Bài viết nghiên cứu mạng giải mã chuyển tiếp (DF) hai chặng trong truyền thông gói tin ngắn. Trong đó, nguồn sẽ lựa chọn một nút tốt nhất trong một tập đa nút để chuyển tiếp gói tin bằng cách sử dụng kỹ thuật lựa chọn chuyển tiếp một phần (PRS).
Nguyễn Thị Yến Linh, Ngơ Hồng Tú, Võ Nguyễn Quốc Bảo ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP TỪNG PHẦN VỚI ĐA ANTEN THU TRONG TRUYỀN THƠNG GĨI TIN NGẮN Nguyễn Thị Yến Linh*, Ngơ Hồng Tú+ , Võ Nguyễn Quốc Bảo* * Khoa Cơ 2, khoa Viễn thông 2, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng + Trường Đại học Giao Thông Vận Tải thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt- Trong báo này, chúng tơi nghiên cứu mạng giải mã chuyển tiếp (DF) hai chặng truyền thơng gói tin ngắn Trong đó, nguồn lựa chọn nút tốt tập đa nút để chuyển tiếp gói tin cách sử dụng kỹ thuật lựa chọn chuyển tiếp phần (PRS) Nguồn thu thiết kế có M-anten sử dụng giao thức phân tập tỉ số kết hợp cực đại (MRC) để thu nhận tín hiệu Để đánh giá so sánh hiệu hệ thống, đưa biểu thức dạng xác xấp xỉ tỉ lệ lỗi khối (BLER) kênh truyền fading Rayleigh Cuối cùng, thực mô Monte Carlo để kiểm chứng kết lý thuyết tìm giá trị tối ưu số nút chuyển tiếp số anten chứng minh ưu điểm mô hình hệ thống đề xuất Từ khóa- lựa chọn chuyển tiếp phần, fading Rayleigh, giải mã chuyển tiếp, tỉ lệ lỗi khối, tỉ số kết hợp cực đại, truyền thơng gói tin ngắn I GIỚI THIỆU Hiện nay, truyền thông hệ thứ năm (5G) biết đến cải tiến vượt trội xa so với mạng hệ trước Mạng (5G) sở định việc thực hóa kỷ nguyên Internet vạn vật (IoT) xã hội siêu kết nối Dịch vụ mạng (5G) băng thông di động nâng cao (eMBB), truyền thông loại máy (mMTC) truyền thông độ trễ thấp đáng tin cậy (uRLLC), ứng dụng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp xã hội [1-3] Trong đó, uRLLC dịch vụ trọng tâm mạng 5G với yêu cầu độ tin cậy cực cao 99.9999% độ trễ 1ms Để đạt yêu cầu này, truyền thơng gói ngắn với mã chiều dài khối ngắn đưa vào hệ thống nghiên cứu phương pháp tiềm [4] Thực vậy, gói tin ngắn dạng lưu thơng điển hình tạo cảm biến trao đổi chủ yếu truyền thông kiểu máy Do vậy, truyền thông gói ngắn hỗ trợ cho ứng dụng 5G IoT kết nối đám mây đáng tin cậy, điều phối không dây từ xe đến xe, báo động từ lớn cảm biến [4-7] Cho đến nay, truyền thơng gói ngắn nhà khoa học quan tâm Cụ thể, Polyanskiy cộng tiên phong việc tìm cơng thức xấp xỉ tốc độ mã hóa khối hữu hạn tối đa [8] Từ đó, đo hiệu suất truyền thơng gói ngắn với giá trị xấp xỉ gần Trong báo [9], Makki cộng đề xuất phương pháp tính gần cho hàm Q_function Phương pháp giúp việc tính tốn tỉ số lỗi khối dễ dàng Hay tác giả báo [10] cho thấy chiều dài khối thích hợp cho cơng suất Ergodic tối ưu tất kênh fading bán tĩnh Bên cạnh đó, mạng chuyển tiếp đời với ưu điểm giải pháp đầy hứa hẹn truyền thông vô tuyến [11], giải vấn đề khoảng cách hai thiết bị đầu cuối máy truyền máy phát q xa vượt ngồi khoảng cơng suất truyền khả dụng máy phát máy phát truyền tăng công suất phát lớn ảnh hưởng can nhiễu lớn lên người dùng khác hệ thống [12-14] Nhiệm vụ nút chuyển tiếp thu thập tín hiệu từ nút trước nó, sau xử lý chuyển tiếp tín hiệu đến nút đến tín hiệu đến đích Về bản, có hai kỹ thuật xử lý tín hiệu dùng nút chuyển tiếp khuếch đại chuyển tiếp (AF) [15-17] giải mã chuyển tiếp (DF) [18-20] Các kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng rộng rãi mạng thông tin vô tuyến mạng thông tin di động tế bào, ad-hoc di động [21, 22], mạng cảm biến không dây [23] Gần đây, nhà khoa học bắt đầu quan tâm đến việc áp dụng mạng chuyển tiếp vào truyền thơng sử dụng gói tin ngắn nhằm nâng cao hiệu hệ thống đáp ứng yêu cầu dịch vụ cho mạng 5G Cụ thể, tác giả [24] xem xét giao thức chuyển tiếp độ lợi kênh đường truyền trực tiếp đường truyền có nút chuyển tiếp tổng hợp máy thu theo giả định trạng thái thơng tin kênh truyền hồn hảo Hay báo [25], tác giả đề xuất phương pháp “OccupyCoW” nhằm đáp ứng yêu cầu độ tin cậy độ trễ cao thông qua mạng truyền thông hợp tác Trong báo [26], Yulin Hu