thức CAAC xây dựng toán tối ưu 36 3.3 Cơ hội hợp tác: Scaling Behavior 38 3.3.1 CAAC-CP 38 3.3.2 CAAC- FR 43 3.3.3 CAAC – OVR 46 3.3.4 CAAC với hạn chế công suất ngắn hạn 48 3.4 Khảo sát mô .50 3.4.1 Khảo sát .50 3.4.2 So sánh với CAA .53 3.4.3 Phạm vi mở rộng .53 3.5 Kết luận chương .55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 LỜI MỞ ĐẦU Hợp tác đa dạng làm tăng độ tin cậy mạng không dây cách giảm bớt ảnh hưởng fading Đồ án nghiên cứu hoạt động mạng hợp tác không dây cách đo xác suất lỗi hệ thống hợp tác Em xin chân thành cảm ơn cô ThS NGUYỄN THỊ KIM THU người tận tình hướng dẫn giúp đỡ em trình làm đề tài Em chân thành cảm ơn thầy cô khoa tận tình bảo, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành đề tài tốt nghiệp Sinh viên thực Nguyễn Việt Nam TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trong đồ án trình bày ngun tắc truyền thơng hợp tác kết nối mạng Chương đánh giá nguyên tắc truyền thông không dây Chương vào trình bày chủ đề truyền thông hợp tác lớp vật lý, chẳng hạn kênh chuyển tiếp giao thức, giới hạn hiệu suất, điều khiển công suất tối ưu, hợp tác nhiều nút Cuối cùng, chương tập trung vào tác động hệ thống đa dạng người dùng chuyển tiếp hợp tác mạng cảm biến không dây ABSTRACT In this thesis present basic principles of cooperative communications and networking….Chapter review of basic principles of wireless communications Chapter presents topics on physical layer cooperative communications, such as relay channels and protocols, performance bounds, optimum power control, multinode cooperation… Finally, chapter focuses on decentralized multiuser diversity with Cooperative Relaying in wireless Sensor Networks DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 1.1 Hoạt động giao thức ALOHA 14 Hình 1.2 Hoạt động giao thức ALOHA phân khe 15 Hình 1.3 Thơng lượng chuẩn hóa ALOHA ALOHA phân khe 15 Hình 1.4 Minh họa giao thức ALOHA phân khe 15 Hình 1.5 Minh họa giao thức ALOHA túy 17 Hình 2.1 Mơ hình mạng truyền thơng hợp tác 22 Hình 2.2a Chuyển tiếp loại I loại II 24 Hình 2.2.b Chuyển tiếp với hai chặng 25 Hình 2.3 Tóm tắt chu kỳ truyền thơng tin hợp tác mã hóa 27 Hình 3.1 Kế hoạch CAA CAAC 37 Hình 3.2 Thơng lượng mạng với xác suất nguồn phát cho 100 nút 51 Hình 3.3 Thơng lượng mạng với xác suất chuyển tiếp cho 100 nút 52 Hình 3.4 Hiệu việc lựa chọn thời gian cho giai đoạn A để thời gian truyền tổng cộng thông lượng mạng 53 Hình 3.5 a Thơng lượng với số lượng nút b Xác suất chuyển tiếp nguồn phát với số lượng nút 54 Hình 3.6 So sánh thông lượng mạng cho hệ thống đa người dùng ngắn hạn với hệ thống đa người dùng ngắn hạn có hợp tác 55 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Tiếng Anh Tiếng Việt AP Access Point Điểm truy cập AWGN Additive White Gausian Noise Tạp âm cộng trắng chuẩn BS Base Station Trạm gốc CAA Channel Aware Aloha Kênh Aloha CAAC Channel Aware with Kênh Aloha với hợp tác Aloha Cooperation CDF Hàm phân phối tích lũy CommulativeDistribution Function CP Constant Power Công suất không đổi CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh FR Fixed Rate Tốc độ cố định LAN Local Area Netword Mạng nội LOS Line - of - sight Đường truyền thẳng MAC Medium Access Control Điều khiển truy cập môi trường MIMO Multiple-Input Multiple-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu OVR Optimal Variable Rate Tốc độ thay đổi tối ưu PDF Probability Density Function Hàm phân bố xác suất PHY Physical Layer Lớp vật lý SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu nhiễu TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo DAF OST thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục khơng dây DANH MỤC KÍ TỰ Xác suất nguồn hoạt động ( ) Thông điệp truyền thời điểm m Chiều dài gói tin ( ) Cơng suất truyền nút i thời gian m Kênh fading trễ nhỏ nút i j Khoảng cách nút i j Độ rộng kênh nút i j Yếu tố suy hao Vùng hợp tác thứ i Độ cao điểm truy cập , - Giá trị mong muốn Số lượng nút mạng Độ lợi kênh nguồn i j Độ lợi kênh trễ k đích j ( ) Nhiễu nút j thời gian k Công suất nhiễu nút j ̅ Cơng suất hạn chế trung bình giai đoạn A CAAC ̅ Cơng suất hạn chế trung bình giai đoạn B CAAC () ( ) ( ) Xét cho trường hợp khơng có va chạm xảy nút j Hàm tỷ lệ CAAC (VD: hàm tỷ lệ logarit) Thông lượng truyền trực tiếp giai đoạn A CAAC Tổng công suất nhận giai đoạn hợp tác đích ( ) Thơng lượng truyền hợp tác giai đoạn B CAAC Xác suất nguồn truyền CAAC Xác suất chuyển tiếp CAAC Số chuyển tiếp giải mã thành công CAAC Chƣơng LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 1.1 Tổng quan Truyền thông vô tuyến hay truyền thông không dây đề cập đến hệ thống viễn thơng sóng điện từ mang tín hiệu truyền không gian Ứng dụng phổ biến mạng truyền thơng khơng dây tìm thấy mạng cục khơng dây WLAN hệ thống di động không dây 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 cịn có nhiều vấn đề cần phải bàn luận Nhiều nghiên cứu tập trung xem xét 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, cần tiếp cận theo hướng thiết kế xuyên lớp, cụ thể từ lớp vật lý đến lớp điều hiển truy nhập môi trường Truyền thông hợp tác cho phép thiết bị không dây chia sẻ anten họ q trình truyền hình thành mơi trường đa dạng không gian với hệ thống đa đầu vào- đa đầu (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) ảo Hợp tác đa dạng làm tăng độ tin cậy mạng khơng dây cách giảm bớt ảnh hưởng fading Trong đồ án này, nghiên cứu hoạt động mạng hợp tác không dây cách đo xác suất lỗi hệ thống hợp tác Để tiếp cận hiệu công nghệ hợp tác truyền thông vô tuyến, chương tập trung nghiên cứu môi trường truyền thông không dây, thông số kỹ thuật kênh cơng nghệ mã hóa 1.2 Các vấn đề kênh truyền vô tuyến Các phương tiện thơng tin nói chung chia thành hai phương pháp thơng tin bản, thơng tin vô tuyến thông tin hữu tuyến Mạng thông tin vô tuyến ngày trở thành phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho sống đại Các hệ thống truyền dẫn vô tuyến số phần tử quan trọng mạng viễn thông Tầm quan trọng ngày khẳng định công nghệ vô tuyến thông tin di động đưa vào sử dụng rộng rãi mạng viễn thơng Sở dĩ truyền dẫn vơ tuyến số đóng vai trị quan trọng mạng viễn thơng tương lai lợi linh hoạt di động Tuy nhiên truyền dẫn vô