Nghiên cứu giao thức aloha và các kế hoạch phân bổ năng lượng trong mạng truyền thông hợp tác

621.382 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập thực đồ án tốt nghiệp này, em nhận nhiều giúp đỡ từ Ban giám hiệu Nhà trường, từ thầy cô Khoa Điện tử Viễn thơng Em xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành giúp đỡ Đặc biệt, em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến ThS Lê Thị Kiều Nga trực tiếp hướng dẫn bảo cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp Cuối cùng, lời cảm ơn chân thành tới người thân toàn thể bạn bè giúp đỡ, động viên em suốt thời gian học tập thực đồ án tốt nghiệp Em xin chúc thầy cơ, anh chị tồn thể bạn bè sức khỏe dồi dào, đạt nhiều thành công công việc, học tập nghiên cứu Nghệ An, tháng 01 năm 2015 Sinh viên thực hiên Phan Thị Yến i LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần hệ thống đa anten MIMO trở thành chủ đề thu hút nhiều tổ chức nghiên cứu toàn cầu Hệ thống MIMO có nhiều triển vọng hệ thống thông tin di động hệ sau ngày nghiên cứu theo xu hướng cho phép điện thoại di động anten chia sẻ anten để hình thành hệ thống đa anten ảo Với mục đích tìm hiểu sâu việc ứng dụng hệ thống MIMO ảo mạng truyền thông không dây, em lựa chọn đề tài “Nghiên cứu giao thức ALOHA kế hoạch phân bổ lượng mạng truyền thông hợp tác” Nội dung tìm hiểu đồ án gồm chương: Chương trình bày tổng quan trình phát triển thông tin di động từ hệ 1G lên hệ 4G; tìm hiểu tác động kênh truyền kiến thức hệ thống MIMO; Chương nghiên cứu kế hoạch hợp tác tín hiệu để truyền tín hiệu từ nguồn tới đích thơng qua node hợp tác mạng hợp tác; giao thức ALOHA cổ điển, đánh giá thông lượng ALOHA túy ALOHA phân khe Chương nghiên cứu, phân tích kết nhà khoa học kế hoạch cấp phát lượng mạng truyền thơng hợp tác ii TĨM TẮT ĐỒ ÁN Trong mạng không dây, hệ thống đa người sử dụng tượng gây thay đổi kênh sử dụng khác Chuyển tiếp hợp tác cung cấp hình thức đa truy nhập Đồ án thể cách ứng dụng song song hai nguồn khác phương thức không tập trung dẫn tới việc tăng thơng lượng mạng mạng cảm biến không dây Để khai thác điều này, đồ án đề xuất tập hợp giao thức gọi CAAC Các kế hoạch phân bổ lượng CAAC xem xét bao gồm công suất không đổi, tốc độ ổn định, tốc độ thay đổi cách tối ưu Trong trường hợp, phạm vi mở rộng tốc độ đạt Chiến lược truyền dẫn chuyển tiếp nguồn tối ưu tìm kế hoạch cho thấy thông lượng tổng cộng hệ thống cải thiện đáng kể ABSTRACT In a wireless network, multiuser diversity is a phenonmenon caused by channel variations among different users Cooperative relaying provides new multipe access form This thesis shows how the simultaneous application of these two sources of diversity in a decentralized manner can lead to significant throughput imorovement in sensor networks To exploit this synergy thesis propose a family of protocols termed Channel Aware Aloha with Cooperation (CAAC) Different power allocation schemes for CAAC are considered, including Constant Power, Fixed Rate, and Optimal Variable Rate In each case will derive the scaling behavior of the achievable rate The