cộng nghiên cứu hiệu suất chuyển tiếp thông qua kênh Rayleigh bán tĩnh giả định chiều dài khối hữu hạn (FBL) Một cách bản, báo chủ yếu xem xét hai kịch chuyển tiếp bối cảnh FBL bao gồm kỹ thuật AF [27] DF [28] Bên cạnh đó, [29], tác giả chứng minh vượt trội hiệu hệ thống sử dụng kỹ thuật chọn lựa nút chuyển Tác giả liên hệ: Nguyễn Thị Yến Linh Email:linhnty.ncs@hcmute.edu.vn Đến tòa soạn: 10/2020; chỉnh sửa: 11/2020; chấp nhận đăng: 11/2020 SỐ 04A (CS.01) 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 53 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP TỪNG PHẦN VỚI ĐA ANTEN THU TRONG TRUYỀN THƠNG GĨI TIN NGẮN tiếp phần (PRS) giao thức tỉ số kết hợp cực đại (MRC) thiết kế hệ thống với gói tin dài Kế thừa kết nghiên cứu đề xuất hướng giải mơ hình truyền thơng gói ngắn, báo trước tiên tập trung vào mạng chuyển tiếp hai chặng DF truyền thơng gói ngắn, kỹ thuật PRS sử dụng để truyền tín hiệu nút chuyển tiếp Với mục tiêu tăng độ tin cậy độ lợi phổ, áp dụng giao thức MRC cho thiết kế đa anten điểm đích Tiếp đến, chúng tơi đưa biểu thức dạng xác xấp xỉ tỉ số lỗi khối (BLER) thông qua kênh fading Rayleigh Cuối cùng, mô Monte Carlo thực để kiểm chứng kết lý thuyết qua chứng minh ưu điểm hiệu mơ hình hệ thống mà chúng tơi đề xuất Phần cịn lại báo trình bày sau Phần II trình bày mơ hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng với đa nút chuyển tiếp đa anten thu máy thu Phương pháp phân tích theo mơ hình đề xuất để đánh giá chất lượng hệ thống với thông số tỉ lệ lỗi khối với hai dạng xác xấp xỉ chứng minh Phần III Phần IV, tiến hành mô MonteCarlo để kiểm chứng lại kết lý thuyết phần III Cuối phần kết luận báo II tập N nút chuyển tiếp, có nút chuyển tiếp có tỷ số nhiễu tín hiệu cao (SNR) chọn để chuyển tiếp tín hiệu nhận đến đích kỹ thuật giải mã chuyển tiếp (DF) Gọi R b nút chuyển tiếp chọn N nút chuyển tiếp [30, 31], có b = arg max SR n , (1) n =1, , N với SR n tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) từ S → R n Ở đây, SR n tuân theo phân bố mũ có giá trị trung bình SR = PS SR n (2) , N0 n với PS công suất nguồn S , SR n độ lợi kênh trung bình cho đường truyền từ S → R n N công suất nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN) nút đích Giả định kênh truyền nguồn đích kênh fading Rayleigh bán tĩnh [32] kênh truyền từ S → R n R b → Dm kênh truyền fading Rayleigh độc lập đồng dạng (i.i.d) Khi chặng 1, SNR trung bình nhánh SR n SR , nghĩa SR = SR Dựa vào phép khai triển nhị thức [33], MƠ HÌNH HỆ THỐNG n hàm phân phối tích lũy (CDF) SR b đưa sau R1 M F SR Rb RN User BTS Hình Mạng chuyển tiếp hai chặng với user (nút nguồn), đa nút chuyển tiếp trạm BTS (nút đích) truyền thơng gói tin ngắn Trong báo này, xét mạng hai chặng bao gồm user (đóng vai trị nguồn ( S ) ) có anten, N user (đóng vai trị nút chuyển tiếp) sử dụng anten ( R n n = 1, N ( D ) ) có ) trạm thu (BTS) ( đóng vai trị nguồn thu ( M anten Dm m = 1, M ) Hình Giả định khoảng cách nút nguồn đích lớn, S truyền tín hiệu đến khoảng cách xa khơng có đường truyền trực tiếp nguồn ( S ) đích ( D ) thực tế khoảng cách xa tín hiệu từ nguồn phát đến nguồn thu yếu Quá trình truyền tin từ nút nguồn nút đích thực hai khe thời gian liên tiếp thông qua trợ giúp nút chuyển tiếp Trong khe thời gian đầu tiên, nút nguồn truyền tín hiệu tới tất nút chuyển tiếp Tại khe thời gian này, kỹ thuật PRS sử dụng cho b N ( ) = 1 − exp − SR N n n −1 N = ( −1) 1 − exp − n n =1 SR (3) Trong khe thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp tốt R b sử dụng kỹ thuật DF giải mã thành cơng tín hiệu nhận để truyền tín hiệu đến đích Tại nút đích, giao thức MRC sử dụng nhằm cải thiện độ phân tập không gian hệ thống Do đó, SNR tín hiệu thu tăng tuyến tính với số lượng nhánh phân tập xác định sau M R D = R D , b m =1 b (4) m với R b Dm tỉ số tín hiệu nhiễu nhận Dm Do giả sử kênh truyền từ R b → Dm kênh truyền độc lập đồng dạng (i.i.d.), có R b Dm = R b D Chúng ta thấy hk có phân bố mũ nên R b Dm có phân bố chi bình phương với kỳ vọng M R b D