Truyền thông hợp tác trong giới hạn nhiều của mạng không dây

621.382 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC TRONG GIỚI HẠN NHIỀU CỦA MẠNG KHÔNG DÂY SV thực hiện: NGUYỄN THỊ YẾN GV hướng dẫn: ThS LÊ THỊ KIỀU NGA Lớp:51K2 - ĐTVT Khóa học: 2010 – 2015 NGHỆ AN - 01/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Thị Yến Ngành: Điện tử viễn thông Mã số sinh viên: 1051080538 Khoá: 51 Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Thị Kiều Nga Cán phản biện: TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa Nội dung thiết kế tốt nghiệp Nhận xét cán phản biện Ngày tháng năm 2015 Cán phản biện (Ký, ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập trường em nhận nhiều quan tâm giúp đỡ q Thầy Cơ, gia đình bạn bè.Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô trường Đại Học Vinh, Thầy Cô khoa Điện tử Viễn thông với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt năm học trường Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình ThS Lê Thị Kiều Nga, cô định hướng, cung cấp tài liệu, dẫn, truyền đạt kiến thức giúp em hoàn thành tốt đồ án Mặc dù cố gắng kiến thức hạn chế nhiều bỡ ngỡ với đề tài thời gian ngắn Do vậy, không tránh khỏi thiếu sót điều chắn, em mong nhận góp ý kiến đóng góp quý báu quý Thầy Cơ tồn thể bạn để đồ án em hoàn thiện Sau hết, em xin kính chúc q Thầy Cơ tồn thể bạn thật dồi sức khỏe, niềm tin để hoàn thành sứ mạnh truyền đạt kiến thức cho hệ tương lai Nghệ An, tháng năm 2015 Sinh viên Nguyễn Thị Yến LỜI NÓI ĐẦU Yêu cầu ngày tăng cho mạng không dây tốc độ cao thúc đẩy phát triển mạng di động không dây mạng ad-hoc Để khai thác triệt để phát triển công nghệ phần cứng mạch tích hợp cho phép thực kế hoạch truyền thông phức tạp Và việc truyền đa dạng đòi hỏi nhiều anten máy phát Tuy nhiên, thiết bị không dây lại bị giới hạn kích cỡ phức tạp phần cứng cho anten Gần đây, lớp phương pháp gọi truyền thông hợp tác đề xuất, điều làm cho anten di động đơn môi trường đa người dùng chia sẻ anten tạo máy phát đa anten ảo cho phép chúng để thu truyền đa dạng Với thuận lợi quảng bá mạng không dây truyền thông hợp tác để xuất gần cho phép node phục vụ truyền hợp tác tới đích Đồ án cho thấy số lợi ích tầm quan trọng truyền thông hợp tác mạng không dây Đặc biệt vấn đề chia sẻ tiết kiệm tài nguyên nguồn cho hệ thống Đồ án chia thành chương có cấu trúc cụ thể sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan mạng không dây Chương 2: Truyền thông hợp tác Chương 3: Hợp tác giới hạn nhiễu mạng không giây i TĨM TẮT ĐỒ ÁN Truyền thơng hợp tác cho thấy hiệu việc khai thác đa dạng không gian để cải thiện chất lượng hệ thống Các tính truyền thơng hợp tác hỗ trợ thiết bị đơn anten chia sẻ anten mảng anten ảo phân bố mảng anten ảo xây dựng để cải thiện độ tin