optimal source and relay transmission strategies are found under each scheme and show that the overall system performance is significantly improved iii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i LỜI NÓI ĐẦU ii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC VIẾT TẮT vii DANH MỤC KÍ TỰ ix CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển thông tin di động 1.1.1 Thế hệ thứ 1G 1.1.2 Thế hệ 2G 1.1.3 Thế hệ 2.5G 1.1.4 Thế hệ 3G .3 1.1.5 Thế hệ 4G .4 1.2 Những tồn khó khăn kỹ thuật lĩnh vực thơng tin di động .4 1.3 Môi trường vô tuyến thông tin di động 1.3.1 Sự suy giảm 1.3.2 Suy hao không gian tự .5 1.3.3 Fading .6 1.4 Tổng quan hệ thống MIMO 1.4.1 Khái niệm .8 1.4.2 Các kỹ thuật phân tập 10 1.4.3 Ưu khuyết điểm kỹ thuật MIMO .12 1.5 Tổng kết chương .12 2.1 Tổng quan .13 2.2 Truyền thông hợp tác 13 2.3 Kế hoạch hợp tác tín hiệu .15 2.3.1 Phát chuyển tiếp 15 2.3.2 Khuếch đại chuyển tiếp 15 iv 2.3.3 Hợp tác để mã hóa 16 2.4 Hợp tác đa người dùng mạng không dây 16 2.5 Giao thức truy cập ngẫu nhiên ALOHA 20 2.6 Tổng kết chương .23 CHƯƠNG KẾ HOẠCH CẤP PHÁT NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 24 3.1 Tổng quan .24 3.2 Xây dựng vấn đề mơ hình 24 3.2.1 Mơ hình mạng .25 3.2.2 Mô tả giao thức CAAC xây dựng toán tối ưu 28 3.3 Cơ hội hợp tác 30 3.3.1 CAAC-CP 30 3.3.2 CAAC-FR 33 3.3.3 CAAC-OVR 36 3.3.4 CAAC với hạn chế công suất ngắn hạn .38 3.4 Kết tính tốn mơ 40 3.4.1 Mô .40 3.4.2 So sánh với CAA 43 3.4.3 Phạm vi mở rộng 44 3.5 Tổng kết chương .45 KẾT LUẬN .46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tổng quan hệ thống MIMO Hình 2.1 Truyền dẫn hợp tác hai người sử dụng .15 Hình 2.2 Hệ thống truyền thơng hợp tác đơn giản 16 Hình 2.3 Hoạt động giao thức ALOHA .21 Hình 2.4 Hoạt động giao thức ALOHA phân khe .22 Hình 2.5 Thơng lượng chuẩn hóa ALOHA ALOHA phân khe 23 Hình 3.1 Kế hoạch CAA CAAC 29 Hình 3.2 Thơng lượng mạng với xác suất nguồn phát cho 100 node 41 Hình 3.3 Thông lượng mạng với xác suất chuyển tiếp cho 100 node 42 Hình 3.4 Hiệu việc lựa chọn thời gian cho giai đoạn A để thời gian truyền tổng cộng thông lượng mạng 43 Hình 3.5 a, Thơng lượng với số lượng node b, Xác suất chuyển tiếp nguồn phát với số lượng node 44 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 45 vi DANH MỤC VIẾT TẮT Tiếng Anh Tiếng Việt AMPS Advance Mobie Phone Service Dịch vụ điện thoại tiên tiến 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 Aloha with Kênh Aloha với hợp tác Cooperation CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CP Constant Power Công suất không đổi CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh EDGE Enhancel General Packet Radio Dịch vụ vô tuyến tổng hợp nâng cao Service FDMA Frequency Division Multiplex Đa truy nhập phân chia theo tần số Access FR Fixed Rate Tốc độ cố định GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp GSM Global System For Mobile Hệ thống thông tin di động tồn cầu Communicaton IS-95 Tiêu chuẩn thơng tin di động CDMA Interim Standard 95 Mĩ 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 NMT Nordic Mobile