Bài viết này nghiên cứu hiệu năng của mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường (Multi-hop Multipath) sử dụng kỹ thuật khuyếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify-and-Forward) dưới sự ảnh hưởng của giao thoa đồng kênh (CCI: Co-Channel Interference) và phần cứng không hoàn hảo (HI: Hardware Imperfection). Bài viết nghiên cứu hiệu năng của ba phương pháp chọn đường (path selection) được đặt tên là RAND, SHORT và BEST.
Phạm Minh Quang, Nguyễn Thanh Bình PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG ĐA ĐƯỜNG VỚI SỰ TÁC ĐỘNG ĐỒNG THỜI CỦA NHIỄU ĐỒNG KÊNH VÀ PHẦN CỨNG KHƠNG HỒN HẢO Phạm Minh Quang*, Nguyễn Thanh Bình* * Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Cơ Sở Tại Thành Phố Hồ Chí Minh Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu hiệu mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường (Multi-hop Multipath) sử dụng kỹ thuật khuyếch đại chuyển tiếp (AF: Amplify-and-Forward) ảnh hưởng giao thoa đồng kênh (CCI: Co-Channel Interference) phần cứng khơng hồn hảo (HI: Hardware Imperfection) Bài báo nghiên cứu hiệu ba phương pháp chọn đường (path selection) đặt tên RAND, SHORT BEST Trong phương pháp RAND, đường ngẫu nhiên chọn để truyền liệu từ nguồn đến đích Trong phương pháp SHORT, đường ngắn (có số chặng thấp nhất) chọn Trong phương pháp BEST, đường tốt đường có dung lượng kênh tồn trình tức thời lớn tất đường sẵn có nguồn đích Để đánh giá hiệu ba phương pháp này, đưa biểu thức tính tỷ số tín hiệu giao thoa nhiễu tồn trình (e2e SINR: end-to-end Signal-to Interference- plus-Noise Ratio) Sau đó, xác suất dừng tồn trình (e2e OP: end-toend outage probability) kênh truyền fading Rayleigh 03 phương pháp RAND, SHORT BEST đánh giá biểu thức dạng đóng cận (lowerbound closed-form expressions) Cuối cùng, mô Monte Carlo thực để kiểm chứng công thức đưa ra, để so sánh hiệu phương pháp, để thấy ảnh hưởng tham số hệ thống lên hiệu mạng Từ khóa: Chuyển tiếp đa chặng đa đường, khuếch đại chuyển tiếp, giao thoa đồng kênh, phần cứng khơng hồn hảo, xác suất dừng I MỞ ĐẦU Ngày nay, mạng thông tin vô tuyến mang lại vô số ứng dụng tiện ích cho người dùng Đồng thời với phát triển yêu cầu chất lượng dịch vụ ngày cao vùng phủ sóng rộng Kỹ thuật chuyển tiếp kỹ thuật hiệu sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng, nâng cao chất lượng việc truyền liệu độ tạo ổn định cho mạng truyền thơng vơ tuyến [1]-[8] Ngồi Tác giả liên hệ: Phạm Minh Quang Email: phamminhquang@ptithcm.edu.vn Đến tòa soạn: 9/2020, chỉnh sửa:10/2020 , chấp nhận đăng: 10/2020 SOÁ 03 (CS.01) 2020 ra, mạng cảm biến vô tuyến (WSN: Wireless Sensor Networks), mạng Internet kết nối vạn vật (IoT: Internet of Things), mạng adhoc không dây, v.v., thiết bị có hạn chế lớn cơng suất phát, lượng, định tuyến gói tin, khả lưu trữ xử lý liệu Do đó, nút mạng chuyển tiếp hệ thống mạng truyền thông vô tuyến phải tự lập kế hoạch định tuyến cho trình truyền nhận liệu Với mạng chuyển tiếp đa chặng, nút chuyển tiếp thường sử hai kỹ thuật chuyển tiếp dựa vào phương pháp xử lý tín hiệu Kỹ thuật kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp AF [3]-[4], nút chuyển tiếp sau nhận liệu khuếch đại tín hiệu nhận trước đó, gửi tín hiệu khuếch đại đến nút Kỹ thuật lại kỹ thuật giải mã chuyển tiếp (DF: Decode-and-Forward) [5]-[8]: nút chuyển tiếp nhận liệu từ nút chuyển tiếp trước giải mã, sau tiến hành mã hóa lại gửi liệu đến nút nhận đích cuối Ta thấy kỹ thuật chuyển tiếp DF phức tạp AF, kỹ thuật DF đạt hiệu tốt hơn, khơng tích lũy nhiễu nút chuyển tiếp AF Để nâng cao hiệu cho mạng chuyển tiếp hai chặng (two-hop hay dual-hop relaying networks), kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp đơn trình (PRS: Partial Relay Selection) tồn trình (FRS: Full Relay Selection) đề xuất (xem tài liệu [4]-[8]) Trong kỹ thuật PRS, nút chuyển tiếp tốt chọn theo thông tin trạng thái kênh truyền tức thời (CSI: Channel State Information) nguồn nút chuyển tiếp [4] đích nút chuyển tiếp [5] Trong kỹ thuật FRS, nút chuyển tiếp tốt chọn dựa vào CSI tức thời hai chặng [6]-[8] Kỹ thuật FRS phức tạp kỹ thuật PRS, FRS đạt hiệu tồn trình tốt PRS Khác với cơng trình [2]-[8], tài liệu [9]-[12] nghiên cứu mạng chuyển tiếp đa chặng (Multi-hop relaying network) Các tác giả [9] [10] đánh