cậy giảm lượng tiêu thụ Với hiểu biết tốt kỹ thuật lớp vật lý, mảng anten ảo trở nên quan trọng để nghiên cứu cách thức đạt hiệu suất đa dạng hợp tác phản ánh lớp mạng, cuối để cải thiện hiệu suất ứng dụng Đồ án trình bày nhìn tổng quan hiệu suất mạng không dây hợp tác hợp tác giới hạn nhiễu mạng không dây ABSTRACT Cooperative communication has been shown an effective way of exploiting spatial diversity to improve the quality of system The key feature of cooperative transmission is to encourage single-antenna devices to share their antennas such as a virtual and distributed antenna array can be constructed to reliability can be improved and power consumption can be reduced With a better understanding of such physical-layer technique, a virtual becomes important to study how the performance gain of cooperative diversity be reflected at the networking layer, final to improving application performance This thesis presents an overview of the network in cooperative wireless networks performance and Cooperation in Interference Limited Wireless Networks ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 1.1 Lịch sử đời .1 1.2 Giới thiệu mạng không dây 1.3 Các mô hình mạng khơng dây 1.3.1 Mơ hình mạng Infrastructure (mạng sở) 1.3.2 Mô hình mạng ad-hoc .4 1.4 Các thiết bị mạng không dây .7 1.5 Bảo mật mạng không dây 1.5.1 Các lỗ hổng mạng không dây 1.5.2 Các biện pháp thiết lập hệ thống an ninh mạng không dây 1.6 Kênh fading tính đa dạng 10 CHƯƠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 13 2.1 Giới thiệu 13 2.2 Lợi ích việc truyền thông hợp tác .16 2.3 Các giao thức truyền thông hợp tác mạng không dây 18 2.3.1 Xét mơ hình hệ thống 19 2.3.2 Phân tích SER cho truyền thông hợp tác DF 21 2.3.3 Phân tích SER cho truyền thơng hợp tác AF 24 2.3.4 Kết hợp giao thức chọn lựa giao thức 27 2.4 Hợp tác dựa truyền đa đường 31 2.5 Phương pháp tiếp cận xuyên lớp để truyền thơng hợp tác .33 2.6 Tính đa dạng đa người dùng 34 CHƯƠNG HỢP TÁC TRONG GIỚI HẠN NHIỄU CỦA MẠNG KHÔNG DÂY 36 3.1 Tổng quan 36 3.2 Mơ hình mạng khơng dây kế hoạch chuyển tiếp 37 iii 3.2.1 Mơ hình mạng liệu chuẩn 37 3.2.2 Kế hoạch hợp tác 38 3.3 Số lượng node chuyển tiếp giải mã chức nhiễu 42 3.3.1 Dự kiến số lượng node chuyển tiếp giải mã thành công 43 3.3.2 Dự kiến số lượng node nhiễu 43 3.3.3 Phân tích nhiễu: phương pháp tiếp cận liên tục .44 3.4 Tốc độ tổng hợp tối ưu mạng 47 3.5 Kết phân tích số mơ 49 3.5.1 Ảnh hưởng bán kính vùng hợp tác số lượng anten nhận 49 3.5.2 Ảnh hưởng ngưỡng giải mã node 54 3.5.3 Độ lợi hợp tác 54 3.6 Tổng kết chương 56 KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân loại mạng không dây Hình 1.2 Mơ hình mạng infrastructure Hình 1.3 Mơ hình mạng ad-hoc Hình 1.4 Phạm vi truyền mạng ad-hoc Hình 2.1 Mơ hình truyền thơng hợp tác 14 Hình 2.2 Mỗi di động mạng hợp tác đóng vai trò người sử dụng node chuyển tiếp 15 Hình 2.3 a) Hợp tác mạng; b) Minh họa chuyển tiếp thông lượng cải tiến thu việc hợp tác miền thời gian 17 Hình 2.4 Mơ hình hợp tác đơn giản 19 Hình 2.5 Truyền hợp tác đường lên với hai người sử dụng, node chuyển tiếp trạm gốc 29 Hình 2.6 Truyền hợp tác đường xuống với hai người sử dụng, node chuyển tiếp trạm gốc 30 Hình 3.1 Lớp mạng khơng dây 39 Hình 3.2 Thời gian cho nguồn node chuyển tiếp tương ứng vùng Ci 42 Hình 3.3 Ảnh chụp đĩa vùng hợp tác Một nguồn trễ k cho thấy 45 Hình 3.4 Mạng tốc độ tổng hợp cho số lượng anten khác đích ps= 0.02 50 Hình 3.5 Mạng tốc độ tổng hợp cho nr=5 giá trị khác k ps=0.02 50 Hình 3.6 So sánh mạng tốc độ tổng hợp cho nr=5 mơ hình kênh có fading mơ hình kênh hỗn hợp fading ps=0.02 51 Hình 3.7 Mạng tốc độ tổng hợp lớn cho số lượng node khác mạng xác suất hoạt động khác .51 Hình 3.8 Mạng tốc độ tổng hợp lớn cho số lượng node khác mạng xác suất hoạt động khác So sánh mơ hình kênh fading hỗn hợp fading 52 Hình 3.9 Bán kính vùng hợp tác cho số lượng node khác xác suất hoạt động khác 53 Hình 3.10 Xác suất giải mã thành công chống lại khoảng cách trễ từ nguồn 53 Hình 3.11 Mạng tốc độ tổng hợp tối ưu chống lại giá trị khác ngưỡng giải mã 55 Hình 3.12 Bán kính vùng hợp tác tối ưu chống lại ngưỡng giải mã 55 Hình 3.13 Độ lợi hợp tác chống lại ngưỡng giải mã 55 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AP Access point Điểm truy cập AF Amplify - forward Khuếch đại - chuyển tiếp ARQ Automatic repeat request Yêu cầu lặp lại tự động CAA Channel aware aloha Kênh aloha túy CFA Cooperative fusion architecture Kiến trúc kết hợp hợp tác CRC Cyclic redundancy check Chu kì kiểm tra dự phịng CSI Channel state information Thông tin trạng thái kênh DF Decode - forward Giãi mã - chuyển tiếp FDM Frequency division multiplexing Ghép kênh phân chia tần số HDAF Hybrid decode-amplify-forwardKết hợp giải mã khuếch đại chuyển tiếp MAC Medium access control MRC Maximum ratio combining Kết hợp tốc độ tối đa MIMO Multi input - multi output Đa thu đa phát RN Relay node Node chuyển tiếp PHY Physical Lớp vật lý TDM Time division multiplexing Ghép kênh phân chia thời gian SNR Signal noise rate Tỉ lệ tạp âm - tín hiệu SIR Signal interference ratio Tỉ lệ nhiễu - tín hiệu SER Symbol error rate Tỉ lệ lỗi - kí tự Lớp điều khiển truy cập trung bình vi CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY 1.1 Lịch sử đời Năm 1894, Marconi bắt đầu thử nghiệm năm 1899, ông gửi điện báo băng qua kênh đào Anh mà không cần sử dụng loại dây Thành tựu “chuyển tin tín hiệu” đánh dấu tiến lớn dấu hiệu cho đời hệ thống giá trị mang tính thực tiễn cao Vài năm sau đó, thiết bị vơ tuyến Marconi chuyển nhận