Telephone Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplex trực giao Optimal Variable Rate Tốc độ thay đổi tối ưu OVR vii PDC Personal Digital Cell Hệ thống tổ ong cá nhân 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 TACS Total Access Communication Hệ thống truyền thông truy cập hồn System tồn Time Division Duplex Ghép song cơng phân chia theo thời TDD gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian Đa truy nhập phân chia theo mã WCDMA Wideband Code Division WLAN Multiple Access băng rộng Wireless Local Area Network Mạng cục khơng dây viii DANH MỤC KÍ TỰ 𝑃𝑠 𝑥𝑖 (𝑚) 𝐿 𝑃𝑖 (𝑚) Xác suất nguồn hoạt động Thông điệp truyền thời điểm m Chiều dài gói tin Công suất truyền node i thời gian m ℎ𝑖𝑗 Kênh fading trễ nhỏ node i j 𝑟𝑖𝑗 Khoảng cách node i j 𝛾𝑖𝑗 Độ rộng kênh node i j 𝛼 Yếu tố suy hao ℂ𝑖 Vùng hợp tác thứ i ℎ Độ cao điểm truy cập 𝔼[… ] Giá trị mong muốn 𝑁 Số lượng node mạng 𝐻𝑖𝑗 Độ lợi kênh nguồn i j 𝐺𝑘𝑑 Độ lợi kênh trễ k đích j 𝑧𝑗 (𝑘 ) Nhiễu node j thời gian k 𝑍𝑗 Công suất nhiễu node j 𝑃̅1 Công suất hạn chế trung bình giai đoạn A CAAC 𝑃̅2 Cơng suất hạn chế trung bình giai đoạn B CAAC ℕℂ(𝑗) Xét cho trường hợp khơng có va chạm xảy node j 𝑅 (… ) Hàm tỷ lệ CAAC (VD: hàm tỷ lệ logarit) 𝑅𝐷 (𝛾𝑖 ) Thông lượng truyền trực tiếp giai đoạn A CAAC 𝛷 Tổng công suất nhận giai đoạn hợp tác đích 𝑅𝐶 (𝛷) Thơng lượng truyền hợp tác giai đoạn B CAAC 𝑃𝑟𝑠 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 𝐾 Xác suất nguồn truyền CAAC Xác suất chuyển tiếp CAAC Số node chuyển tiếp giải mã thành công CAAC ix CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển thông tin di động Mạng thơng tin di động có ưu điểm mà mạng có dây khơng có tính lưu động, nơi có địa hình phức tạp, khơng gian… Vì người không ngừng nghiên cứu để cải tiến mạng di động ngày, từ mạng 2G lên 2.5G; 3G; 4G; xây dựng mơ hình mạng WIFI, WIMAX Trong hệ giải pháp đưa FDMA, TDMA, CDMA, OFDM, MIMO… Mỗi giải pháp có ưu điểm so với giải pháp cũ phát triển theo xu hướng nâng cao tốc độ liệu, nâng cao chất lượng tín hiệu, mở rộng băng thơng chất lượng dịch vụ… 1.1.1 Thế hệ thứ 1G Thông tin di động hệ thứ phát triển vào năm cuối thập niên 70, sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiplex Access Một số đặc điểm hệ là: dung lượng thấp, số lượng dịch vụ không nhiều, chất lượng kém, cung cấp dịch vụ thoại… Điển hình số hệ thống như: - AMPS (Advance Mobie Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến - TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thơng tin truy nhập tồn - NMT 450 (Nordic Mobile Telephone 450): Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 450 Mhz - NMT 900: Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 900 Mhz - NTT (Nipon Telegrap and Telephone): Do Nhật Bản nghiên cứu sử dụng Thông lượng tổng cộng cho giai đoạn là: 𝔼[𝜇(𝑃𝑟𝑠 , 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 , 𝑁)] = (𝑁𝑃𝑟𝑠 (1 − 𝑃𝑟𝑠 )𝑁−1 )𝑅(𝑃𝑟 ) + 𝔼𝛷 [𝑅𝐶𝐶𝑃 (𝛷)] Trong đó: 𝔼𝛷 [𝑅𝐶𝐶𝑃 (𝛷)] đại diện cho truyền thông hợp tác trường hợp tốc độ cố định Trong giai đoạn A lượng truyền bị giới hạn trên, 𝑃𝑡1 = 𝑃̅1 ∞1 𝐻𝑖𝑑 ∫ℎ 𝑓𝐻 (ℎ)𝑑ℎ 𝑠ℎ 𝑃𝑟 𝐻𝑖𝑑 ≤ Do