tuyến số có nhiều nhược điểm mà nhà thiết kế hệ thống cần khắc phục để sử dụng hiệu phương thức truyền dẫn Cụ thể, hệ thống thông tin vô tuyến thực truyền dẫn, tín hiệu nhận máy thu có sai khác với tín hiệu truyền máy phát đường truyền suy giảm biến đổi 1.2.1 Sự suy giảm Sự suy giảm việc giảm biên độ lượng tín hiệu truyền tín hiệu từ nguồn đến đích hấp thụ tán xạ photon Suy giảm tăng theo khoảng cách truyền dẫn phương tiện truyền dẫn Sự suy giảm là hàm tần số lớn tần số cao Vì tồn suy giảm nên cần xem xét số yếu tố máy phát máy thu để đảm bảo việc tiếp nhận thông điệp truyền cách xác Máy phát nên gửi tín hiệu đủ mạnh để tín hiệu nhận có đủ sức mạnh cho phép người nhận phát giải thích thơng điệp truyền Đối với khoảng cách dài để bù đắp cho suy giảm chuyển tiếp sử dụng máy phát thu để lặp lại khuếch đại tín hiệu truyền đi.[1] 1.2.2 Suy hao không gian tự Suy hao không gian tự mát cường độ tín hiệu kết đường truyền dẫn line-of-sigh thông qua không gian tự Suy hao không gian tự tỷ lệ thuận với bình phương khoảng cách truyền nhận với d khoảng cách truyền dẫn, / (1.1) bước sóng 1.2.3 Fading Đối với kênh truyền thông không dây thực tế nhất, fading yếu tố quan 10 Bây ta tính tốn hành vi mở rộng cho thơng lượng ( ) Như trường hợp đặc biệt bổ đề 3.3.2 với l =1, biểu diễn sau: ∫ ⟶ / ( ) ̅ /(3.11) Do giới hạn N, thơng lượng tổng cộng viết là: , ( ⟶ , ⟶ )- ( ⟶ ( )-/ ) ̅ / (3.12) Thay (3.10) xác suất truyền tối ưu chuyển tiếp vào (3.12) ta có: , ( ⟶ / / )- ̅ ⟶ * (̅ /+ Trong ta có ) ∑ ( ) (3.13) ̅ ( ) 3.3.2 CAAC- FR Với ứng dụng đòi hỏi tốc độ liệu cố định, nút khai thác thơng tin trạng thái kênh thực điều chỉnh lượng để đạt tốc độ không đổi Trong scaling behavior thông lượng đề cập cho việc truyền trực tiếp câu hỏi phát sinh là: “bằng cách sử dụng hợp tác, tăng thơng lượng so với việc truyền trực tiếp không ?” Bây đánh giá thông lượng mạng CAAC-FR thể việc hợp tác trường hợp suy giảm hiệu suất thông lượng Với việc truyền trực tiếp giai đoạn A, nút gửi thơng tin chuyển tiếp tới đích, thực điều chỉnh lượng ( tức đảo ngược kênh ) để giữ tỉ lệ bit không đổi R(Pr) hàm lượng u cầu nhận đích Pr Do đó, hạn chế cơng suất dài hạn viết sau ̅ , ( ) ( ) ∫ ̅ ∫ ( ) ( ) Chuyển đổi điều theo yêu cầu giới hạn thơng lượng giai đoạn A, ta đánh giá thông lượng mạng thiết lập cho biết việc hợp tác trường hợp suy giảm hiệu suất.[5] 43 Thông lượng tổng cộng cho giai đoạn là: , ( ), đó: ( ( ) ) ( ) , ( )- ( )- đại diện cho truyền thông hợp tác trường hợp tốc độ cố định.Trong giai đoạn A lượng truyền bị giới hạn trên, ̅ Do đó, xác suất giải mã lỗi nút j có nút i truyền với ( ) ∫ lượng tối đa (ℕℂ( )) (ℕℂ( )) ̅ ( 𝛾) ( ) ∫ 𝛾 ℕℂ( )/ (3.14) Xét điều kiện đặc biệt có Fading Rayleigh, ta có biểu thức cho xác suất giải mã Trong trường hợp ta có: (ℕℂ( )) ( ) (ℕℂ( )) ∫ ̅ / ( ∫ ̅ ∫ ( / ) ) / , ( ) ( Thông lượng hạn chế trực tiếp trường hợp )( ) ( ) Tối đa ⟶ gần ( ) Từ giá trị xác suất truyền làm giảm xác suất va chạm chuyển tiếp, giá trị tối ưu Ta xem xét hành mở rộng hành vi thông lượng Dẫn chứng: Tìm Với h >hs , ta viết ⟶ ⟶ phụ lục I chứng minh ̅ ( ) ̅ Do đó, ta có ̅ ( ưu, ⟶ , ⟶ ∫ ) ⟶ ̅ ( ) hs tăng, ∫ ( ) Trong ( ) ⟶ Thay xác suất truyền tối / , cho trường hợp có Fading Rayleigh, ta rút Do đó, xác suất giải mã giới hạn Scales ⟶ ( ) ⟶ ⟶ 44 / Do đó, xác suất giải mã Prdec Scales Tương tự CAAC – CP, số lượng chuyển tiếp giải mã thành công K, theo ( phân bổ Binomial với ) / / / Do đó, để thiết lập phân bố tỷ lệ cố định, pmf K tăng nhanh chóng Thực tế, giá trị mong chờ K , cho thất trung bình chuyển tiếp giải mã thành cơng ! Do đó, só chuyển tiếp giải mã thành công không tỷ lệ với số nút mạng có thuật ngữ ( ) ảnh hưởng tới , ( )- trường thông lượng giai đoạn hợp tác Bây giờ, ta đánh giá thông lượng giai đoạn hợp tác hợp c chuyển tiếp giải mã thông điệp thành công giai đoạn A Số lượng nút chuyển tiếp thông điệp nhị thức thay đổi ngẫu nhiên Q, với phân bố ( ) ( / ) Để q chuyển tiếp gửi thơng điệp tới đích lượng tín hiệu nhận ∑ ∑ Trong ( ) , (3.15) đại diện cho lượng nhận từ chuyển tiếp si đích lượng tổng cộng giai đoạn hợp tác đích Chuyển tiếp dùng kênh đảo ngược để giữu tỷ lệ bít ổn định Do đó, cơng suất nguồn hạn chế trung bình cho chuyển tiếp tương tự công suất hạn chế nguồn giai đoạn ̅ truyền trực tiếp ta có với 1< i < q Năng lượng nhận ( ) ∫ ̅ tổng cộng giai đoạn hợp tác hạn chế ∫ ( ) Dựa giả thiết phân bố anten gửi thông điệp ta biểu thị R(.) hàm lượng nhận đích viết giá trị mong chờ sau , ( )- ∑ ( )∑ ( ) ( ̅ ∫ ( ) ) (3.16) Lấy biểu thức kín cho Prrel trường hợp thiết lập đạo hàm (3.16) vơ giá trị Thay vào đó, ta đánh giá thơng lượng thực kết tính tốn.Bằng trực giác, có nút giải mã thơng điệp xác, 45 hợp tác khơng làm tăng phân tập không gian Xác suất giải mã lớn tối đa xảy chuyển tiếp giải mã thành cơng Pr(K=1) ≈ 0.25 , đại diện cho thông lượng bị so với truyền trực tiếp Tiếp theo ta giải băng thông thực giả thiết phân bố lượng tối ưu 3.3.3 CAAC – OVR Kế hoạch giả thiết nút thực việc phân bố lượng tối ưu để đạt tỷ lệ tổng cộng lớn nhất, theo hạn chế cơng suất dài hạn Để tìm xác suất giải mã trường hợp này, cần phải tìm cơng suất phát nút hàm trạng thái kênh Vấn đề giải vấn đề tối ưu hóa, có “Water-filling” phân bố công suất, biểu diễn bởi: ( ∫ ( ) ) ( ) Subject to ∫ ( ) ( ( ) ( Ta sử dụng giải pháp cho vấn đề ̅ ∫ ( ) ̅ ) ) , Sau xác suất giải mã thành công thông điệp gửi đến nút j từ nút i giai đoạn A viết: ( ( (( ̅ ∫ ) ) 𝛾 (ℕℂ( )) ( ) ) ) 𝛾 (ℕℂ( )) (3.17) Bổ đề 3.3.6: Nếu N⟶ ⟶ , điều giống với trường hợp phân bố công suất không đổi Dẫn chứng: Khi Prs⟶ ∫ ( ) , dần tới ( ) ∫ ̅ ( ) , ta có Trong tương phản, kênh nguồn- chuyển tiếp Hij điều Do đó, ta kết luận ⟶ ⟶ ⟶ Từ kênh nguồn đích Hid>hs kiện thay đổi ngẫu nhiên, dạng ⟶ ̅ ( ) ⟶ với xác suất 1, xác suất giải mã có ⟶ 𝛾/ , đạt giới hạn với xác suất (ℕℂ( )) Biểu thức tương tự xác suất giải mã cho trường hợp giải công suất không đổi mục 3.3.1 Xác 46 trường hợp này, cách sử dụng giới hạn suất giải mã tiến tới Chernoff ta kết luận số lượng giải mã chuyển tiếp ⟶ Ta sử dụng (3.7) cách thay giới hạn công suất không đổi phân bố tối ưu Sau giới hạn thơng lượng hợp tác tức thời ( ) (∑ [ ] ( ) ) (3.18) Khi chuyển tiếp dùng water-filling independently