phương sai 2M R b D Trong trường hợp này, hàm CDF R b D thu sau Giá trị n = 1, N m = 1, M sử dụng xuyên suốt báo SỐ 04A (CS.01) 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 54 Nguyễn Thị Yến Linh, Ngơ Hồng Tú, Võ Nguyễn Quốc Bảo N SR v k ( −1) b n −1 n =1 N = v k ( −1) n −1 n =1 n N H 1 − exp − n L SR d SR N ( H − L ) + n n n exp − H SR F R D b (5) III ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG Trong phần này, sử dụng thông số tỉ lệ lỗi khối để đánh giá hiệu hệ thống sử dụng giao thức PRS MRC chế độ FBL C ( ) − r X Z ( ) , với V ( X ) / k Q X L 1 Z ( X ) = − v k ( X − ) L X H , 2 X L A TỈ LỆ LỖI KHỐI DẠNG CHÍNH XÁC Chúng giả sử tổng độ dài khối truyền k , có hai khe thời gian nên khối tin chia làm hai k khối có chiều dài Khi S truyền bit thông tin đến D qua hai khe thời gian tốc độ mã hóa hệ thống xác định (6) X 2 − 1 L = − 2v k 2r , = 2r − 1, H = + (9) 2v k Bằng cách thay (9) vào (8), có X Z ( X ) f ( ) d = Z ( X ) dF ( ) X X = = Z ( X ) F X ( ) − F ( ) dZ ( X ) (10) = 0 X Như nghiên cứu truyền thơng gói tin ngắn [34], với chiều dài khối k 100 tỉ lệ lỗi khối BLER xấp xỉ [32, CT (59)] [35, CT (4)] sau C ( ) − r X V ( X ) / k X Q với v = 2 r= k (11) lấy xấp xỉ hàm Q (.) [34, CT (14)], m −1 M R b D ( ) = − exp − R b D m=1 ( m − 1)! nL − exp − SR , (7) với X tốc độ lỗi khối trung bình, X SR b , R bD, C ( X ) = log (1 + X ) dung lượng kênh Shannon, V ( X ) = 1 − (1 + )2 X ( log e ) độ phân tán kênh function với Q ( x ) = t2 exp − dt 2 x =v k H F ( ) d L X Thay (3) vào (10), ta tốc độ lỗi khối cho khe thời gian thứ (11) Đối với khe thời gian thứ hai, ta thực tương tự Thay (5) vào (10), tỉ số lỗi khối BLER khe thời gian , ) hàm thứ hai đưa (12), ( gg Gamma khơng hồn thành với ( m, x ) = t m −1 exp ( −t ) dt xác định [33] x toán tử kỳ vọng Q (.) hàm Qtruyền [8], Từ (7), BLER viết lại sau C ( ) − r X V ( X ) / k X Q f ( ) d , X (8) với fX ( x ) hàm mật độ phân phối biến ngẫu nhiên X C ( ) − r X nên khó để Do phức tạp hàm Q V ( X ) / k tìm biểu thức dạng đóng cho cơng thức (8) Do đó, SỐ 04A (CS.01) 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 55 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP TỪNG PHẦN VỚI ĐA ANTEN THU TRONG TRUYỀN THƠNG GĨI TIN NGẮN R D b H v k 1 − exp − R D L b m −1 M R b D m=1 ( m − 1)! H t= R bD R bD M t m−1 exp ( −t ) R b D dt d = v k 1 − m=1 ( m − 1)! L R bD M R b D H m, = v k H − L − R D m =1 ( m − 1)! b H Nếu nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật giải mã chuyển tiếp có lựa chọn (SDF) tốc độ lỗi khối BLER tồn trình (e2e) tính thơng qua (11) (12) sau e 2e( SDF ) = SR + (1 − SR ) R D b b (13) b Trong đó, nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật giải mã chuyển tiếp cố định (FDF) tốc độ lỗi khối BLER tồn trình e2e tính sau e2e( FDF ) = SR (1 − R D ) + (1 − SR ) R D b b b b (14) Tiếp theo, chúng tơi trình bày dạng xấp xỉ tỉ lệ lỗi khối để có đánh giá khách quan hiệu hệ thống mức SNR trung bình cao Dạng xấp xỉ xem đường giới hạn (upper bound) cho giá trị tỉ lệ lỗi khối tăng SNR trung bình tiến vơ Điều có nghĩa tỉ lệ lỗi khối tồn trình hệ thống đạt giá trị nhỏ giá trị đường giới hạn cho dù có tăng SNR trung bình Mặt khác, điều mà mong muốn tỉ lệ lỗi khối nhỏ hiệu hệ thống cải thiện Áp dụng vô bé tương đương x → cho hàm − exp ( − x ) khai triển Maclaurin cho hàm exp ( − x ) [36] sau − exp ( − x ) : x exp ( − x ) i ( −1) i =0 (15) xi + O x , i! (16) với số bậc khai triển O x phần dư Peano khai triển Maclaurin [37] Như vậy, thay (15) vào (10), biểu thức dạng xấp xỉ tỉ lệ lỗi khối BLER khe thời gian sau SOÁ 04A (CS.01) 2020 H N v k HN +1 − LN +1 d = N N +1 SR L SR (17) %SR v k b Trong khe thời gian thứ hai, cần xem xét bậc phân tập hệ thống Như biết, bậc phân tập tối đa hệ thống có M anten M bậc phân tập với M , hệ thống cho đạt bậc phân tập đầy đủ [37] Trong trường hợp này, áp dụng (16) vào (5), sau thay vào (10), tỉ lệ lỗi khối BLER dạng xấp xỉ khe thời gian thứ hai tính (18) Mặt khác, ta dễ thấy giá trị tỉ lệ lỗi khối chặng