giá hiệu tồn trình mạng chuyển tiếp đa chặng với nút chuyển tiếp AF DF Để cải thiện hiệu cho mạng chuyển tiếp đa chặng kênh truyền fading, tác giả cơng trình [11]-[12] đề xuất mơ hình cộng tác đa chặng (cooperative multihop) Khác với mơ hình chuyển tiếp liệu thơng thường [9]-[10], nút chuyển tiếp mơ hình cộng tác đa chặng nhận liệu từ nút phía trước đó, kết hợp chúng lại xử lý cách thích hợp, để nâng cao khả giải mã liệu nút chuyển tiếp Mặc dù, TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 85 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG …… giao thức đề xuất [11]-[12] đạt hiệu cao hẳn giao thức thông thường, nhiên, giao thức khó triển khai thực tế cần đồng tất nút tuyến Tài liệu [13] đề xuất giải pháp đơn giản hơn, sử dụng nút cộng tác chặng Tuy nhiên, nhược điểm giao thức thời gian trễ lớn, cộng tác chặng tốn nhiều 01 khe thời gian Trong cơng trình [14]-[16], tác giả đề xuất mơ hình chuyển tiếp đa chặng đa đường, đó, đường tốt chọn để gửi liệu đến đích Tương tự [11][13], giao thức đề xuất [14]-[16] đạt độ lợi phân tập hiệu tồn trình cao hơn, so sánh với giải pháp truyền thống Cơng trình nghiên cứu mơ hình chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng nút chuyển tiếp AF tác động chung giao thoa đồng kênh CCI phần cứng khơng hồn hảo HI Điểm khác biệt báo công bố liên quan khác trình bày cụ thể Trong cơng bố [17], nhóm tác giả khảo sát ảnh hưởng HI lên hiệu mạng chuyển tiếp đa chặng Tuy nhiên, tác giả [17] không xét tác động CCI lên hiệu hệ thống Mặc dù công bố [18] khảo sát tác động chung CCI HI, nhiên mơ hình đơn đường nguồn đích xem xét cơng bố Các cơng trình [14]-[16] nghiên cứu hiệu mơ hình chuyển tiếp đa chặng đa đường kênh fading Rayleigh Tuy nhiên nhóm tác giả không khảo sát tác động HI [14][15] CCI [14]-[16] lên thông số hiệu hệ thống Tài liệu [19] đề xuất mơ hình chọn đường tốt để giảm xác suất dừng tồn trình hệ thống tác động chung CCI HI Theo hiểu biết tốt chúng tôi, hầu hết cơng trình nghiên cứu tác động CCI và/hoặc HI (như [14]-[19]) liên quan đến giao thức chuyển tiếp DF Đây động lực để chúng tơi nghiên cứu mơ hình chuyển tiếp sử dụng AF Thật vậy, báo phát triển từ cơng trình [20] nhóm nghiên cứu, kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng AF sử dụng để truyền liệu từ nguồn đến đích với ảnh hưởng chung fading kênh truyền, CCI HI Tuy nhiên, cơng trình [20] xét mạng đơn đường giả sử có 01 nguồn giao thoa tác động lên thiết bị thu Trong báo này, chúng tơi nghiên cứu mơ hình đa đường đề xuất phương pháp chọn đường khác ảnh hưởng CCI đến từ nhiều nguồn giao thoa Do đó, mơ hình hệ thống báo trường hợp tổng qt mơ hình nghiên cứu [20] Tiếp đến, đóng góp báo liệt kê sau: - Mơ hình hệ thống báo áp dụng triển khai cho mạng thông tin vô tuyến mạng cảm biến vô tuyến (wireless sensor networks), mạng vô tuyến ad-hoc, v.v Trong mạng này, thiết bị vơ tuyến thường có lượng, khả lưu trữ xử lý hạn chế Do đó, việc truyền liệu thông qua chuyển tiếp chặng ngắn phù hợp, kỹ thuật thường xuyên nghiên cứu áp dụng công bố trước - Bài báo đề xuất mơ hình chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng kỹ thuật AF Hơn nữa, tác động yếu tố môi trường thực tế fading kênh truyền, CCI HI nghiên cứu SOÁ 03 (CS.01) 2020 phân tích - Bài báo đề xuất ba phương pháp chọn đường đặt tên RAND, SHORT BEST Trong phương pháp RAND, đường ngẫu nhiên chọn để truyền liệu đến đích Phương pháp SHORT chọn đường ngắn nhất, phương pháp BEST chọn đường có dung lượng kênh tồn trình lớn - Để đánh giá hiệu hệ thống, biểu thức xác tính tỷ số tín hiệu giao thoa nhiễu tồn trình (e2e SINR) xây dựng Sau đó, chúng tơi tiến hành phân tích xác suất dừng tồn trình (e2e OP) kênh truyền fading Rayleigh biểu thức dạng đóng cận - Các mô Monte Carlo thực để kiểm chứng công thức đưa ra, để so sánh hiệu phương pháp đề xuất Phần lại báo tổ chức sau: phần II, mơ hình hệ thống khảo sát trình bày Trong phần III, chúng tơi đánh giá hiệu mơ hình kênh fading Rayleigh biểu thức tốn học dạng đóng cận Phần IV cung cấp kết mô phân tích lý thuyết Cuối cùng, kết luận hướng phát triển báo đưa phần V II MƠ HÌNH KHẢO SÁT Hình mơ tả mơ hình hệ thống nghiên cứu báo Trong mơ hình này, nguồn N S muốn gửi liệu đến đích N D Giả sử rằng, tồn K đường nguồn đích, nguồn phải chọn đường