điện báo qua Đại Tây Dương Công nghệ không dây mà Marconi phát triển pha tạp giữ điện báo có dây truyền thống sóng Hertz Trước thập niên 1920, điện báo vơ tuyến trở thành phương tiện truyền thông hữu hiệu cho phép gửi thơng điệp cá nhân thông qua lục địa Công nghệ mạng internet không dây lần xuất vào cuối năm 1990 nhà sản xuất giới thiệu sản phẩm hoạt động băng tần 900 MHz Những giải pháp cung cấp tốc độ truyền liệu Mbps, giải pháp không đồng nhà sản xuất Năm 1992, xuất mạng không dây sử dụng băng tần 2.4 GHz Mặc dù có tốc độ truyền liệu cao chúng giải pháp riêng nhà sản xuất không công bố rộng rãi Sự cần thiết cho việc hoạt động thống thiết bị tần số khác dẫn đến số tổ chức bắt đầu phát triển chuẩn mạng không dây chung Năm 1997, IEEE phê chuẩn đời chuẩn 802.11 cho mạng không dây Chuẩn 802.11 hỗ trợ ba phương pháp truyền tín hiệu, bao gồm phương pháp truyền tín hiệu vơ tuyến tần số 2.4 GHz Năm 1999, IEEE thông qua hai bổ sung cho chuẩn 802.11 chuẩn 802.11a 802.11b Và thiết bị mạng không dây dựa chuẩn 802.11b nhanh chóng trở thành cơng nghệ khơng dây vượt trội Các thiết bị phát tần số 2.4 GHz cung cấp tốc độ truyền liệu 11 Mbps Năm 2003, IEEE công bố thêm cải tiến chuẩn 802.11g nhận thơng tin hai dải tần 2.4 GHz GHz nâng tốc độ truyền liệu lên đến 54 Mbps Đây chuẩn sử dụng rộng rãi vào thời điểm Ngồi IEEE cịn thơng qua chuẩn 802.11n nâng tốc độ truyền liệu từ 100-600 Mbps vào tháng 9/2009 sau năm nghiên cứu phát triển chuyển tiếp 𝐼𝑙𝑘 = 𝑃 𝛼 𝑟𝑙𝑘 |ℎ𝑙𝑘 |2 Xét fading Rayleigh sau |ℎ𝑙𝑘 |2 có phân phối mũ với thơng số 1, E[Ilk]= 𝜇𝑙 = 𝑃 𝛼 𝑟𝑙𝑘 Xét mạng khơng dây với mật độ node cao λ Hình 3.3 Ảnh chụp đĩa vùng hợp tác Một nguồn trễ k cho thấy Yếu tố khác khu vực đĩa xem xét để tìm kiếm tổng quan nhiễu k cách lấy tích phân vùng Trong mơ hình liên tục ta sử dụng phương pháp tiếp cận khác để đánh giá giá trị dự kiến nhiễu k Từ có tổng NI[m] node nhiễu, giới hạn số lượng node lớn, yếu tố khác ta có node 𝑁𝐼 |𝐴| 𝑟𝑑𝑟𝑑𝜃 Do đó, yếu tố 𝑑𝜃 mơ tả hình 3.3 ngun nhân gây lượng nhiễu dưới: 𝑑𝐼 = 𝑃 𝑁𝑖 𝑟𝑑𝑟𝑑𝜃 𝑟𝛼 |𝐴| = 𝑃 𝑟 𝛼−1 𝑑𝑟𝑑𝜃 = λ 𝑃 𝑟 𝛼−1 𝑑𝑟𝑑𝜃 (3.10) Cho yếu tố khác đặt góc θ với tọa độ x’ hình 3.3, đoạn kh khoảng cách nhiễu lớn nhất, dmax(θ) Ở x’ trục chứa ck Đoạn kj khoảng cách k cho nhiễu nhỏ dmin(ω), ω góc kj với x” chứa sk Lấy đạo hàm dmin(ω) dmax(θ ) giải thích [9] tổng thể dự kiến nhiễu k cho sau: 2𝜋 𝐸 [𝐼𝑘 ] = ∫ = dmax(θ ) ∫ dmin(−θ+∠x′kx") 𝜆 𝑃 𝑟 𝛼−1 𝜆𝑃 2𝜋 ∫ [ 𝛼−2 𝑜 dmin(−θ+∠x′kx")𝛼−2 𝑑𝑟𝑑𝜃 − 𝑑𝑚𝑎𝑥 (𝜃)𝛼−2 ]𝑑𝜃 (3.11) 45 𝐴 Trong đó: 𝑑𝑚𝑎𝑥 (𝜃) = √ − (𝑟𝑐𝑘 𝑠𝑖𝑛𝜃)2 − 𝑟𝑐𝑘 𝑐𝑜𝑠𝜃 (3.12) 𝜋 𝑑𝑚𝑖𝑛 (𝜔) = √𝑟𝐶2 − (𝑟𝑠𝑘 𝑠𝑖𝑛𝜔)2 − 𝑟𝑠𝑘 𝑐𝑜𝑠𝜔 (3.13) Xét trường hợp 𝛼 = cho thấy 𝜋 ∫𝑜 𝑑𝜃 (√𝑒 −(𝑏𝑠𝑖𝑛𝜃)2 −𝑏𝑐𝑜𝑠𝜃) 𝛼−2 = 𝜋𝑒 (3.14) 𝑏4 −2𝑏2 𝑒 +𝑒 Do đó, (3.9) rút gọn nữa: 𝐸 [𝐼𝑘 ] = 𝜆𝑃 |𝐴|𝜋2 ( −2𝜋|𝐴|𝑟 +|𝐴| 𝛼−2 𝜋 𝑟𝑐𝑘 𝑐𝑘 − 𝜋𝑟𝐶2 −2𝑟 𝑟 +𝑟 𝑟𝑠𝑘 𝐶 𝑠𝑘 𝐶 ) (3.15) 