SR b R b D nhỏ công suất nguồn phát B TỈ LỆ LỖI KHỐI DẠNG XẤP XỈ , m −1 i H M M M M −1 i ( −1)i i + m−1 d 1 − ( ) d = v k 1 − m −1 m=1 ( m −1)! R D i =0 i! R D m=1 Rm−D1 ( m −1)! i =0 R b D i ! L L b b b M M ( −1)i Hi + m − Li + m = v k H − L − m−1 m−1 i + m m =1 R b D ( m − 1)! i = R b D i ! (18) %R D v k b − m, L R D b (12) lớn, nghĩa SR b R b D Do đó, ta có viết lại tỉ lệ lỗi khối tồn trình dạng xấp xỉ từ (13) (14) sau %e 2e ( SDF ) %e 2e ( FDF ) %SR + %R D b b (19) IV KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Trong phần này, sử dụng phương pháp mô Monte-Carlo phần mềm Matlab cho mơ hình đề xuất để kiểm chứng lại kết lý thuyết trình bày phần III [38] Đặc biệt, thảo luận đặc điểm hiệu hệ thống thông số thiết kế hệ thống tối ưu cho mơ hình mà chúng tơi đề xuất Các thông số sử dụng để thực mô số bit thông tin = 256 bit chiều dài khối m = 256 Để việc tính tốn đơn giản chúng tơi giả định tổng khoảng cách truyền chuẩn hóa với D = 10 Với giả định phân bổ vị trí nút chuyển tiếp nút nguồn nút đích, khoảng cách đường D truyền từ S → R n R b → D d1 = d2 = Hơn nữa, giả sử xem xét mơ hình suy hao đường truyền đơn giản [37] kênh truyền thực tế với − SR = R b D D = với = hệ số suy hao đường 2 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 56 Nguyễn Thị Yến Linh, Ngơ Hồng Tú, Võ Nguyễn Quốc Bảo P SNR trung N0 bình nguồn phân bổ lượng với P tổng lượng phân bổ Do N số nên hiểu tăng SNR có nghĩa ta tăng cơng suất phát nguồn cung cấp lượng Trong mơ hình này, chúng tơi giả sử hệ thống có phân bổ cơng suất đồng cho nút phát chặng, nghĩa P PS = PRb = truyền Mặt khác, gọi = Đầu tiên, so sánh tỉ lệ lỗi khối BLER tồn trình hai trường hợp sử dụng kỹ thuật giải mã chuyển tiếp cố định FDF kỹ thuật giải mã chuyển tiếp có chọn lọc SDF Tỉ lệ lỗi khối tồn trình BLER khảo sát hàm SNR trung bình với giả sử cố định số lượng nút chuyển tiếp N = số lượng anten máy thu M = Hình Hình Ảnh hưởng chiều dài khối tin k lên hiệu hệ thống với M = N = Tiếp theo, khảo sát tỉ lệ lỗi khối BLER hàm theo độ dài khối tin k Hình với giá trị SNR trung bình tăng 10, 15 20 dB Các giá trị N = M = sử dụng để mơ hình Một lần nữa, kết mơ hồn tồn trùng khớp với kết lý thuyết xác minh tính đắn phân tích lý thuyết chúng tơi Quan sát Hình 3, thấy tăng giá trị chiều dài khối tin k SNR trung bình hiệu hệ thống cải thiện đáng kể Hơn nữa, khảo sát chế độ FBL với k 100 dễ tính giới hạn hàm BLER tồn trình k → + lim BLERe2e = Điều có nghĩa khơng k→+ Hình So sánh BLER hai kỹ thuật SDF FDF Dễ thấy, kết mơ (Simulation) hồn tồn trùng khớp với kết lý thuyết (Analysis) kết đường xấp xỉ (Asymptotic) hội tụ với giá trị đường lý thuyết SNR trung bình cao, điều chứng minh kết phân tích lý thuyết chúng tơi phần III hồn tồn xác Từ Hình 2, dễ dàng nhận tỉ lệ lỗi khối sử dụng kỹ thuật giải mã chuyển tiếp cố định FDF nhỏ so với sử dụng kỹ thuật giải mã chuyển tiếp có chọn lọc SDF dải SNR trung bình thấp Hay nói cách khác, hiệu hệ thống sử dụng kỹ thuật FDF tốt so với kỹ thuật SDF dải giá trị SNR trung bình thấp, cụ thể 10 dB Hình Tuy nhiên, từ giá trị SNR trung bình cao 10 dB, hiệu suất hệ thống hai kỹ thuật Mặc dù, giá trị SNR trung bình cao, hiệu suất hệ thống hai kỹ thuật tương đương phủ nhận hiệu suất kỹ thuật FDF tốt so với kỹ thuật SDF tổng thể toàn dải SNR trung bình Do đó, chúng tơi sử dụng kỹ thuật FDF để mô cho tất khảo sát SỐ 04A (CS.01) 2020 tìm giá trị k tối ưu xác định hết làm phải lưu ý chiều dài khối tin k vừa đánh giá tăng tốt, mục tiêu truyền thơng gói ngắn độ dài khối ngắn độ trễ truyền giảm Do đó, phải cân nhắc hai tình ưu nhược điểm việc tăng giảm k , chọn giá trị k cụ thể phụ thuộc vào yêu cầu chất lượng dịch vụ cụ thể Ví dụ, dịch vụ thoại yêu cầu tỉ lệ lỗi khối tối đa 10−3 , giá trị k chọn ứng với trường hợp công suất phát 10, 15 20 dB khoảng 1000, 400 200 Tiếp theo, so sánh ảnh hưởng số lượng nút chuyển tiếp N số anten M lên hiệu hệ thống sử dụng kỹ thuật FDF qua Hình Chúng tơi lựa chọn giá trị N M cụ thể trường hợp so sánh sau: i) N = M = cho trường hợp N M ii) N = M = cho trường hợp N M iii) N = M = cho trường hợp N = M Hình cho thấy rõ tỉ lệ lỗi khối tồn trình gần với tổng tỉ lệ lỗi khối hai chặng trường hợp ii) iii) tương ứng với N M N = M Tuy nhiên, trường hợp i) với N M , tỉ lệ lỗi khối tồn trình gần tỉ lệ lỗi khối chặng từ S → R n Điều có nghĩa với số lượng N M cho trước với N M , cần thực tính tốn tỉ lệ lỗi khối chặng ước lượng hiệu tồn hệ thống TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 57 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP TỪNG PHẦN VỚI ĐA ANTEN THU TRONG TRUYỀN THƠNG GĨI TIN NGẮN Đóng góp giúp giảm thiểu khối lượng tính tốn phức tạp thơng số tỉ lệ lỗi khối chặng từ R b → Dm trường hợp triển khai thực tế có sẵn số lượng N M với N M Qua đó, thấy tầm quan trọng số lượng nút chuyển tiếp số lượng anten triển khai thiết kế hệ thống Hình Ảnh hưởng số lượng nút chuyển tiếp N lên hiệu hệ thống với M = Hình So sánh ảnh hưởng số lượng nút chuyển tiếp N số anten M lên hiệu hệ thống Do đó, Hình Hình 6, khảo sát riêng lẻ mức độ ảnh hưởng số lượng anten máy thu M số lượng nút chuyển tiếp N lên hiệu hệ thống Mục tiêu tìm thống số thiết kế tối ưu cho M N Một cách khách quan, hai hình, kết lý thuyết hồn tồn trùng khớp với kết mơ Điều lần cho thấy biểu thức phân tích chúng tơi phần III hồn tồn xác Cụ thể, Hình chúng tơi khảo sát BLER hàm theo số lượng anten máy thu M với giả sử cố định số lượng nút chuyển tiếp N = Từ Hình 5, thấy BLER giảm tăng SNR trung bình Ảnh hưởng giá trị M anten máy thu: i) M BLER giảm đáng kể hay nói cách khác hiệu hệ thống cải thiện đáng kể; ii) M BLER trì mức giá trị không đổi Mặt khác, thiết kế triển khai hệ thống, đương nhiên mong muốn triển khai hệ thống cho hiệu tốt mà lại thiết bị để tiết kiệm chi phí Do trường hợp này, M = thông số thiết kế tối ưu số lượng anten máy thu đảm bảo hai tiêu chí đề cập tối ưu hiệu tiết kiệm chi phí triển khai Tương tự, Hình 6, khảo sát BLER hàm theo số lượng nút chuyển tiếp N với giả sử cố định số lượng anten máy thu Chúng sử dụng giá trị tối ưu M = vừa tìm khảo sát Hình cho thiết kế thông số hệ thống Suy luận cách tương tự, có: i) với N hiệu hệ thống cải thiện đáng kể; ii) với N , BLER khơng cịn giảm Khi đó, giá trị số lượng nút chuyển tiếp N = chọn làm giá trị tối ưu cho thiết kế hệ thống Cuối cùng, sử dụng giá trị tối ưu N = M = khảo sát Hình Hình để khảo sát hiệu hệ thống Và đề cập, giá trị chiều dài khối k chọn cụ thể phù hợp với yêu cầu dịch vụ cụ thể Trong Hình này, chúng tơi khảo sát tỉ lệ lỗi khối BLER hàm theo SNR trung bình Hình Ảnh hưởng số lượng anten M lên hiệu hệ thống với N = SOÁ 04A (CS.01) 2020 ba trường hợp tượng trưng điển hình k k = 256 , k = 512 k = 1024 Trong Hình 7, thấy đường phân tích lý thuyết bao gồm đường BLER dạng xác dạng xấp xỉ hoàn toàn khớp với kết mô Hơn nữa, đường xấp xỉ hội tụ với đường phân tích lý thuyết đường mơ dải công suất phát cao cho thấy giá trị tỉ lệ lỗi khối đạt giá trị nhỏ giá trị đường xấp xỉ cho dù có tăng SNR trung bình Ngoài ra, dễ thấy SNR trung bình tăng BLER giảm tất trường hợp k , kết hợp với phân tích đường xấp xỉ vừa rồi, chúng TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 58 Nguyễn Thị Yến Linh, Ngơ Hồng Tú, Võ Nguyễn Quốc Bảo ta kết luận hiệu hệ thống luôn cải thiện tăng SNR trung bình ln khơng vượt giá trị đường giới hạn (đường xấp xỉ) Điều mong đợi Mặc dù tăng công suất phát làm cho hiệu hệ thống cải thiện không nên lạm dụng tăng cơng suất phát q lớn ảnh hưởng can nhiễu lớn lên người dùng khác hệ thống LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu hỗ trợ nghiên cứu viên Phòng thí nghiệm thơng tin vơ tuyến tài trợ Học Viện Cơng nghệ Bưu Chính Viễn Thơng mã số 07-HV-2020-RD_CB2 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P Nouri, Hirley Alves, and Matti Latva-aho., "On the performance of ultra-reliable decode and forward relaying under the finite blocklength," presented at the 2017 European Conference on Networks and Communications (EuCNC), 2017 [2] Petar Popovski, Cedomir