để truyền liệu đến đích, truyền trực tiếp khơng thể thực khoảng cách xa chúng Việc thiết lập đường nguồn đích thực lớp mạng (network layer) Tuy nhiên, để thuận tiện đơn giản cho việc mô tả đánh giá hoạt động phương pháp chọn đường, ta giả sử đường thiết lập trước (tương tự cơng trình [14]-[16]) Giả sử có Tk nút chuyển tiếp đường thứ k, với k = 1, 2, , K , Tk Để thuận tiện cho việc mô tả hệ thống, nút chuyển tiếp đường thứ k đặt tên Nk ,t , với t = 1, 2, , Tk Cũng Hình 1, giả sử tồn M nguồn giao thoa gây nhiễu lên thiết bị thu mạng Các nguồn giao thoa ký hiệu I1 , I , , I M Trong trường hợp M = 0, hệ thống không chịu tác động CCI Tất thiết bị có 01 ăng-ten hoạt động chế độ bán song cơng Do đó, truyền liệu đường thứ k phải thực Tk + khe thời gian trực giao, sử dụng phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Hình Mơ hình hệ thống khảo sát TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 86 Phạm Minh Quang, Nguyễn Thanh Bình A Sự truyền liệu đường thứ k Giả sử nguồn N S chọn đường thứ k để truyền liệu đến đích Trong khe thời gian thứ nhất, nguồn N S gửi liệu đến nút chuyển tiếp N k ,1 Nút N k ,1 khuếch đại Sau nhận yNk ,1 từ nguồn, nút N k ,1 khuếch đại tín hiệu chuyển tiếp tín hiệu khuếch đại đến nút N k ,2 Tương tự công thức (5) tài liệu [20], tín hiệu nhận N k ,2 viết sau: tín hiệu nhận được, gửi đến nút N k ,2 khe thời gian thứ hai Tiến trình tiếp tục thực nút chuyển tiếp N k ,Tk khuếch đại tín hiệu nhận ( yNk ,2 = hNk ,1 , Nk ,2 Gk ,1 yNk ,1 +Nk ,1 , Nk ,2 ) (3) M + QgIm , Nk ,2 xIm + Nk ,2 , từ nút N k ,Tk −1 , gửi tín hiệu đến đích N D m=1 khe thời gian cuối đó, hNk ,1 , Nk ,2 hệ số kênh fading Rayleigh N k ,1 Xét tín hiệu nhận N k ,1 khe thời gian thứ nhất; tác động chung CCI HI, ta thể viết: Nk ,2 , g Im , Nk ,2 hệ số kênh fading Rayleigh I m ( yNk ,1 = PNS hNS , Nk ,1 xS +NS , Nk ,1 ) Nk ,2 , N k ,1 , N k ,2 thu Nk ,2 , nhiễu gây HI nút phát N k ,1 nút N k ,2 nhiễu Gauss trắng cộng tính (1) Nk ,2 , Gk ,1 hệ số khuếch đại mà nút N k ,1 sử dụng Tương đó, PNS công suất phát nguồn NS , QI m tự công thức (4) tài liệu [20], hệ số khuếch đại Gk ,1 tính sau: M + QIm gIm , Nk ,1 xIm + Nk ,1 , m=1 công suất phát nguồn giao thoa I m , xS liệu nguồn NS , x I m liệu nguồn giao thoa I m , hNS , Nk ,1 hệ số kênh fading Rayleigh N S Nk ,1 , g Im , Nk ,1 hệ số kênh fading Rayleigh I m Nk ,1 , NS , Nk ,1 nhiễu gây HI nút phát N S nút thu Nk ,1 , Nk ,1 nhiễu Gauss trắng cộng tính N k ,1 Để đơn giản cho việc trình bày cơng thức, ta giả sử cơng suất phát tất nút bao gồm nguồn N S tất nút chuyển tiếp P: PNS = PNk ,t = P (k, t ) Cũng vậy, ta giả sử công suất phát nguồn giao thoa giống nhau: QIm = Q (m) Tương tự cơng trình [6], [19], [21]-[22], NS , Nk ,1 biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss, có giá trị trung bình phương sai số mô tả mức khiếm khuyết phần cứng tổng cộng thiết bị phát thiết bị thu Ta giả sử nút N k ,t có cấu trúc phần cứng, mức khiếm khuyết phần cứng tất liên kết Nk ,t − Nk ,t +1 Đối với nhiễu Gauss trắng cộng tính, ta giả sử phương sai nhiễu tất thiết bị thu 02 Từ cơng thức (1), ta xây dựng biểu thức tính SINR tức thời đạt nút N k ,1 sau: k ,1 = M P | hN , N |2 +Q| g I = k ,1 m =1 M m , Nk ,1 |2 + 02 (2) k ,1 k ,1 + m,k ,1 + công thức ) + Q M m =1 m, k ,1 + (4) Hơn nữa, phương sai Nk ,1 , Nk ,2 cơng thức (3) tính (tương tự [20] [22]): Var Nk ,1 , Nk ,2 = 2Gk2,1E | yNk ,1 |2 M = 2Gk2,1 P k ,1 (1 + ) + Qm,k ,1 + 02 m=1 = P, toán tử kỳ vọng toán học với E (5) Kết hợp công thức (3), (4) (5), ta đạt SINR N k ,2 sau: N = k ,2 k ,1k ,2 , k ,1 + k ,2 + (6) với k ,1 đưa công thức (2), k ,2 tính tương tự k ,1 bên dưới: k ,2 = k ,2 M k ,2 + m,k ,2 + , (7) m =1 đây, k ,2 =| hNk ,1 , Nk ,2 |2 , m,k ,2 =| gIm , Nk ,2 |2 Tương tự, nút N k ,2 khuếch đại tín hiệu nhận nạp tốn học, ta đưa cơng thức tính SINR đích N D sau: Tk +1 N (2), k ,1 = | hN S m,k ,1 =| gIm , Nk ,1 | độ lợi kênh, = P / P k ,1 (1 + m =1 Trong P yNk ,2 gửi đến nút Sử dụng phương pháp quy P | hN0 , Nk ,1 | Gk2,1 = , N k ,1 | D ,k = Tk +1 t =1 k ,t Tk +1 (1 + ) − t =1 k ,t t =1 (8) k ,t Trong công thức (8), k ,t xác định sau: = Q / tỷ số công suất phát nhiễu cộng SỐ 03 (CS.01) 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 87 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG …… k ,t = = P | hNk ,t−1 , Nk ,t |2 P | hN M k ,t −1 , Nk ,t |2 +Q | g Im , Nk ,t |2 + 02 m =1 k ,t M k ,t + m,k ,t + (9) , Tuy nhiên, việc triển khai phương pháp BEST phức tạp nhất, phương pháp yêu cầu tất nút phải ước lượng xác hệ số kênh truyền kênh liệu kênh giao thoa Hơn nữa, nút phải gửi thông tin kênh truyền nút nguồn để nút chọn đường tốt Điều tiêu tốn nhiều thời gian lượng nút mạng m =1 đây, hNk ,t −1 , Nk ,t hệ số kênh fading Rayleigh N k ,t −1 III ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG Nk ,t , g Im , Nk ,t hệ số kênh fading Rayleigh I m A Mơ hình kênh truyền Giả sử tất kênh truyền nút kênh fading Rayleigh Ta giả sử kênh truyền kênh fading chậm (slow fading), hệ số kênh truyền giả sử không thay đổi suốt chu trình truyền liệu nguồn đích Bởi biên độ kênh truyền có phân phối Rayleigh, độ lợi kênh k ,t m , k ,t có phân phối mũ (exponential distribution) Thật vậy, hàm phân phối tích luỹ (CDF: Cummulative Distribution Function) k ,t m , k ,t viết sau: Nk ,t , k ,t =| hNk ,t−1 , Nk ,t |2 m,k ,t =| gIm , Nk ,t |2 độ lợi kênh tương ứng Ta ý N k ,0 NS N k ,Tk +1 N D Tiếp đến, dung lượng kênh tồn trình tức thời đạt đường thứ k viết sau: Ck = ( ) log + ND ,k Tk + (10) Trong công thức (10), hệ số / (Tk + 1) xuất F k ,t ( x ) = − exp ( −k ,t x ) , truyền liệu thực Tk + khe thời gian trực giao B Các phương pháp chọn đường Như đề cập trên, 03 phương pháp chọn đường nghiên cứu so sánh Trong phương pháp RAND, nguồn chọn ngẫu nhiên đường để truyền liệu đến đích Việc thực phương pháp RAND đơn giản, nguồn đích cần tồn 01 đường Hơn nữa, giao thức RAND đạt cân tải cho nút chuyển tiếp đường sử dụng để truyền liệu (tránh việc đường ln chọn) Đối với phương pháp SHORT, nguồn chọn đường ngắn đường sẵn có để truyền liệu Thật vậy, đường ngắn có thời gian trễ ngắn nên nâng cao hiệu sử dụng phổ tần cho hệ thống Về mặt tốn học, ta viết phương pháp SHORT sau: a = arg (1 + Tk ) k =1,2, , K (11) Công thức (11) có nghĩa nguồn chọn đường thứ a để truyền liệu, với điều kiện số chặng + Ta đạt giá trị nhỏ Trong thực tế, có nhiều 01 đường có số chặng ngắn nhất, ví dụ: có 03 đường nguồn đích, số chặng đường thứ đường thứ ba 04, số chặng đường thứ hai 05 Trong trường hợp này, nguồn N S phương pháp SHORT ngẫu nhiên chọn đường thứ đường thứ ba để gửi liệu đến đích Do đó, tất đường nguồn đích có số chặng nhau, hai phương pháp SHORT RAND giống Tiếp đến, ta xét phương pháp BEST, đó, đường tốt phải đường có dung lượng kênh tức thời tồn trình lớn Thật vậy, đường chọn phương pháp BEST là: b = arg max ( Ck ) k =1,2, , K SOÁ 03 (CS.01) 2020 (12) Fm,k ,t ( x ) = − exp ( −m,k ,t x ) , (13) đó, tham số đặc trưng k ,t m , k ,t biểu diễn [3]-[5]: k ,t = 1/ E k ,t = d N k ,t −1 , Nk ,t , m,k ,t = 1/ E m,k ,t = dIm , Nk ,t , (14) với dNk ,t−1 , Nk ,t khoảng cách hai nút N k ,t −1 N k ,t , dIm , Nk ,t khoảng cách hai nút I m N k ,t , hệ số suy hao đường truyền Từ công thức (13), ta đạt hàm PDF tương ứng sau: f k ,t ( x ) = k ,t exp ( −k ,t x ) , fm,k ,t ( x ) = m,k ,t exp ( −m,k ,t x ) (15) B Xác suất dừng (OP) đường thứ k Xác suất dừng đường thứ k viết sau: OPk = Pr ( Ck Cth ) , (16) với C th ngưỡng dừng Thay công thức (8) (10) vào (16), ta có: ( OPk = Pr ND , k k ) Tk +1 k ,t t =1 = Pr Tk +1 k Tk +1 (1 + k ,t ) − k ,t t =1 t =1 với k = ^ ((1+ Tk ) Cth ) −1 (17) (18) Bởi ta khơng thể đạt biểu thức dạng tường minh cho xác suất công thức (17), báo TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 88 Phạm Minh Quang, Nguyễn Thanh Bình đưa cơng thức tính xấp xỉ Thật vậy, tỷ số SINR tồn trình N D , k chặn [20] [23]: N D ,k t =1,2, ,Tk +1 ( ) ( t =1,2, ,Tk +1 ( ) k ,t k ) (20) Kết hợp công thức (9) (20), ta viết: Pr ( t =1,2, ,Tk +1 ( ) k ,t k ) D ,k Tk +1 = − 1 − Pr (k ,t k ) t =1 (21) Tk +1 k ,t = − 1 − Pr k M + t =1 k ,t m , k ,t + m=1 J k ,t Xét xác suất J k ,t công thức (21), sử dụng hàm CDF PDF đạt (13) (15), ta có: J k ,t = Pr (1 − k ) k ,t k + k m,k ,t (22) m=1 Quan sát từ công thức (22), ta thấy xác suất − k Trong trường hợp − k 0, ta viết tiếp (22) dạng sau: (1 + 1/ ) −1 ( ) ( ) Thay hàm CDF F k ,t (.) (13) hàm PDF fm,k ,t (.) (15) vào cơng thức (23), sau số phép tính tích phân, ta đạt kết sau: m,k ,t J k ,t = − exp ( −k ,tk ,t ,1 ) (25) m=1 m,k ,t + k ,tk ,t ,2 Kết hợp công thức (20), (21) (25), ta đạt biểu thức dạng đóng cận cho xác suất dừng tồn trình đường thứ k sau: M Tk +1 M m, k ,t OPk − exp ( −k ,tk ,t ,1 ) (26) t =1 m =1 m, k ,t + k ,t k ,t ,2 C Phân tích ảnh hưởng HI Để thấy rõ tác động HI, từ công thức (8) (9), ta viết lại N D , k dạng sau: SOÁ 03 (CS.01) 2020 k ,t t =1 = T +1 (27) k t =1 1 + + − M m , k ,t + m=1 k ,t k ,t Nhìn vào công thức (27), ta thấy hiệu mạng khuếch đại chuyển tiếp đa chặng giảm mức khiếm khuyết phần cứng ( ) tăng Hơn nữa, nhiễu phần cứng cịn tích lũy theo chặng, tỷ số SINR đường thứ k vượt qua giới hạn sau: N D ,k Tk +1 (1 + ) −1 = (1 + ) Tk +1 −1 (28) t =1 Từ công thức (28), ta dễ dàng suy rằng, truyền liệu đường thứ k bị dừng ( OPk = 1) , như: (1 + ) Tk +1 M M J k ,t = Pr k ,t k ,t ,1 + k ,t ,2 m,k ,t m=1 M M F k ,t k ,t ,1 + k ,t ,2 xm fm ,k ,t ( xm ) (23) + + m=1 m=1 , = M 0 dxm m=1 với k k k ,t ,1 = ,k ,t ,2 = (24) − k − k = Tk +1 (19) k ,t Vì vậy, xác suất dừng tồn trình đường thứ k chặn sau: OPk Pr N −1 k , (29) Do đó, ta định nghĩa mức suy giảm phần cứng tới hạn truyền chuyển tiếp liệu tuyến có Tk + chặng sau: max, k + k Tk +1 = −1 k (30) Cụ thể hơn, mức suy giảm phần cứng tới hạn max,k mức suy hao phần cứng mà vượt qua giá trị này, truyền liệu đường thứ k luôn bị dừng Cho nên, để tất đường sử dụng để truyền liệu mức suy hao phần cứng cần phải thoả mãn công thức sau: ( max, k ) (31) k =1,2, , K Cũng từ công thức (29), ta xét toán khác sau: với mức suy giảm phần cứng cố định cho trước 0, để trình truyền nhận liệu nguồn đích ln diễn ra, từ cơng thức (18) (29), số chặng nguồn đích phải thoả mãn điều kiện sau: k (1 + ) −1 ( (1 + ) −1) ( 2( Tk +1 Tk +1 1+Tk )Cth ) (32) −1 D Xác suất dừng (OP) phương pháp chọn đường Trong mục này, xác suất dừng phương pháp nghiên cứu phân tích Đầu tiên, ta giả sử điều kiện công thức (31) thỏa mãn, đó, tất đường chọn để gửi liệu Xét phương pháp RAND; xác suất mà đường chọn 1/ K , nên xác suất dừng phương pháp RAND trung bình cộng xác TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 89 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG …… suất dừng tất đường nguồn đích Cụ thể, 10 K (33) OPk K k =1 Kết hợp (26) (33), ta đạt cơng thức dạng đóng cận OPRAND sau: OPRAND = OP OPRAND 1− -1 10 M (34) m,k ,t K Tk +1 exp ( −k ,tk ,t ,1 ) K k =1 t =1 m =1 m, k ,t + k ,tk ,t ,2 -2 10 RAND-Sim (M=0) SHORT-Sim (M=0) RAND-Sim (M=1) SHORT-Sim (M=1) RAND-Theory SHORT-Theory -3 10 Đối với phương pháp SHORT, xác suất dừng tồn trình phương viết sau: -4 10 OPSHORT = OPa Ta +1 M (35) m , a , t − exp ( −a,ta,t ,1 ) t =1 m =1 m, a ,t + a ,t a ,t ,2 Đối với phương pháp BEST, đầu tiên, ta có: OPBEST = Pr ( Cb Cth ) ( ) K = Pr max ( Ck ) Cth = Pr ( Ck Cth ) k =1,2, , K (36) k =1 K = OPk k =1 Cơng thức (36) có nghĩa xác suất dừng phương pháp BEST tích xác suất dừng tất đường sẵn có nguồn đích Sử dụng cơng thức (26), ta đạt công thức (37) sau: OPBEST M Tk +1 (37) m,k ,t − exp − ( ) k ,t k ,t ,1 k =1 m =1 m, k ,t + k ,tk ,t ,2 t =1 K IV KẾT QUẢ Trong mục này, kết mô Monte Carlo thực để kiểm chứng cơng thức xác suất dừng tồn trình mơ hình RAND, SHORT BEST Mơi trường mơ hệ trục toạ độ Oxy, nguồn N S cố định gốc toạ độ (0,0), đích N D có vị trí (1,0), nút N k ,t đặt vị trí (t / (T + 1) ,0) , với k = 1, 2, , K , t = 1, 2, , Tk Với vị trí này, khoảng cách nguồn đích cố định 1, khoảng cách hai nút kề đường thứ k / (Tk + 1) Để tập trung vào tác động CCI HI lên xác suất dừng hệ thống, tất kết mô lý thuyết, ta giả sử nguồn giao thoa I m cố định vị trí (0.5,-0.5), hệ số suy hao đường truyền cố định phương sai nhiễu cộng ( ) Trong hình vẽ, kết mơ ký hiệu Sim (Simulation) kết lý thuyết ký hiệu Theory Số phép thử sử dụng để thực mô Monte Carlo từ 5*105 đến 5*106 k SOÁ 03 (CS.01) 2020 -5 10 (dB) 15 20 25 Hình Xác suất dừng tồn trình vẽ theo (dB) với = 15 dB, K = 3, Tk 1, 2, 2 , = Cth = 0.25 Hình vẽ xác suất dừng tồn trình phương pháp RAND SHORT theo (dB) Trong Hình 2, số đường nguồn đích ( K = 3) , số nút chuyển tiếp 03 đường 1, 2, ( T1 = , T2 = , T3 = ) Cũng mô này, thiết bị giả sử hoàn hảo = 0, ngưỡng dừng cố định 0.25 ( Cth = 0.25) , = 15 dB Như quan sát Hình 2, xác suất dừng OP hai phương pháp RAND SHORT giảm tăng Đó tăng, cơng suất phát nút tăng nên hiệu OP giảm Kế tiếp, thấy