đó, xác suất giải mã lỗi node j có node i truyền với lượng tối đa 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 = 𝑃𝑟(ℕℂ(𝑗))𝑃𝑟 (𝑃𝑡1 𝐻𝑖𝑗 > 𝛾|ℕℂ(𝑗)) = 𝑃𝑟(ℕℂ(𝑗))𝑃𝑟 ( 𝑃̅1 ∞1 𝐻𝑖𝑑 ∫ℎ 𝑓𝐻 (ℎ)𝑑ℎ 𝑠ℎ 𝐻𝑖𝑗 > 𝛾) (3.14) Xét điều kiện đặc biệt có Fading Rayleigh, ta có biểu thức cho xác suất giải mã Trong trường hợp ta có: 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 = 𝑃𝑟(ℕℂ(𝑗))𝑃𝑟 (𝐻𝑖𝑗 ≥ 𝑁𝑃𝑟𝑠 (1 − 𝐴 ∞ ℎ ) = 𝑃𝑟(ℕℂ(𝑗)) ∫ℎ 𝐹̅𝐻 ( 𝑖𝑑) 𝑓𝐻 (ℎ𝑖𝑑 )𝑑ℎ𝑖𝑑 = ℎ − 𝑖𝑑 ℎ 𝑃̅1 ∞ 𝑓𝐻 (ℎ) 𝛾 ∫ℎ 𝑑ℎ 𝑠 ℎ 𝐴 𝐴+1 𝑒 𝐴 𝑠 ∞ − 𝑖𝑑 𝑒 ℎ0 𝑃𝑟𝑠 )𝑁−1 ∫ℎ 𝑒 ℎ0𝐴 ℎ0 𝑠 𝑁𝑃𝑟𝑠 (1 − 𝑃𝑟𝑠 )𝑁−1 𝐴 = 𝐻𝑖𝑑 −ℎ𝑠 ( 𝐴+1 ) ℎ0 𝐴 𝑑ℎ𝑖𝑑 = , Thông lượng hạn chế trực tiếp trường hợp 𝑁𝑃𝑟𝑠 (1 − 𝑃𝑟𝑠 )(𝑁−1) 𝑅(𝑃𝑟 ) Tối đa 𝑃𝑟𝑠∗ = 𝑁 𝑁 ⟶ ∞ gần 𝑅(𝑃𝑟 ) Từ giá trị 𝑒 xác suất truyền làm giảm xác suất va chạm node chuyển tiếp, giá trị tối ưu Ta xem xét hành mở rộng hành vi thông lượng 𝑁 ⟶ ∞ Hệ 3.3 Nếu 𝑁 ⟶ ∞, ta có 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 ⟶ 𝑁𝑒 Dẫn chứng: Tìm lim𝑁⟶∞ 𝐴 Với h >hs , ta viết 𝑓𝐻 (ℎ) ℎ < 𝑓𝐻 (ℎ) ℎ𝑠 Trong phụ lục I [5] chứng minh 𝑁 ⟶ ∞ hs tăng, ∞ 𝑓𝐻 (ℎ) ∫ℎ𝑠 ℎ 𝑑ℎ ⟶ 𝐹̅𝐻 (ℎ𝑠 ) ℎ𝑠 Do đó, ta có lim𝑁⟶∞ 𝐴 = 34 𝑃̅1 (ℎ) 𝑓 ∞ 𝛾 ∫ℎ ℎ 𝑑ℎ 𝑠 ℎ = 𝑃̅1 ℎ𝑠 𝛾𝑃𝑟𝑠 Thay xác suất truyền tối ưu, ℎ𝑠 = 𝐹̅𝐻−1 (𝑃𝑟𝑠 ) = ℎ0 log ( 𝑃𝑟𝑠 ) , cho trường hợp có Fading Rayleigh, ta rút 𝑁 ⟶ ∞, 𝐴 ⟶ ∞ Do đó, xác suất giải mã giới hạn Scales lim𝑁⟶∞ 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 = 𝑒 lim𝑁⟶∞ 𝐴 𝐴+1 Do đó, xác suất giải mã Prdec tỷ lệ với 𝑒 −ℎ𝑠 ( 𝑁 𝐴+1 ) ℎ0𝐴 = 𝑒 𝑒 ℎ − 𝑠 ℎ0 = 𝑒 𝑃𝑟𝑠 Tương tự CAAC-CP, số lượng node chuyển tiếp giải mã thành công K, theo phân bổ Binomial với 𝑃𝑟(𝐾 = 𝑐 ) = ( 𝑁−1−𝑐 𝑁−1 𝑐 ) ( ) (1 − ) 𝑁𝑒 𝑁𝑒 𝑐 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 node chuyển 𝑒 tiếp giải mã thành cơng! Do đó, só node chuyển tiếp giải mã thành công không tỷ lệ với số node mạng có thuật ngữ 𝑃𝑟(𝐾 = 𝑐 ) ảnh hưởng tới thông lượng giai đoạn hợp tác Bây giờ, ta đánh giá thông lượng giai đoạn hợp tác 𝔼𝛷 [𝑅𝐶𝐹𝑅 (𝛷)] trường hợp c node chuyển tiếp giải mã thông điệp thành công giai đoạn A Số lượng node chuyển tiếp thông điệp nhị thức thay đổi ngẫu nhiên Q, với phân bố 𝑐 𝑞 (𝑄 = 𝑞) = (𝑞 ) 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 (1 − 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 )𝑐−𝑞 Để q node chuyển tiếp gửi thơng điệp tới đích lượng tín hiệu nhận 𝑞 𝑞 𝑃𝑟𝐶 = ∑𝑖=1 𝑃𝑟,𝑠𝑖 = ∑𝑖=1 𝑃𝑡2 (𝐺𝑠𝑖 𝑑 )𝐺𝑠𝑖 𝑑 , (3.15) Trong 𝑃𝑟,𝑠𝑖 đại diện cho lượng nhận từ node chuyển tiếp si đích 𝑃𝑟𝐶 lượng tổng cộng giai đoạn hợp tác đích Node chuyển tiếp dùng kênh đảo ngược để giữu tỷ lệ bít ổn định Do đó, cơng suất nguồn hạn chế trung bình cho node chuyển tiếp tương tự công suất hạn chế nguồn giai đoạn truyền trực tiếp ta có 𝑃𝑟,𝑠𝑖 ≤ 𝑃̅2 ∞ 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 ∫𝑔 𝑓𝐻 (𝑔)𝑑𝑔 𝑟𝑒𝑙 𝑔 với 1< i < q Năng lượng nhận tổng cộng giai đoạn hợp tác hạn chế 𝑃𝑟𝐶 ≤ 𝑞𝑃̅2 ∞ 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 ∫𝑔 𝑓𝐻 (𝑔)𝑑𝑔 𝑟𝑒𝑙𝑔 Dựa giả thiết phân bố anten gửi thơng điệp ta 35 biểu thị R(.) hàm lượng nhận đích viết giá trị mong chờ sau 𝔼𝛷 [𝑅𝐶𝐹𝑅 (𝛷)] = 𝑐 ∑𝑁−1 𝑐=1 𝑃𝑟 (𝐾 = 𝑐 ) ∑𝑞=1 𝑃𝑟 (𝑄 = 𝑞 ) 𝑅 ( 𝑞𝑃̅2 ∞ 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 ∫𝑔 𝑓𝐻 (𝑔)𝑑𝑔 