từ chuyển tiếp khác, phân bố lượng chuyển tiếp si theo phân bố công suất waterfilling với cơng ̅ ( ̅ đổi viết ( ) ∫ ) không suất Do đó, điều kiện cho trường hợp l * chuyển tiếp tập ̅ ( ) + phát, tỷ lệ truyền tuân theo ( ) ∫ ( ∑ ) (3.19) Theo 3.8, thay kết 3.19 cho biểu thức thông lượng hợp tác, giá trị thơng lượng hợp tác mong chờ viết 3.20 ( ( )) ̅ ∑ )∏ /( ( ( ) ) ∫ ( ∫ ∫ ( ) ∑ ) (3.20) Sử dụng khai triển dẫn chứng bổ đề 3.3.2, phần ̅ toàn giới hạn n Ta có: ⟶ ∫ ( ( ) ∫ ) ( ) Thay kết vào (3.20) cho thấy thông lượng hợp tác bị giới hạn (3.10) Khi thông lượng cho việc phân bổ công suất tối ưu giới hạn công suất không đổi, thơng lượng cho phương pháp tiếp cân OVR (3.10) Do đó, ta kết luận OVR khơng đưa thêm lợi ích 47 giới hạn số lượng lớn nút so với CP Tuy nhiên, để giá trị n nhỏ hơn, ngưỡng chuyển tiếp phải giảm việc phân bố cơng suất tối ưu giúp tăng thông lượng công suất phân bố tối ưu cho kênh Một phần thông lượng CAAC-OVR tăng so với CAAC-CP hợp thức hóa kết mơ 3.3.4 CAAC với hạn chế công suất ngắn hạn Tác động việc hạn chế công suất ngắn hạn cho nút nghiên cứu phạm vi CAA Trong trường hợp này, việc tối ưu cho nút để phát với cơng suất tối đa khe mà độ lợi kênh vượt qua ngưỡng hs Những điều khác chứng tỏ thông lượng cho trường hợp tỷ lệ với (̅ ( /) ) Tham số bên hàm tỷ lệ yếu tố so với trường hợp hạn chế công suất dài hạn Điều việc hạn chế công suất dài hạn sẵn có nút phát N lần lớn với hạn chế ngắn hạn Nói cách khác, việc hạn chế công suất dài hạn, nút truyền lần, dự trữ cơng suất sẵn có tất khe không hoạt động để dùng khe truyền dẫn Bây đánh giá hiệu suất CAAC hạn chế công suất ngắn hạn cho thấy mát giảm bớt cách khai thác tác động nút hợp tác Dựa vào hạn chế công suất ngắn hạn (3.2), nút nguồn truyền với công suất ̌ ( ̌ ) khe hoạt động Kết mục III-C chứng tỏ thông ( ) tối ưu lượng ∫̅ ( tỷ lệ với ) giai đoạn ( ̌ ) tỷ lệ với ( A viết ) cho xác suất truyền tải nguồn Bây ta xem xét nguồn gốc biểu thức công suất giai đoạn hợp tác Xác suất giải mã chuyển tiếp viết ( ( ̌ ) ( ) ) → (̌ 𝛾) Xem xét trường hợp độ lợi kênh với phân bố Rayleigh ta viết → ̌ ̌ Số chuyển tiếp giải mã thành cơng K xác 48 định cách sử dụng giới hạn Chernoff mục 3.3.1 Ta viết ( ) ( ̌ )→ Bây ta có biểu thức thơng lượng giai đoạn hợp tác là: , )/ ( )- ( ) ( ) ) ⟶ Bổ đề 3.3.7 Nếu ( )] [ /( ∑ ∫ ̌ ( ∫ (3.21) ta có ( ̌ Dẫn chứng: Khi ta có ( ( ))với //) ̌ ( (̌ )/ ) Do đó, ta có: , ( )- ∑ /( ) ∫ ∑ /( ∫ (̌ ) ( (̌ ) , , ) ̅- ( ) )] biến nhị thức ngẫu nhiên ) ̅- ( ( ) ( [ (̌ ) Bằng cách sử dụng giới hạn Chernoff, biểu diễn ) ( ( -và ( ) ( ) ( ) Với giá trị Prrel , khơng đổi xác suất dần tiến tới Chọn ⟶ , ta có )̅ ,( ) ̅- ( ( ) Khi điều chứng minh giữ bất đẳng thức với xác suất tiến tới với ⟶ , ta có ( ̌ ̅( ) ) ⟶ [ (̌ )] ( ̌ ̅( ) ) Do đó, ta có , ( )- ̌ ̅ / ̌ chứng 49 / , hoàn thành dẫn Thay kết bổ đề 3.3.7 với hay tương đương (3.3), ta có , ( )- ( [ ) ( ( ))] ( ( )) Do đó, việc sử dụng hợp tác trường hợp kết gia tăng tham số tuyến tính tỷ lệ trái ngược với gia tăng logarit có CAA Vì thế, cách chọn xác suất chuyển tiếp thích hợp khai thác nút hợp tác, đảm bảo