OP hai mơ hình trường hợp khơng có CCI ( M = ) thấp nhiều trường hợp có CCI ( M = 1) Hơn nữa, Hình 2, phương pháp RAND đạt giá trị OP thấp phương pháp SHORT Tuy nhiên, độ chêch lệch hiệu không lớn hai trường hợp M = M = Quan sát giá trị lớn, ta thấy đường OP hai mơ hình song song với nhau, điều chứng tỏ hai phương pháp RAND SHORT có độ lợi phân tập Chúng ta lưu ý giá trị mô (Sim) giá trị OP xác hai phương pháp RAND SHORT, giá trị lý thuyết giá trị chặn hiệu xác suất dừng Hình cho thấy M = 0, giá trị OP mô hội tụ giá trị OP lý thuyết đủ lớn Tuy nhiên, giá trị OP mô lý thuyết không hội tụ có xuất nguồn giao thoa Hơn nữa, M = 1, xác suất dừng hai phương pháp RAND SHORT lớn, đặc biệt xác suất dừng với giá trị từ -5 dB đến dB TAÏP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 90 Phạm Minh Quang, Nguyễn Thanh Bình thích phương pháp BEST đạt độ lợi phân tập cao tồn nhiều đường nguồn đích 10 10 -1 10 -1 10 -2 OP 10 -2 10 -3 -4 10 OP RAND-Sim SHORT-Sim BEST-Sim RAND-Theory SHORT-Theory BEST-Theory 10 RAND-Sim SHORT-Sim BEST-Sim (K=2) BEST-Sim (K=3) RAND-Theory SHORT-Theory BEST-Theory -3 10 -4 10 -5 10 10 15 20 (dB) 25 30 35 40 -5 Cth = 0.25 Hình so sánh hiệu OP 03 phương pháp nghiên cứu dB, K = 2, = 20 Tk 1,3 , = 0.01, M = Cth = 0.25 Như ta thấy, mơ hình BEST đạt giá trị OP thấp nhiều so sánh với 02 mơ hình cịn lại Ngun nhân mơ hình BEST lựa chọn đường dựa vào dung lượng kênh tồn trình tức thời, phương pháp RAND SHORT không quan tâm đến chất lượng kênh truyền Tương tự Hình 2, Hình cho thấy giá trị OP phương pháp RAND SHORT lớn (lớn 0.01) có xuất nguồn nhiễu ( M = 1) Quan sát từ hình vẽ, ta thấy độ dốc OP phương pháp chọn đường BEST lớn phương pháp cịn lại Đó phương pháp BEST chọn đường có dung lượng kênh tồn trình lớn đường sẵn có, vậy, BEST đạt độ lợi phân tập cao hai phương pháp RAND SHORT Trong Hình Hình 3, ta thấy việc chọn đường ngắn khơng hiệu mơi trường có tác động chung CCI HI Như thấy, OP phương pháp chọn đường SHORT lớn OP phương pháp chọn đường RAND hai Hình Trong Hình 4, OP 03 phương pháp nghiên cứu vẽ theo (dB) = 15 dB, = 0.01, M = Cth = 0.25 Hơn nữa, giả sử tất đường có số nút chuyển tiếp 2, tức Tk = ( k ) Như đề cập trên, trường hợp này, hiệu hai mơ hình RAND SHORT tương đương Hình minh chứng điều Cũng Hình 4, ta xét hai trường hợp: số đường (K) nguồn đích Bởi hai mơ hình RAND SHORT khơng phụ thuộc vào số đường nguồn đích nên OP hai mơ hình khơng thay đổi K thay đổi Tuy nhiên, giá trị OP phương pháp BEST lại giảm đáng kể K tăng từ lên Như chứng minh công thức (36), OP phương pháp BEST tích OP đường, đó, số đường tăng OP phương pháp giảm Hơn nữa, độ dốc đường OP phương pháp BEST với K = lớn độ dốc với K = Điều giải SỐ 03 (CS.01) 2020 10 15 20 25 30 (dB) Hình Xác suất dừng tồn trình vẽ theo (dB) với = 15 dB, Tk = ( k ) , = 0.01, M = Cth = 0.25 10 RAND-Sim RAND-Theory SHORT-Sim SHORT-Theory BEST-Sim BEST-Theory -1 10 -2 10 OP Hình Xác suất dừng tồn trình vẽ theo (dB) với = 20 dB, K = 2, Tk 1,3, = 0.01, M = 10 -3 10 -4 10 -5 10 T Hình Xác suất dừng tồn trình vẽ theo T với = 15 dB, K = 2, = 0.01, M = Cth = 0.5 Hình nghiên cứu ảnh hưởng số chặng lên hiệu phương pháp nghiên cứu Trong mô này, ta giả sử có 02 tuyến nguồn đích (K = 2), khơng có ảnh hưởng CCI (M = 0) Hơn nữa, giả sử tất tuyến có số chặng T: Tk = T ( k ) Vì vậy, giá trị OP mơ hình RAND SHORT giống thể hình vẽ Các thơng số khác thiết lập Hình = 15 dB, Cth = 0.5 = 0.01 Với giá trị Cth = 0.5 = 0.01 , dựa vào công thức (32), ta có: (1.001 T +1 ( ) −1) 2(1+T )0.5 −1 (38) Giải bất đẳng thức (38), ta có T Và lý Hình 5, T = OP 03 mơ hình RAND, SHORT BEST Cũng Hình 5, ta thấy số chặng tác động đáng kể lên hiệu OP tồn trình Trong hình vẽ này, ta thấy rằng, tồn giá trị T để xác suất dừng mơ hình đạt TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 91 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG …… giá trị nhỏ Cụ thể, T = (số chặng 3) OP phương pháp đạt giá trị nhỏ (quan sát kết mơ phỏng) Điều giải thích sau: T = , khoảng cách nguồn nút chuyển tiếp lớn, chất lượng kênh truyền xấu (về mặt trung bình), dẫn đến OP lớn Tuy nhiên, T lớn dung lượng kênh lại giảm mạnh hệ số 1/ (T + 1) , OP mơ hình lớn Cuối cùng, ta quan sát từ Hình rằng, độ lệch kết mô lý thuyết lớn số chặng tăng KẾT LUẬN