𝑟𝑒𝑙𝑔 ) (3.16) Lấy biểu thức kín cho Prrel trường hợp thiết lập đạo hàm (3.16) Thay vào đó, ta đánh giá thơng lượng thực kết tính tốn Bằng trực giác, có node giải mã thơng điệp xác, hợp tác khơng làm tăng phân tập không gian Xác suất giải mã lớn tối đa xảy node chuyển tiếp giải mã thành cơng Pr(K=1) ≈ 0.25 , đại diện cho thông lượng bị so với truyền trực tiếp Tiếp theo giải băng thông thực giả thiết phân bố lượng tối ưu 3.3.3 CAAC – OVR Kế hoạch giả thiết node 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 node hàm trạng thái kênh Vấn đề giải [5] vấn đề tối ưu hóa, có “Water-filling” [11] phân bố cơng suất, biểu diễn ∞ max ∫ log(1 + 𝑃(ℎ𝑖𝑑 )ℎ𝑖𝑑 )𝑓𝐻 (ℎ𝑖𝑑 )𝑑ℎ𝑖𝑑 ℎ𝑠 ∞ Subject to ∫ℎ 𝑃(ℎ𝑖𝑑 )𝑓𝐻 (ℎ𝑖𝑑 )𝑑ℎ𝑖𝑑 = 𝑃̅1 𝑠 Ta sử dụng giải pháp cho vấn đề 𝑃𝑡1 (ℎ𝑖𝑑 ) = ( 𝜆𝑝 𝜆𝑝 = 𝑃𝑟𝑠 (ℎ) 𝑑ℎ ℎ ∞𝑓 𝑃̅1 + ∫ℎ 𝐻 𝑠 − ℎ𝑖𝑑 + ) , Sau xác suất giải mã thành công thông điệp gửi đến node j từ node i giai đoạn A viết 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 = 𝑃𝑟(𝑃𝑡1 (𝐻𝑖𝑑 )𝐻𝑖𝑗 > 𝛾| 𝐻𝑖𝑑 > 𝐻𝑟𝑒𝑙 )𝑃𝑟(ℕℂ(𝑗)) = 𝑃𝑟 (( (ℎ) 𝑑ℎ ℎ ∞𝑓 𝑃̅1 + ∫ℎ 𝐻 𝑠 𝑃𝑟𝑠 − 𝐻𝑖𝑑 ) 𝐻𝑖𝑗 > 𝛾| 𝐻𝑖𝑑 > ℎ𝑠 ) × 𝑃𝑟(ℕℂ(𝑗)) 36 (3.17) Bổ đề 3.3.6: Nếu N⟶∞ , 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 ⟶ 𝑒 điều giống với trường hợp phân bố công suất không đổi Dẫn chứng: Khi Prs⟶ limN⟶∞ ℎ𝑠 = limN⟶∞ 𝐹̅𝐻−1 (𝑃𝑟𝑠 ) = ∞ , ta có ∞ 𝑓𝐻 (ℎ) 𝑑ℎ ∫ 𝑃𝑟𝑠 ℎ𝑠 ℎ ∞ ≤ ∫ℎ𝑠 𝑓𝐻 (ℎ)𝑑ℎ 𝑃𝑟𝑠 ℎ𝑠 = ℎ𝑠 ⟶ Từ kênh nguồn đích Hid>hs, dần tới ∞ Trong tương phản, kênh nguồn- node chuyển tiếp Hij điều kiện thay đổi ngẫu nhiên, limℎ′⟶∞ 𝐹𝐻 ′ (ℎ′ ) = , đạt giới hạn với xác suất Do đó, ta kết luận limN⟶∞ có dạng lim 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 = 𝑃𝑟 ( N⟶∞ 𝑃̅1 𝑃𝑟𝑠 𝐻𝑖𝑗 𝐻𝑖𝑑 = với xác suất 1, xác suất giải mã 𝐻𝑖𝑗 > 𝛾 ) 𝑃𝑟(ℕℂ(𝑗)) Điều thú vị, biểu thức tương tự xác suất giải mã cho trường hợp giải công suất không đổi mục 3.3.1 Nguyên nhân việc giống nhau, xác suất giải mã tiến tới 𝑒 trường hợp này, cách sử dụng giới hạn Chernoff ta kết luận số 𝑁 lượng node chuyển tiếp giải mã limN⟶∞ 𝐾 = 𝑒 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 là: 𝑅𝐶𝑂𝑉𝑅 (𝛷) = 𝑅(∑𝐾𝑖=1 𝐼 [𝐺𝑠𝑖 𝑑 > 𝑔𝑟𝑒𝑙 ]𝑃𝑡2 (𝐺𝑠𝑖 𝑑 )𝐺𝑠𝑖 𝑑 ) (3.18) Khi node chuyển tiếp dùng water-filling không phụ thuộc vào node chuyển tiếp khác, phân bố lượng node chuyển tiếp si theo phân bố công suất water-filling với công suất không đổi ̅2 ∞ 𝑓𝐺 (𝑔) 𝑃 + ∫𝑔 𝑑𝑔 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 𝑟𝑒𝑙 𝑔 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 − 𝐺𝑠𝑖 𝑑 𝑃̅2 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 viết 𝑃𝑡2 (𝐺𝑠𝑖 𝑑 ) = Do đó, điều kiện cho trường hợp l node chuyển tiếp tập 𝑠 = {𝑠1 , … , 𝑠𝑙 } phát, tỷ lệ truyền tuân theo 𝑅𝐶𝑂𝑉𝑅 (𝛷) = 𝑅( ̅2 ∞ 𝑓𝐺 (𝑔) 𝑃 + ∫𝑔 𝑑𝑔 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 𝑟𝑒𝑙 𝑔 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 ∑𝑙𝑖=1 𝐺𝑠𝑖 𝑑 − 𝑙 ) 37 (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 sau: 𝔼𝛷 (𝑅𝐶𝑂𝑉𝑅 (𝛷)) = ∑𝐾𝑙=1 (𝐾 ) (1 − 𝑙 ̅ 𝑃 ∞ 𝑓 (𝑔) 𝐺 + 𝑑𝑔 ∫𝑔 ∞ ∞ 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 𝑟𝑒𝑙 𝑔 𝐾−𝑙 ∑𝑙𝑖=1 𝐺𝑠𝑖 𝑑 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 ) ∫𝑔 … ∫𝑔 𝑅 ( 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑙 − 𝑙) ∏𝑙𝑖=1(𝑓𝐺 (𝑔𝑠𝑖𝑑 )𝑔𝑠𝑖𝑑 ) (3.20) Sử dụng khai triển dẫn chứng bổ đề 3.3.2, phần 𝑙 toàn giới hạn n 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 𝑅( ̅2 ∞ 𝑓𝐺 (𝑔) 𝑃 + ∫𝑔 𝑑𝑔 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 𝑟𝑒𝑙 𝑔 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 𝑙𝑔𝑟𝑒𝑙 − 𝑙) ∞ Giả thiết địch xử lý tốt độ lợi kênh, ta có limN⟶∞ ∫𝑔 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 𝑔𝑟𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑙 𝑓𝐺 (𝑔) 𝑔 𝑑𝑔 ≤ 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 khơng đổi, thơng lượng cho phương pháp tiếp cân OVR (3.10) Do đó, kết luận OVR khơng đưa thêm lợi ích giới hạn số lượng lớn node so với CP Tuy nhiên, để giá trị n nhỏ hơn, ngưỡng chuyển tiếp phải giảm việc phân bố công suất tối ưu giúp tăng thơng lượng cơng 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 node nghiên cứu phạm vi CAA [5] Trong trường hợp này, việc tối ưu cho node để phát với công suất tối đa khe mà độ lợi kênh vượt qua ngưỡng hs Qen et al [5] chứng tỏ thông lượng cho trường hợp tỷ lệ 38 1 với 𝑅𝐷 (𝐹̅ −1 ( )) = 𝑅𝐷 (log 𝑁) Tham số bên hàm tỷ lệ yếu tố 𝑒 𝑁 𝑒 𝑁 so với trường hợp hạn chế công suất dài hạn Điều việc hạn chế công suất dài hạn sẵn có node phát N lần lớn với hạn chế ngắn hạn Nói cách khác, việc hạn chế cơng suất dài hạn, node truyền 𝑁 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 node hợp tác Dựa vào hạn chế công suất ngắn hạn (3.2), node nguồn truyền với công suất 𝑃̌1 (𝑃̌2 ) khe hoạt động Kết mục III-C [5] chứng tỏ thông lượng giai đoạn A viết 𝑁(1 − ∞ 𝑃𝑟𝑠 )𝑁−1 ∫𝐹̅−1(𝑃𝑟 ) 𝑅(𝑃̌1 ℎ) tỷ lệ với 𝑅𝐷 (log 𝑁) cho xác suất truyền tải nguồn tối ưu 𝑒 𝑠 𝐻 𝑃𝑟𝑠∗ tỷ lệ với 𝑁 Bây xem xét nguồn gốc biểu thức công suất giai đoạn hợp tác Xác suất giải mã node chuyển tiếp viết 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 = 𝑃𝑟(log(1 + 𝑃̌1 𝐻𝑖𝑗 ) > 𝑅𝑡ℎ ) × 𝑁𝑃𝑟𝑠 (1 − 𝑃𝑟𝑠 )𝑁−1 → 𝑛→∞ 𝑃𝑟(𝑃̌1 𝐻𝑖𝑗 > 𝛾) 𝑒 Xem xét trường hợp độ lợi kênh với phân bố Rayleigh ta viết 𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 → 𝑁→∞ 𝑒 𝑒 𝛾 𝑃1ℎ0 −̌ =𝑒 𝛾 −1 𝑃1 ℎ0 −̌ Số node chuyển tiếp giải mã thành cơng K xác định cách sử dụng giới hạn Chernoff mục 3.3.1 Ta viết 𝑃𝑟(𝐾 = 𝑁𝑃𝑟𝑑𝑒𝑐 ) = 𝑃𝑟 (𝐾 = 𝑁𝑒 𝛾 −1 𝑃1 ℎ0 −̌ )→ 𝑁→∞ Bây ta có biểu thức thơng lượng giai đoạn hợp tác là: ∞ ∞ 𝐾 𝔼𝛷 [𝑅𝐶𝑆𝑇 (𝛷)] = ∑𝐾𝑙=1 ( ) (1 − 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 )𝐾−𝑙 ∫𝑔 … ∫𝑔 𝑅 (𝑃̌2 (𝑔𝑠1𝑑 + ⋯ + 𝑟𝑒𝑙 𝑟𝑒𝑙 𝑙 𝑔𝑠𝑙𝑑 )) 𝑓𝐺 (𝑔𝑠1𝑑 ) … 𝑓𝐺 (𝑔𝑠𝑙𝑑 )𝑑 𝑔𝑠1𝑑 … 𝑑𝑔𝑠𝑙𝑑 39 (3.21) Bổ đề 3.3.7 Nếu N ⟶ ∞ ta có ̌ P Prrel 𝔼Φ [RST C (Φ)] = ω (R ( KPrrel log ( ))) = ω (R(N)) với 𝑔𝑟𝑒𝑙 ≥ Dẫn chứng: Dẫn chứng đưa phụ lục B.4 [2] Thay kết bổ đề 3.3.7 với 𝑔𝑟𝑒𝑙 ≥ hay tương đương 𝑝𝑟𝑒𝑙 ≤ 𝑒 (3.3), ta có 𝑙𝑖𝑚 𝔼[µ(𝑃𝑟𝑠 , 𝑃𝑟𝑟𝑒𝑙 , 𝑁)] = 𝑁→∞ 1 𝑙𝑖𝑚 [ 𝑅 (𝑙𝑜𝑔 𝑁) + 𝜔(𝑅(𝑁))] = 𝜔(𝑅(𝑁)) 𝑁→∞ 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 node hợp tác, đảm bảo thông lượng tỷ lệ R(N) 3.4 Kết tính tốn mơ Trong mục so sánh tính tốn thiết lập cơng suất khác kế hoạch hợp tác khơng tập trung trình bày Ta so sánh kết với CAA không hợp tác 3.4.1 Mô Xem xét mạng có 100 node với cơng suất hạn chế 𝑃̅1 = cho giai đoạn phát 𝑃̅2 = 0.1 cho giai