Stefanovi, Jimmy J Nielsen, Elisabeth de Carvalho, Marko Angjelichinoski, Kasper F Trillingsgaard, and Alexandru-Sabin Bana, "Wireless access for ultra-reliable low-latency communication: Principles and building blocks," IEEE Network vol 32, no 2, pp 16-23, 2018 [3] Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito, "The internet of things: A survey," Computer networks, vol 54, no 15, pp 2787-2805, 2010 [4] E Dahlman, Gunnar Mildh, Stefan Parkvall, Janne Peisa, Joachim Sachs, Yngve Selén, and Johan Sköld, "5G wireless access: requirements and realization," IEEE Communications Magazine vol 52, no 12, pp 42-47, 2014 [5] S C a J Zhao, "The requirements, challenges, and technologies for 5G of terrestrial mobile telecommunication," IEEE Communications Magazine, vol 52, no 5, pp 36-43, 2014 [6] K Begum, and Sunanda Dixit, "Industrial WSN using IoT: A survey," in 2016 International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques (ICEEOT), 2016: IEEE [7] A Botta, et al., "Integration of cloud computing and internet of things: a survey," Future generation computer systems vol 56, pp 684700, 2016 [8] Y Polyanskiy, H V Poor, and S Verdú, "Channel coding rate in the finite blocklength regime," IEEE Transactions on Information Theory, vol 56, no 5, p 2307, 2010 [9] B Makki, T Svensson, and M Zorzi, "Finite block-length analysis of the incremental redundancy HARQ," IEEE Wireless Communications Letters, vol 3, no 5, pp 529532, 2014 [10] W Yang, G Durisi, T Koch, and Y Polyanskiy, "Quasi-static multiple-antenna fading channels at finite blocklength," IEEE Transactions on Information Theory, vol 60, no 7, pp 42324265, 2014 [11] A Nosratinia, Todd E Hunter, and Ahmadreza Hedayat., "Cooperative communication in wireless networks," IEEE communications Magazine, vol 42, no 10, pp 74-80, 2004 Hình Ảnh hưởng giá trị SNR trung bình lên hiệu hệ thống với M = N = V KẾT LUẬN Trong báo này, đề xuất mơ hình mạng giải mã chuyển tiếp DF hai chặng kết hợp sử dụng kỹ thuật PRS cho đa nút chuyển tiếp kỹ thuật MRC cho đa anten thiết kế nút đích Đặc biệt, chúng tơi tìm biểu thức tỉ lệ lỗi khối dạng xác xấp xỉ qua kênh truyền fading Rayleigh sử dụng mô Monte Carlo để kiểm chứng tính xác mơ hình đề xuất Các kết luận hệ thống sau i) Với cơng suất nguồn phát hiệu hệ thống FDF với SDF giá trị SNR trung bình cao, với dải SNR trung bình thấp hiệu hệ thống FDF tốt hệ thống áp dụng kỹ thuật SDF ii) Giá trị tối ưu số lượng nút chuyển tiếp số lượng anten máy thu tương ứng cho thiết kế hệ thống mơ hình mà chúng tơi đề xuất Ngồi ra, giả sử trường hợp triển khai thực tế có sẵn số lượng N M với N M , giảm thiểu khối lượng tính tốn phức tạp thơng số tỉ lệ lỗi khối tồn trình Tỉ lệ lỗi khối tồn trình trường hợp gần giá trị tỉ lệ lỗi khối chặng truyền có chứa N nút chuyển tiếp iii) Đối với chiều dài khối tin k , xác định k cụ thể trường hợp yêu cầu chất lượng dịch vụ cụ thể iv) Cuối tăng hiệu hệ thống cải thiện mong đợi Tuy nhiên, không nên lạm dụng tăng công suất phát lớn ảnh hưởng can nhiễu lớn lên người dùng khác hệ thống SOÁ 04A (CS.01) 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 59 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP TỪNG PHẦN VỚI ĐA ANTEN THU TRONG TRUYỀN THƠNG GĨI TIN NGẮN [12] P Zhang, et al, "Cooperative localization in 5G networks: A survey," Ict Express vol 3, no 1, pp 27-32, 2017 [13] E Ahmed, and Hamid Gharavi, "Cooperative vehicular networking: A survey," IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, vol 19, no 3, pp 996-1014, 2018 [14] [15] [16] [17] [18] [19] [23] K Cichoń, Adrian Kliks, and Hanna Bogucka, "Energy-efficient cooperative spectrum sensing: A survey," IEEE Communications Surveys & Tutorials vol 18, no 3, pp 1861-1886, 2016 T D Hieu, T T Duy, and S G Choi, "Performance evaluation of relay selection schemes in beacon-assisted dual-hop cognitive radio wireless sensor networks under impact of hardware noises," Sensors, vol 18, no 6, p 1843, 2018 [24] S Dang, et al., "OFDM-IM