Bài báo nghiên cứu hiệu xác suất dừng tồn trình cho 03 phương pháp RAND, SHORT BEST tác động fading kênh truyền, xuất CCI nhiễu gây HI Với xuất CCI, hiệu mơ hình RAND SHORT giảm mạnh Các kết cho thấy mơ hình BEST đạt hiệu tốt nhiều so sánh với 02 mơ hình cịn lại Hơn nữa, kỹ thuật chuyển tiếp AF, nhiễu phần cứng tích luỹ theo chặng tác động tiêu cực đến hiệu dừng tồn trình Để nâng cao hiệu hệ thống, thiết bị cần trang bị với phần cứng tốt (giảm mức suy hao phần cứng), đồng thời số chặng nguồn đích cần thiết kế thích hợp I LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Cơ Sở Tại Thành Phố Hồ Chí Minh với mã số đề tài 04-HV-2020-RD_VT2 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R Pabst, et al., “Relay-Based Deployment Concepts for Wireless and Mobile Broadband Radio,” IEEE Communications Magazine, vol 42, no 9, pp 80-89, Sept 2004 [2] J N Laneman, G W Wornell, “Distributed Space Time Coded Protocols for Exploiting Cooperative Diversity in Wireless Networks,” IEEE Transactions on Information Theory, vol 49, no 10, pp 2415-2425, Nov 2003 [3] J N Laneman, D N C Tse, G W Wornell, “Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols and Outage Behavior,” IEEE Transactions on Information Theory, vol 50, no 12, pp 3062-3080, Dec 2004 [4] T T Duy and H.Y Kong, “Performance Analysis of Incremental Amplify-and-Forward Relaying Protocols with Nth Best Partial Relay Selection under Interference Constraint,” Wireless Personal Communications, vol 71, no 4, pp 2741-2757, Aug 2013 [5] T D Hieu, T T Duy, S G Choi, “Secrecy Performance of a Generalized Partial Relay Selection Protocol in Underlay Cognitive Networks,” International Journal of Communication Systems, vol 31, no 17, pp 1-17, 2018 [6] T T Duy, et al., “Proactive Relay Selection with Joint Impact of Hardware Impairment and Co-channel Interference,” IEEE Transactions on Communications, vol 63, no 5, pp 1594-1606, May 2015 [7] K Tourki, H Yang, M Alouini, “Accurate Outage Analysis of Incremental Decode-and-Forward Opportunistic Relaying,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 10, no 4, pp 1021-1025, Apr 2011 SOÁ 03 (CS.01) 2020 [8] K Tourki, K A Qaraqe, M Alouini, “Outage Analysis for Underlay Cognitive Networks Using Incremental Regenerative Relaying,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 62, no 2, pp 721-734, Feb 2013 [9] M O Hasna, M.-S Alouini, “Outage Probability of Multihop Transmission over Nakagami Fading Channels,” IEEE Communications Letters, vol 7, no 5, pp 216–218, May 2003 [10] C Conne, I Kim, “Outage Probability of Multi-hop Amplify-and-Forward Relay Systems,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 9, no 3, pp 1139– 1149, March 2010 [11] A E Khandani, J Abounadi, E Modiano and L Zheng, “Cooperative Routing in Static Wireless Networks,” IEEE Transactions on Communications, vol 55, no 11, pp 2185-2192, Nov 2007 [12] P T Tin, et al., “Secrecy Performance Enhancement for Underlay Cognitive Radio Networks Employing Cooperative Multi-hop Transmission With and Without Presence of Hardware Impairments,” Entropy, vol 21, no 2, 217, Feb 2019 [13] T T Duy, et al., “Mơ hình truyền đa chặng sử dụng truyền thơng cộng tác tăng cường vô tuyến nhận thức dạng nền,” Hội thảo Quốc gia 2014 điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (ECIT2014), pp 238-243, Nha Trang, Viet Nam, 09/2014 [14] M R Bhatnagar, “Performance Analysis of a Path Selection Scheme in Multi-Hop Decode-and-Forward Protocol,” IEEE Communications Letters, vol 16, no 12, pp 1980-1983, Dec 2012 [15] M R Bhatnagar, R K Mallik, O Tirkkonen, “Performance Evaluation of Best-Path Selection in a Multihop Decode-And-Forward Cooperative System,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 65, no 4, pp 2722–2728, Apr 2016 [16] T D Hieu, T T Duy, and B.