3.3.4 Xác suất giải mã thành công Trong chương đưa xấp xỉ cho Pr[SIRk >𝛿] Xét với nguồn P = 1mW cho tất node Giả định hệ số kênh trải qua fading Rayleigh đó, số lượng tín hiệu nhiễu node chuyển tiếp biến ngẫu nhiên 𝑁 𝑗 𝐼 Nhiễu node chuyển tiếp k cho dạng 𝐼𝑘 = ∑𝑗=1 𝐼𝑘 , yếu tố nhiễu có phân phối mũ với giá trị trung bình 𝜇𝑙 giải thích mục 3.3.3 Thay NI giá trị kì vọng xấp xỉ, xấp xỉ cách giả định yếu tố nhiễu riêng có giá trị trung bình = 𝐸[𝐼𝑘 ] 𝐸[𝑁𝐼 ] Sử dụng xấp xỉ này, rõ ràng tổng E[NI] biến ngẫu nhiên theo hàm mũ với giá trị trung bình 𝜇 có phân phối Erlang với thơng số E[NI] có giá trị 𝜇 E[NI] = E[Nk] , có: 𝑥 𝐸[𝑁𝐼 ]−1 −𝑥 𝑓𝐼𝑘 (𝑥) = (𝐸[𝑁 ]−1)!𝜇𝐸[𝑁𝐼] 𝑒 𝜇 , 𝐼 𝑣ớ𝑖 𝑥 ≥ (3.16) Phân phối nguồn tín hiệu nhận node k đặt khoảng cách d tương ứng với nguồn s sau tính chi tiết đưa [9] kết mục này, quy định sau: Hệ luận 3.3.1 xác định khả mát cho chuyển tiếp là: Pr[𝑆𝐼𝑅𝑘 ≤ 𝛿 ] = 𝐹𝑌 (𝜍 ) = − 𝜇 𝐸[𝑁𝐼 (1+ 𝛿 ) ] (3.17) 𝜇𝑠 Ở 𝜇𝑠 = 𝑃 𝑑𝛼 chức node tương ứng khoảng cách d với khoảng cách nguồn Dự định số node giải mã khu vực hình thành kết mệnh đề chức bán kính vùng hợp tác 46 Trong mục sử dụng kết để tìm kiếm diện tích tối ưu xung quanh node hoạt động, vùng hợp tác Trong node chuyển tiếp phép giải mã chuyển tiếp để đơn giản cho việc phân tích, giả sử khu vực hình trịn bán kính vòng tròn giống cho tất node hoạt động Sau hợp lí số lượng nhiễu trung bình node chuyển tiếp khơng thay đổi vị trí tương đối vùng hợp tác đĩa phẳng Tuy nhiên khoảng cách node chuyển tiếp từ nguồn tương ứng yếu tố xác định Số liệu quan tâm chương mạng tổng hợp tốc độ 3.4 Tốc độ tổng hợp tối ưu mạng Trong mục 3.3 giới thiệu khung phân tích số lượng node chuyển tiếp giải mã thành công Để lấy tốc độ tổng tối ưu mạng, cần xem xét khung bao gồm hai khe Trong đó, khe thiết lập nguồn để gửi thông điệp tới đích Trong khe thứ hai kế hoạch chọn vùng hợp tác dựa cấu trúc mạng tiêu kế hoạch thảo luận Trong vùng hợp tác, việc thiết lập node chuyển tiếp giải mã thành công chuyển tiếp thông điệp giải mã tới AP mơ tả hình 3.1 Việc truyền thơng giai đoạn mơ hình hóa truyền thơng đa truy cập Trong giai đoạn hai node giải mã thành công cấu trúc hệ thống MIMO hợp tác Các node chuyển tiếp vùng hợp tác Ci phục vụ nhiều anten gửi thông điệp chung đồng Tốc độ tổng tối ưu mạng thuật toán hai giai đoạn viết sau: 𝑅𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (𝑅𝑃ℎ1 + 𝑅𝑃ℎ2 ) (3.18) Trong đó: 𝑅𝑃ℎ1 tốc độ tổng giai đoạn chưa hợp tác 𝑅𝑃ℎ2 tốc độ tổng giai đoạn hai hợp tác hiệu Bán kính vùng hợp tác tối ưu viết sau: 𝑁 𝑝 𝑟𝑜𝑝𝑡 = arg max𝑟𝑐 𝐸 [𝑅𝑃ℎ2 ] = arg max𝑟𝑐 ∑𝑖=1 𝐸[𝑅𝑖 (𝐷𝑖 )] 𝑠𝑢𝑏𝑗𝑒𝑐𝑡 𝑡𝑜 𝑘 𝜖 𝐷𝑖 ↔ 𝑆𝐼𝑅𝑘 > 𝛿 (3.19) 𝑎𝑛𝑑 ∀ 𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒𝑠 𝑖, 𝑗 𝑟𝑖𝑗 > 2𝑟𝑜𝑝𝑡 𝑁 𝑝 Trong sử dụng kí hiệu: 𝑅𝑃ℎ2 = ∑𝑖=1 𝑅𝑖 (𝐷𝑖 ) để lọc 𝑅𝑖 (𝐷𝑖 ), tốc độ liệu 47 tương