thông lượng tỷ lệ R(N) 3.4 Khảo sát mô Trong mục so sánh tính tốn thiết lập công suất khác kế hoạch hợp tác không tập trung trình bày Ta so sánh kết với CAA không hợp tác 3.4.1 Khảo sát Ta xem xét mạng có 100 nút với công suất hạn chế ̅ phát ̅ cho giai đoạn cho giai đoạn hợp tác Ngưỡng giải mã thiết lập 𝛾 nút giả thiết chịu Fading Rayleigh khe thời gian 50 , Hình 3.2 Thơng lượng mạng với xác suất nguồn phát cho 100 nút a Tính tốn b Mơ Với thiết lập công suất khác CAAC, hình 3.2 thể thơng lượng thực xác suất nguồn phát khác Prs, ta xem xét xác suất chuyển tiếp cố định giá trị tối ưu Như thể mục 3.3, phạm vi mở rộng CP OVR giống nhau, ta sử dụng kết tích phân tương tự hình 3.2a Hình 3.2b thể kết mô Các kết gần với biểu thức giải tích có khác biệt nhỏ kết mô phân tích xuất phát từ phép gần việc chứng minh bổ đề 3.3.2 3.3.3, Các kết phục vụ giới hạn thông lượng mạng với giới hạn số lượng nút Thông lượng thực tế OVR tăng so với CP số lượng nút bị giới hạn mô Do đó, trường hợp ngưỡng phát bậc nhỏ Các kết nút với trạng thái kênh nhỏ để phép truyền Do việc phân bố cơng suất tối ưu phần có lợi cho nút có điều kiện kênh kém, cải thiện thơng lượng tổng cộng so với CP Hình 3.3 giải thích thơng lượng với xác suất chuyển tiếp, xác suất nguồn phát cố định giá trị tối ưu Nó nhìn thấy xác suất chuyển tiếp tối ưu theo kết bổ đề 3.3.3 Tuy nhiên, trường hợp giá trị tối ưu tiến xa hơn, thơng lượng khơng giảm đột ngột Điều giải 51 thích việc hợp tác nút Xác suất chuyển tiếp cao hơn, nhiều nút hợp tác thành chuyển tiếp Mặc dù tác động hệ thống đa người dùng kết chọn lựa giảm ngưỡng tối ưu Trong hình 3.3b, gia tăng phần thông lượng thu kế hoạch OVR so với CP kết mô nhìn thấy Hình 3.3 Thơng lượng mạng với xác suất chuyển tiếp cho 100 nút a Tính tốn b Mơ 52 Hình 3.4 nghiên cứu tác động việc thay đổi độ dài tương đối thông lượng mạng giai đoạn A giai đoạn B Hình chứng minh thực tế hợp tác có hiệu cho mạng có nhiều nút Đối với mạng có nút, ta phải phân bố phần thời gian lớn cho giai đoạn A để đảm bảo có đủ chuyển tiếp giải mã thông điệp thành công, mạng có nhiều nút có phần nhỏ phân bố thời gian truyền tải cho giai đoạn A kết nhiều chuyển tiếp giải mã thông điệp thành công hưởng lợi từ độ lợi hợp tác với mức độ cao giai đoạn B.[5] Hình 3.4 Hiệu việc lựa chọn thời gian cho giai đoạn A 3.4.2 So sánh với CAA Từ hình 3.2 3.3 cho thấy kế hoạch CAAC-CP CAAC- OVR vượt trội CAA tái sử dụng độ lợi không gian thu từ hợp tác Điều xác định hình 3.5a, vẽ thơng lượng với số lượng nút Chú ý rằng, kết CAAC-FR việc thực hiện/ hiệu suất thối hóa Điều thiếu hợp tác Như giải thích mục 3.3.2, xác suất giải mã trường hợp giảm Do đó, thơng lượng giai đoạn hợp tác thơng lượng CAA, thơng lượng lượng tổng cộng thấp CAA 3.4.3 Phạm vi mở rộng Hình 3.5a minh họa kết việc tăng số lượng nút mức độ cao hợp tác dẫn tới việc tăng thông lượng mạng Việc tăng 53 minh họa (3.13), dự đốn thơng lượng tỷ lệ với / ( ) với n lớn Hơn nữa, [56] cho thấy thông lượng CAA tỷ lệ với ( ) Hình 3.5a xác nhận độ lợi hiệu suất tiệm cận CAAC CAA Phạm vi mở rộng xác suất truyền tối ưu xác suất chuyển tiếp