-S Kim, “Performance Enhancement for Multihop Harvest-to-Transmit WSNs with Path-Selection Methods in Presence of Eavesdroppers and Hardware Noises,” IEEE Sensors Journal, vol 18, no 12, pp 5173–5186, Jun 2018 [17] P M Quang, T T Duy, and V N Q Bảo, “Khảo Sát Sự Ảnh Hưởng Của Phần Cứng Không Hoàn Hảo Lên Mạng Chuyển Tiếp Đa Chặng Trong Các Môi Trường Fading Khác Nhau,” Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015), TPHCM, Vietnam, 2015, pp 471-476, 12/2015 [18] T T Duy, C N Trang, V N Q Bao, T Hanh, “Joint impact of hardware impairment and co-channel interference on multi-hop relaying,” in Proc of 2015 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp 88-92, 2015 [19] P T D Ngoc, T T Duy, K Ho-Van, N T Binh, “Performance Evaluation of Best Path Selection Protocol in Multi-hop Relaying Networks under Joint Impact of Cochannel Interference and Hardware Impairments,” Journal of Science and Technology: Issue on Information and Communications Technology, vol 4, pp 33-38, Aug 2018 [20] B Q Duc, D T Hung, T T Duy, N T Binh, “Phân Tích Hiệu Năng Mạng Khuếch Đại Chuyển Tiếp Đa Chặng Dưới Sự Ảnh Hưởng Chung Của Nhiễu Đồng Kênh Và Nhiễu Phần Cứng,” Hội thảo Quốc gia lần thứ XXII điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REVECIT 2019), pp 247-252, Hà Nội, Việt Nam, 12/2019 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 92 Phạm Minh Quang, Nguyễn Thanh Bình [21] M Matthaiou, A Papadogiannis, E Bjornson, M Debbah, “Two-way Relaying Under the Presence of Relay Transceiver Hardware Impairments,” IEEE Communications Letters, vol 17, no 6, pp 1136–1139, Jun 2013 [22] E Bjornson, M Matthaiou, M Debbah, “A New Look at Dual-Hop Relaying: Performance Limits With Hardware Impairments,” IEEE Transactions on Communications, vol 61, no 11, pp 4512–4525, Nov 2013 [23] T Soithong, V A Aalo, G P Efthymoglou, C Chayawan, “Performance of Multihop Relay Systems with Co-Channel Interference in Rayleigh Fading Channels,” IEEE Communications Letters, vol 15, no 8, pp 836 – 838, Aug 2011 Nguyễn Thanh Bình, Nhận Tiến sĩ vào năm 1995 TS Nguyễn Thanh Bình công tác Khoa Kỹ thuật điện tử thuộc Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng sở TP Hồ Chí Minh Hướng nghiên cứu quan tâm bao gồm: Kỹ thuật phát thanh, truyền hình, xử lý tín hiệu truyền thơng Email: binhnt@ptithcm.edu.vn PERFORMANCE EVALUATION OF MULTI-HOP MULTI-PATH AMPLIFY-AND-FORWARD RELAYING NETWORKS UNDER JOINT IMPACT OF CO-CHANNEL INTERFERENCE AND HARDWARE IMPAIRMENTS Abstract: In this paper, we evaluate performance of multi-hop multi-path amplify-and-forward (AF) relaying networks under joint impact of co-channel interference and hardware impairments We propose three efficient path selection methods named RAND, SHORT and BEST In the RAND method, a random path is selected to transmit data from the source to the destination, while the SHORT one chooses the path having the lowest number of hops for the data transmission In the BEST method, the selected path is the path, which obtains the highest end-to-end (e2e) channel capacity For performance evaluation, we first derive exact expressions of e2e Signal-to Interference-plus-Noise Ratio (SINR) Then, lower-bound closed-form expressions of the e2e outage probability (OP) of the proposed methods over Rayleigh fading channel are derived Finally, Monte Carlo simulations are performed for verifying the derived formulas, comparing the RAND, SHORT and BEST performance, and showing effect of the important system parameters on the e2e OP Keywords: multi-hop and multi-path, Amplify-andforward, co-channel interference, hardware impairment, outage probability Phạm Minh Quang, Nhận cử nhân thạc sĩ Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh vào năm 2007 năm 2012 ThS Quang công tác Khoa Viễn thông thuộc Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng sở TP Hồ Chí Minh Hướng nghiên cứu quan tâm bao gồm: thông tin vô tuyến, kỹ thuật thu thập lượng vơ tuyến, phân tích hiệu mạng vơ tuyến Email: phamminhquang@ptithcm.edu.vn SỐ 03 (CS.01) 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 93 ... Duc, D T Hung, T T Duy, N T Binh, ? ?Phân Tích Hiệu Năng Mạng Khuếch Đại Chuyển Tiếp Đa Chặng Dưới Sự Ảnh Hưởng Chung Của Nhiễu Đồng Kênh Và Nhiễu Phần Cứng, ” Hội thảo Quốc gia lần thứ XXII điện tử,... ,t Nhìn vào công thức (27), ta thấy hiệu mạng khuếch đại chuyển tiếp đa chặng giảm mức khiếm khuyết phần cứng ( ) tăng Hơn nữa, nhiễu phần cứng cịn tích lũy theo chặng, tỷ số SINR đường thứ... lợi phân tập hiệu tồn trình cao hơn, so sánh với giải pháp truyền thống Cơng trình nghiên cứu mơ hình chuyển tiếp đa chặng đa đường sử dụng nút chuyển tiếp AF tác động chung giao thoa đồng kênh