đoạn hợp tác Ngưỡng giải mã thiết lập 𝛾 = 1, node giả thiết chịu Fading Rayleigh khe thời gian Với thiết lập cơng suất khác CAAC, hình 3.2 thể thông lượng thực xác suất nguồn phát khác Prs, 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, 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 mơ phân tích xuất phát từ phép gần việc chứng minh bổ đề 3.3.2 3.3.3, 40 𝑁 → ∞ Các kết phục vụ giới hạn thông lượng mạng với giới hạn số lượng node Thông lượng thực tế OVR tăng so với CP số lượng node bị giới hạn mơ Do đó, trường hợp ngưỡng phát bậc 𝑙𝑜𝑔𝑁 nhỏ Các kết node với trạng thái kênh nhỏ để phép truyền Do việc phân bố cơng suất tối ưu phần có lợi cho node có điều kiện kênh kém, cải thiện thơng lượng tổng cộng so với CP Hình 3.2 Thông lượng mạng với xác suất nguồn phát cho 100 node a, tính tốn, b, mơ [2] 41 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 thích việc hợp tác node Xác suất chuyển tiếp cao hơn, nhiều node hợp tác thành node 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 node a, tính tốn b, mơ [2] 42 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 node Đối với mạng có node, ta phải phân bố phần thời gian lớn cho giai đoạn A để đảm bảo có đủ node chuyển tiếp giải mã thông điệp thành cơng, mạng có nhiều node có phần nhỏ phân bố thời gian truyền tải cho giai đoạn A kết nhiều node chuyển tiếp giải mã thông điệp thành công hưởng lợi từ độ lợi hợp tác với mức độ cao giai đoạn B Hình 3.4 Ảnh hưởng việc thay đổi thời gian cho giai đoạn A tới thời gian truyền tổng cộng thông lượng mạng [2] 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 node Chú ý rằng, kết CAAC-FR việc thực thối hóa hiệu suất Điều thiếu hợp tác Như giải thích mục 3.3.2, xác suất giải mã trường hợp giảm 𝑁𝑒 Do đó, thơng lượng giai đoạn hợp tác thơng lượng CAA, thơng lượng lượng tổng cộng thấp CAA 43 Hình 3.5 a, Thông lượng với số lượng node b, Xác suất chuyển tiếp nguồn phát với số lượng node [2] 3.4.3 Phạm vi mở rộng Hình 3.5a minh họa kết việc tăng số lượng node mức độ cao hợp tác dẫn tới việc tăng thông lượng mạng Việc tăng minh họa (3.13), dự đốn thơng lượng tỷ lệ với (1 + ) 𝑅(𝑁 log 𝑁) với n lớn Hơn nữa, [10] cho thấy thông 𝑒 lượng CAA tỷ lệ với cận 1+𝑒 2 𝑅(𝑁 log 𝑁) Hình 3.5a xác nhận độ lợi hiệu suất tiệm CAAC CAA Phạm vi mở rộng xác suất truyền tối ưu xác suất chuyển tiếp tối ưu miêu tả hình 3.5b nguồn phát tối ưu xác suất 44 chuyển tiếp giảm với tỷ lệ 𝑁 số lượng node tăng giải thích mục 3.3 Độ lợi thông lượng đạt đáng kể thông qua hợp tác cho trường hợp hạn chế công suất ngắn hạn thể hình 3.6 Như chứng minh bổ đề 3.3.7, việc sử dụng hợp tác cho trường hợp hạn chế công suất ngắn hạn tỷ lệ với 𝑅(𝑁) trái ngược với trường hợp sử dụng hiệu ứng hệ thống đa dạng người dùng ta có tỷ lệ 𝑅(𝑙𝑜𝑔(𝑁)) Độ lợi thơng lượng đáng kể trường hợp kết việc sử dùng hợp tác khác 3.5 Tổng kết chương 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 thơng lượng thu CAAC so với CAA khơng có 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 thơng lượng tăng lên đáng kể 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 [2] 45 