based dual-hop system using fixed-gain amplify-and-forward relay with pre-processing capability," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 18, no 4, pp 2259-2270, 2019 Y Hu, James Gross, and Anke Schmeink, "On the Performance Advantage of Relaying Under the Finite Blocklength Regime," IEEE Communications Letters vol 19, no 5, pp 779782, 2015 [25] Nhu Tri Do, Daniel Benevides da Costa, Trung Q Duong, Vo Nguyen Quoc Bao, and Beongku An, "Opportunistic scheduling for fixed-gain amplify-and-forward-based multiuser multirelay SWIPT cooperative networks," presented at the 2017 International Conference on Recent Advances in Signal Processing, Telecommunications & Computing (SigTelCom), 2017 V N Swamy, Sahaana Suri, Paul Rigge, Matthew Weiner, Gireeja Ranade, Anant Sahai and Borivoje Nikoli, "Cooperative communication for high-reliability low-latency wireless control," presented at the 2015 IEEE International Conference on Communications (ICC), 2015 [26] Y Hu, Anke Schmeink, and James Gross, "Blocklength-limited performance of relaying under quasi-static Rayleigh channels," IEEE Transactions on Wireless Communications vol 15, no 7, pp 4548-4558, 2016 [27] Y Gu, H Chen, Y Li, L Song, and B Vucetic, "Short-Packet Two-Way Amplify-and-Forward Relaying," IEEE Signal Processing Letters, vol 25, no 2, pp 263-267, 2018 [28] O L A López, R D Souza, H Alves, and E M G Fernández, "Ultra reliable short message relaying with wireless power transfer," in 2017 IEEE International Conference on Communications (ICC), 2017, pp 1-6: IEEE [29] V N Q Bao, D H Bac, L Q Cuong, L Q Phu, and T D Thuan, "Performance analysis of partial relay selection with multi-antenna destination cooperation," presented at the ICTC 2011, 2011, September [30] Ioannis Krikidis, John Thompson, Steve McLaughlin, and Norbert Goertz, "Amplify-andforward with partial relay selection," IEEE Communications letters, vol 12, no 4, pp 235237, 2008 [31] V N Q Bao and H Y Kon, "Diversity order analysis of dual-hop relaying with partial relay selection," IEICE transactions on communications, vol 92, no 12, pp 3942-3946, 2009 [32] W Yang, G Durisi, T Koch, and Y Polyanskiy, "Quasi-static multipleantenna fading channels at finite blocklength," IEEE Transactions on Information Theory, vol 60, no 7, p 4232, 2014 [33] I S Gradshteyn, and I M Ryzhik, Table of Integrals, Series, and Products, 7th ed 2007 [34] B Makki, T Svensson, and Z Michele, "Finite Block-Length Analysis of the Incremental Redundancy HARQ," IEEE Wireless Commun Lett., vol 3, no 5, pp 529-532, Oct 2014 T Q Duong, Daniel Benevides da Costa, Maged Elkashlan, and Vo Nguyen Quoc Bao, "Cognitive amplify-and-forward relay networks over Nakagami-m fading," IEEE Transactions on Vehicular Technology vol 61, no 5, pp 23682374, 2012 Dac-Binh Ha, Tung Thanh Vu, Tran Trung Duy, and Vo Nguyen Quoc Bao, "Secure cognitive reactive decode-and-forward relay networks: With and without eavesdropper," Wireless Personal Communications vol 85, no 4, pp 2619-2641, 2015 N A Tuan, Vo Nguyen Quoc Bao, and Truong Trung Kien, "Performance Analysis of Energy Harvesting Two-Way Decode-and-Forward Relay Networks with Power Beacon over Nakagami-m Fading Channels," presented at the 2018 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), 2018 [20] Y Lu, and Wai Ho Mow, "Low-complexity Detection and Performance Analysis for Decodeand-forward Relay Networks," presented at the ICASSP 2019-2019 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), 2019 [21] B An, Tran Trung Duy, and Hyung-Yun Kong, "A cooperative transmission strategy using entropy-based relay selection in mobile ad-hoc wireless sensor networks with Rayleigh fading environments," KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS), vol 3, no 2, pp 147-162, 2009 [22] Communication, Control and Automation (3CA), 2010, vol 1, pp 22-25: IEEE B An and T T Duy, "A cooperative routing in mobile ad-hoc wireless sensor networks with Rayleigh fading