ứng với vùng i dựa vào việc có node Di vùng Việc tối ưu bị hạn chế thực tế node chuyển tiếp k vùng phải thỏa mãn yêu cầu SIR để giải mã xác Vì khoảng cách yêu cầu đề xuất kế hoạch phải thỏa mãn Vấn đề tối ưu hóa khơng lồi rC sử dụng dưới: 𝑁 𝑝 𝑟𝑜𝑝𝑡 ≅ arg max𝑟𝑐 ∑𝑖=1 𝑅𝑖 (𝐸[𝐷𝑖 ]) (3.20) Xấp xỉ xuất từ giá trị kì vọng hàm lõm 𝑓 (𝑥) tuân theo 𝐸 [𝑓 (𝑥)] ≤ 𝑓[𝐸 [𝑥]] dựa bất đẳng thức Jensen Bất đẳng thức so sánh kết từ việc phân tích mơ Do đó, chọn vùng hợp tác mà kết số node chuyển tiếp dự đốn giải mã thành cơng lớn E[Di], tốc độ tổng hợp mạng lớn Vấn đề trường hợp đơn giản để giải E[Di] tính tốn sử dụng kết mạnh đề (3.13) trường hợp rC Để giải vấn đề tối ưu Công suất kênh MIMO suy giới hạn nghiên cứu Telatar Hơn để lọc mơ hình MIMO nhiều người dùng cho thấy việc thiết lập kế hoạch giống Giả định AP truy nhập để trạng thái thông tin kênh cho kết công suất phải Giả thiết AP yêu cầu với nr anten nhận Số anten truyền vùng i E[Di], số node giải mã thành cơng Sau đó, đường lên kênh MIMO với nhiều người sử dụng mơ hình hóa sử dụng (3.4), Hi ma trận 𝑛𝑟 𝑥 𝐸 [𝐷𝑖 ] tương ứng với kênh phản hồi từ node hợp tác vùng i tới đích xi vecto E[Di] x thông điệp hợp tác gửi từ vùng i, ý kể từ node đặt đóng tới node khác ví dụ xét node giải mã thành công thông điệp, giả sử tồn việc hợp tác xét chúng đa anten gửi thông điệp Mang đến trạng thái thông tin kênh biết máy nhận, công thức vùng hiệu suất với nhiều anten nhận viết sau: ∑𝑀 𝑖=1 𝑅𝑖 (𝐸 (𝐷𝑖 )) ≤ 𝐸𝐻 [log 𝑑𝑒𝑡 (𝐸𝑛𝑟 + 𝑃 𝑍𝑜 𝐻 ∑𝑀 𝑖=1 𝐻𝑖 𝐻𝑖 )] (3.21) 48 ∀𝑀, ≤ 𝑀 ≤ 𝑁𝑝 Trong đó: 𝐸𝑛𝑟 ma trận vuông nr x nr Z = [z1, , 𝐸𝑛𝑟 ]T vecto nhiễu máy thu, giả định zis RV Gausian với giá trị Zo Thay M = Np để kết vùng bắt buộc có tốc độ tổng hợp đạt lớn Trong mơ hình hệ thống, giả định AP phân bố chiều cao h đủ để từ nút, mong chờ công suất thu AP từ tất nút xấp xỉ 𝑃 ℎ𝛼 Giả sử fading Rayleigh, thành phần ma trận Hi có mơ tả Gaussian mở rộng yếu tố cơng suất Do đó, Hi viết phiên mở rộng ma trận Hi’ với yếu tố Gaussain đơn giản, Hi = ℎ𝛼 𝐻′𝑖 3.5 Kết phân tích số mơ Trong phần này, trình bày kết phân tích số dựa đề xuất khung phân tích so sánh chúng với kết mơ Vấn đề công suất cực đại giải số việc thay đổi bán kính vùng hợp tác tìm kiếm giá trị tối ưu Giả định yếu tố suy hao đường truyền có α=4 mặt phẳng đĩa cho mạng không dây với anten thấp Yếu tố suy hao đường truyền không gian tự node AP, xét với α=2 Hai luận cho việc thiết lập tốc độ tổng hợp hiệu lượng Cho đơn vị đĩa với N node, 𝑁𝜋𝜖 < |𝐴|𝑑𝑖𝑠𝑘 = để đảm bảo tất node nằm đĩa Giả sử 𝜖 = √5𝜋𝑁 với 𝜖 khoảng cách node Trong mô phỏng, thu 25 cấu trúc mạng khác Trong tất trường hợp, AP giả định đặt chiều cao h=1 mạng Zo=1 3.5.1 Ảnh hưởng bán kính vùng hợp tác số lượng anten nhận Hình 3.4 cho thấy đồ thị log-scaled tốc độ tổng cho mạng với N=1000 node Hiệu