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu, đồ án hoàn thành đạt số kết sau: + Tìm hiểu cách khái quát truyền thông hợp tác mạng không dây; + Tìm hiểu giao thức ALOHA đánh giá thông lượng ALOHA túy ALOHA phân khe; + Các kế hoạch phân bổ mạng truyền thơng hợp tác; + Tìm hiểu phân tích kết dựa mô nhà nghiên cứu Trong có nhiều kết quan trọng truyền dẫn hợp tác công nhận, song cịn có nhiều vấn đề cần phải lưu tâm mà em chưa làm rõ Chẳng hạn mạng đa người sử dụng việc gán quản lý thông tin chuyển tiếp cho thành viên diễn nào, nói cách khác, chúng định người sử dụng hợp tác với người sử dụng khác, tần suất để người dùng lại sử dụng để gán lại nào? Do thời gian hạn chế nên đồ án khơng thể khơng tránh khỏi sai sót, mong nhận góp ý thầy khoa bạn bè để đồ án hoàn thiện 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sam Vakil and Ben Liang , Decentralized Multiuser Diversity with Cooperative Relaying in Wireless Sensor Networks, March 2008 [2] 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) [3] Coded Cooperative Communications, Sweden September 2007 [4] Cooperative Communications, Doctoral Thesis in Communication Systems Stockholm, Sweden 2012 [5] Xiangping Qin and Randall Berry, Distributed Approaches For Exploiting Multiuser Diversity in Wireless Networks, IEEE Transactions on Information Theory, vol 52, no.2, pp.392-413, February 2006 [6] J.Nicholas Laneman and Gregory 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, October 2003 [7] Sam Vakil and Ben Liang, Balancing cooperation and interference in wireless sensor networks, in Proc IEEE Communications Society Conference on Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks (SECON), September 2006, vol 1,pp 198-206 [8] Sam Vakil and Ben Liang, Decentralized multiuser diversity with cooperative relaying in wireless sensor networks, in Proc IEEE Communications Society Conference on Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks (SECON), June 2007, pp 560-569 [9] Rui Lin and Athina P.Petropulu, A new wireless network medium access protocol based on cooperation, IEEE Transactions on Signal Processing, vol 53, no 12, pp 4675-4684, December 2005 47 [10] Xiangping Qin and Randall Berry, Exploiting multiuser diversity for medium access control in wireless networks, in Proc IEEE INFOCOM, April 2003, vol 2, pp 084-1094 [11] Robert G Gallager, Information Theory and Reliable Communication, John Wily and Sons, 1968 48 ... node hợp tác mạng hợp tác; giao thức ALOHA cổ điển, đánh giá thông lượng ALOHA túy ALOHA phân khe Chương nghiên cứu, phân tích kết nhà khoa học kế hoạch cấp phát lượng mạng truyền thơng hợp tác ii... sâu việc ứng dụng hệ thống MIMO ảo mạng truyền thông không dây, em lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu giao thức ALOHA kế hoạch phân bổ lượng mạng truyền thông hợp tác? ?? Nội dung tìm hiểu đồ án gồm chương:... pháp hợp tác mã hóa liệu thơng qua giao thức ALOHA Chương cịn tìm hiểu cách tổng quan ngun tắc hoạt động, thông lượng giao thức ALOHA, so sánh thông lượng ALOHA túy ALOHA phân khe 23 CHƯƠNG KẾ HOẠCH