environments," in 2010 International Symposium on Computer, SỐ 04A (CS.01) 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 60 Nguyễn Thị Yến Linh, Ngơ Hồng Tú, Võ Nguyễn Quốc Bảo [35] Yuehua Yu, He Chen , Yonghui Li, Zhiguo Ding , and Branka Vucetic, "On the Performance of Non-Orthogonal Multiple Access in Short-Packet Communications," IEEE Communications Letters, vol 22, no 3, pp 590-593, 2018 [36] G Strang and E P Herman, "Calculus: Volume OpenStax," 2018 [37] A Goldsmith, Wireless communications (Copyright by Cambridge University Press) Stanford University, 2005 [38] V N Q Bao, Mô hệ thống truyền thông Hà Nội: Nhà xuất khoa học kỹ thuật, p 267 BLOCK ERROR RATE ANALYSIS OF DUAL-HOP NETWORK WITH MULTIPLE RELAYS AND MULTIPLE RECEIVED ANTENNAS UNDER SHORT PACKET COMMUNICATIONS Abstract— This research investigates the effect of dualhop decode-and-forward (DF) relay networks with a partial relay selection (PRS) strategy and maximal ratio combining (MRC) protocol under short packet communications, where the destination’s M-antenna is designed For performance evaluation and comparison, we derive the exact and asymptotic closed-form expressions of block error rate (BLER) over Rayleigh fading channel Eventually, we perform Monte Carlo simulations to verify our theoretical results and figure out the optimal value of relay numbers and antenna numbers as well as demonstrate the advantages of our proposed system model gồm: vô tuyến nhận thức, truyền thông hợp tác, đa truy nhập không trực giao truyền thơng gói tin ngắn Võ Nguyễn Quốc Bảo tốt nghiệp Tiến sĩ chuyên ngành vô tuyến Đại học Ulsan, Hàn Quốc vào năm 2010 Hiện nay, TS Bảo phó giáo sư Bộ Mơn Vơ Tuyến, Khoa Viễn Thơng 2, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Cơ Sở Thành Phố Hồ Chí Minh đồng thời giám đốc phịng thí nghiệm nghiên cứu vơ tuyến (WCOMM) TS Bảo thành viên chủ chốt (senior member) IEEE tổng biên tập kỹ thuật tạp chí REV Journal on Electronics and Communication TS Bảo đồng thời biên tập viên (editor) nhiều tạp chí khoa học chuyên ngành uy tín ngồi nước, ví dụ: Transactions on Emerging Telecommunications Technologies (Wiley ETT), VNU Journal of Computer Science and Communication Engineering TS Bảo tham gia tổ chức nhiều hội nghị quốc gia quốc tế, ví dụ: ATC (2013, 2014), NAFOSTED-NICS (2014, 2015, 2016), REV-ECIT 2015, ComManTel (2014, 2015), SigComTel 2017 Hướng nghiên cứu quan tâm bao gồm: vô tuyến nhận thức, truyền thông hợp tác, truyền song công, bảo mật lớp vật lý thu thập lượng vô tuyến Keywords—Block error rate, dual-hop network, partial relay selection, maximal ratio combining, short packet communications Nguyễn Thị Yến Linh giảng viên thuộc Khoa Cơ Bản 2, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Cơ Sở Thành Phố Hồ Chí Minh, nhận Thạc sĩ vào năm 2008 Trường Khoa Học Tự Nhiên TP HCM Hiện nay, ThS Linh tham gia nhóm nghiên cứu phịng thí nghiệm thơng tin vơ tuyến (WCOMM) Hướng nghiên cứu như: Mạng ngẫu nhiên, thu thập lượng vô tuyến, bảo mật lớp vật lý Ngơ Hồng Tú tốt nghiệp kỹ sư chun ngành Truyền thơng mạng máy tính Đại học Giao Thơng Vận Tải thành phố Hồ Chí Minh vào năm 2020 Hiện nay, Ngơ Hồng Tú giảng viên mơn Kỹ thuật máy tính, Khoa Cơng nghệ thơng tin, trường Đại học Giao Thông Vận Tải thành phố Hồ Chí Minh Hướng nghiên cứu quan tâm bao SỐ 04A (CS.01) 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 61 ...ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP TỪNG PHẦN VỚI ĐA ANTEN THU TRONG TRUYỀN THƠNG GĨI TIN NGẮN tiếp phần (PRS) giao thức tỉ số kết hợp cực đại (MRC) thiết kế hệ thống với gói tin dài... (CS.01) 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 55 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP TỪNG PHẦN VỚI ĐA ANTEN THU TRONG TRUYỀN THƠNG GĨI TIN NGẮN R D b H v k 1... (CS.01) 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 59 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP TỪNG PHẦN VỚI ĐA ANTEN THU TRONG TRUYỀN THƠNG GĨI TIN NGẮN [12] P Zhang, et al, "Cooperative