số lượng anten nhận khác nr dựa kết mục trước Như dự đoán, tổng số lượng node thành công giải mã xác định công suất Quan sát đường cong biểu diễn anten nhận khác có đặc tính điều kiện điểm tốc độ tổng xảy lớn Yếu tố xác định cho 49 tốc độ tổng hợp mạng tổng số lượng vùng hợp tác số lượng node giải mã vùng Do đó, bán kính vùng hợp tác tối ưu giống cho giá trị khác nr Tuy nhiên, việc tăng số lượng anten cho kết không gian lớn mà gây việc tăng công suất thấy đường cong Hơn nữa, hình cịn thể việc chọn bán kính vùng tối ưu yếu tố quan trọng cho tất giá trị nr Lí cho khác phân tích mơ hiệu ứng đỉnh, tương ứng sử dụng tính tốn với tốc độ tổng trung bình Từ node đặt ngẫu nhiên, số lượng nguồn thực tế chọn thuật tốn MIS số lượng xác định kết từ lí thuyết Hơn hình cho thấy việc chọn bán kính vùng tối ưu định cho tất giá trị nr Hình biểu diễn: Hình 3.4 Mạng tốc độ tổng hợp cho số lượng anten khác đích ps= 0.02 [9] Xét mơ hình fading Rician node AP Thông số k số truyền lượng đường phản xạ để lượng đường thưa thớt Hình 3.4 chứng minh tồn bán kính vùng hợp tác tối ưu cho giá trị k khác giả định lượng kênh cho tất giá trị k 50 Hình 3.5 Tốc độ tổng hợp mạng cho nr=5 giá trị khác k, ps=0.02 [9] Hơn nghiên cứu hiệu mô hình cho N=1000 node tổng thể tốc độ tổng hợp mạng hình 3.6 mơ Giả định mơ hình lognormal với biến 𝜓 hợp tất kênh xét 𝜎𝜓𝑑𝐵 = 4𝑑𝐵, 𝜎𝜓𝑑𝐵 mức sai lệch 𝜓, 𝜓𝑑𝐵 = 10𝑙𝑜𝑔𝜓, 𝜇𝜓𝑑𝐵 = 0𝑑𝐵 , 𝜇𝜓𝑑𝐵 mức trung bình 𝜓𝑑𝐵 = 10𝑙𝑜𝑔𝜓 Mức trung bình 𝜇𝜓𝑑𝐵 suy hao đường truyền giả định 0𝑑𝐵 xét hiệu suy hao đường truyền kênh khác Roh cung cấp phân tích tỉ mỉ thể hiệu đa dạng cực tiểu cực đại phân bố hệ thống MIMO so sánh lợi ích vốn có hệ thơng MIMO Hình 3.6 So sánh tốc độ tổng hợp mạng cho nr=5 mơ hình kênh có fading mơ hình kênh hỗn hợp fading ps=0.02 [9] 51 Trong hình 3.7 đạt tốc độ tổng mạng lớn miêu tả cho số lượng node khác mạng xác suất hoạt động khác node Hình cho thấy việc tăng xác suất hoạt động dẫn tới tăng tốc độ tổng Hình 3.7 Tốc độ tổng mạng lớn cho số lượng node khác mạng xác suất hoạt động khác [9] Kết mô chứng minh tốc độ tổng mạng tăng thu kết kênh mà chịu fading nhiều cho thấy hình 3.8 Hình 3.8 Tốc độ tổng hợp mạng lớn cho số lượng node khác mạng xác suất hoạt động khác So sánh mơ hình kênh fading hỗn hợp fading [9] 52 Hình 3.9 cho thấy hiểu biết xác kế hoạch cơng việc Đối với mối xác suất hoạt động ps, tăng số lượng node vùng hợp tác với bán kính nhỏ tối ưu Điều dự kiến từ kế hoạch trực giao không cho phép bán vùng hợp tác chồng chéo Hình 3.9 Bán kính vùng hợp tác cho số lượng node khác xác suất hoạt động khác [9] Hình 3.10 cho thấy xác suất giải mã thành công node chuyển tiếp vs khoảng cách từ nguồn cho với ba giá trị khác rC với ropt=0.05 Hình biểu diễn việc tăng bán kính hợp tác giá trị tối ưu không cải tiến