tối ưu miêu tả hình 3.5b the log-scale plot of probabilities confirms nguồn phát tối ưu xác suất chuyển tiếp giảm với tỷ lệ số lượng nút tăng giải thích mục 3.3 Hình 3.5 a Thơng lượng với số lượng nút b Xác suất chuyển tiếp nguồn phát Ta thể độ lợi thông lượng đạt đáng kể thông qua hợp tác cho trường hợp hạn chế cơng suất ngắn hạn hình 3.6 Như chứng minh bổ 54 đề 3.3.7, việc sử dụng hợp tác cho trường hợp hạn chế công suất ngắn hạn tỷ lệ với ( ) trái ngược với trường hợp sử dụng hiệu ứng hệ thống đa dạng người dùng ta có tỷ lệ ( ( )) Độ lợi thông lượng đáng kể trường hợp kết việc sử dùng hợp tác khác.[5] Hình 3.6 So sánh thơng lượng mạng cho hệ thống đa người dùng ngắn hạn với hệ thống đa người dùng ngắn hạn có hợp tác 3.5 Kết luận chƣơng Chương nghiên cứu việc phân cấp chuyển tiếp hợp tác kế hoạch đa người dùng mạng không dây, sử dụng CAA với kế hoạch hợp tác Đề xuất khung thực phân tích đánh giá xem xét Fading Rayleigh mơ hình tiếp nhận dựa va chạm Nghiên cứu việc hạn chế công suất ngắn hạn, dài hạn CP, FR, OVR lấy hiệu suất tiệm cận Cả kết mô tính tốn chứng minh việc cải thiện thông lượng thu CAAC so với CAA hợp tác, chuyển tiếp hợp tác không xem xét kế hoạch đa người dùng Hơn nữa, ta thấy CAAC với phân bố cơng suất khơng đổi tiệm cận tối ưu, điều cho thấy phức tạp không cao để đạt thông lượng tăng lên đáng kể 55 KẾT LUẬN Công nghệ truyền thông hợp tác năm gần nhà nghiên cứu quan tâm có phương án triển khai cho cơng nghệ tương lai gần Cùng với công nghệ vô tuyến thông minh, truyền thông hợp tác sở tốt để nhà sản xuất lựa chọn phương thức truyền thông cho công nghệ 5G tương lai Đồ án đưa nhìn tổng quan cho hệ thống truyền thơng hợp tác, kỹ thuật phân tập kỹ thuật chuyển tiếp ứng dụng truyền thông hợp tác 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cooperative Communications for Cognitive Radio Netword, Khaled Ben Letaief, Fellow IEEE and WEI ZANG [2] Distributed Approaches For Exploiting Multiuser Diversity in Wireless Networks , Xiangping Qin, Randall Berry [3] Cooperative Communication Schemes in Wireless Networks: A Cross Layer Approach Doctor of Philosophy Thesis, Edward S.Rogers Sr Dept of Electrical and Computer Engineering University of Toronto by Sam Vakil ( July 2008) [4].Coded Cooperative Communications, Sweden September 2007.Decentralized Multiuser Diversity with Cooperative Relaying in Wireless Sensor Networks by Sam Vakil and Ben Liang [5] Coded Cooperative Communications, Sweden September 2007 57 ... Truyền hợp tác Nguồn Truyền trực tiếp truyền thống Đề xuất giao tiếp hệ thống hợp tác Lựa chọn tiếp sức Tiếp sức Ranh giới dịch vụ truyền thông Tiếp sức r Hình 2.1 Mơ hình mạng truyền thơng hợp. .. Các phương tiện thơng tin nói chung chia thành hai phương pháp thông tin bản, thơng tin vơ tuyến thơng tin hữu tuyến Mạng thông tin vô tuyến ngày trở thành phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện... Các hệ thống truyền dẫn vô tuyến số phần tử quan trọng mạng viễn thông Tầm quan trọng ngày khẳng định công nghệ vô tuyến thông tin di động đưa vào sử dụng rộng rãi mạng viễn thông Sở dĩ truyền