hiệu suất hệ thống Hình 3.10 Xác suất giải mã thành công chống lại khoảng cách trễ từ nguồn [9] 53 Cho bán kính vùng ropt=0.05, xác suất giải mã thành công node chuyển tiếp 0.51 Giá trị giống cho vùng với bán kính ropt=0.11 tăng 0.85 đến ropt = 0.19 Tuy nhiên, cho vùng với bán kính lớn 0.19, từ hình cho thấy xác suất giải mã xác nhỏ cho node chuyển tiếp đặt ropt=0 05 từ nguồn Trong trường hợp này, vùng hợp tác lớn cho phép lượng nhiễu mạng tăng nhiễu node chuyển tiếp lớn Trong tăng số lượng node chuyển tiếp giải mã gần nguồn Điều dẫn đến việc làm giảm tốc độ tổng so sánh trường hợp chuyển tiếp với bán kính vùng hợp tác tối ưu 3.5.2 Ảnh hưởng ngưỡng giải mã node Ngưỡng giải mã 𝛿 node dẫn tới thay đổi đáng ý tốc độ tổng hợp việc tiết kiệm lượng mạng Trong mục nghiên cứu hiệu cho thay đổi lớn ngưỡng giải mã Có ngưỡng nhỏ dẫn tới việc lí tưởng, node cho phép mức cao nhiễu Một phương diện khác ngưỡng giải mã lớn cho kết trường hợp hợp tác khơng có lợi ích từ mạng việc tăng cơng suất hiệu nguồn điều khiển truyền hai khe cho chiến lược truyền tối ưu Hình 3.11 tương ứng với việc giảm cơng suất kết việc tăng ngưỡng giải mã 𝛿 Như mong đợi thay đổi tốc độ tổng hợp nhỏ trường hợp xác suất hoạt động lớn (ps=0.2) Nghiên cứu vùng hợp tác tối ưu hình 3.12 Đối với ngưỡng giải mã thấp, hiệu suất hợp tác không bị ảnh hưởng nhiễu Kết giá trị lớn cho bán kính vùng hợp tác tối ưu Tuy nhiên, tăng ngưỡng nguyên nhân làm node chuyển tiếp gây nhiễu nhiều Điều dẫn tới việc không hiệu node chuyển tiếp để đóng giới hạn vùng hợp tác rộng hơn, mà đưa giải pháp chọn vùng nhỏ giải pháp tối ưu truyền thông hợp tác 3.5.3 Độ lợi hợp tác Đáng giá hiệu nguồn việc sử dụng khái niện lợi ích hợp tác Để định nghĩa cho khái niệm xác hơn, giả định có Ns nguồn hoạt động mạng lần truyền với nguồn P việc thiết lập truyền dẫn trực tiếp Biểu diễn tốc độ đạt việc thiết lập Rdir 54 Hình 3.11 Mạng tốc độ tổng tối ưu chống lại giá trị khác ngưỡng giải mã [9] Hình 3.12 Bán kính vùng hợp tác tối ưu chống lại ngưỡng giải mã [9] Ước lượng tổng thể nguồn yêu cầu việc thiết lập hợp tác để đạt tốc độ tổng hợp giống Dưới thiết lập hợp tác tối ưu tổng Np + D node hoạt động, lần gửi với nguồn P’ để đạt thông lượng tổng thể Rtotal=Rdir Lợi ích hợp tác mạng xác định sau: 𝑐𝑜𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝐺𝑎𝑖𝑛 = 𝑁𝑠 𝑃 (𝑁𝑝 +𝐷)𝑃′ (3.22) Hình 3.13 cho thấy kết mô việc tiết kiệm công suất cho mạng 55 với ngưỡng giải mã thấp Hiệu việc tiết kiệm công suất giảm với việc tăng ngưỡng phạm vi hoạt động Hình 3.13 Độ lợi hợp tác chống lại ngưỡng giải mã [9] 3.6 Tổng kết chương Trong chương này, giới thiệu khung phân tích để nghiên cứu hiệu hợp tác mạng không dây diện rộng với lượng nhiễu Đánh giá tăng tốc độ tổng tiềm ẩn tiết kiệm lượng thu từ việc hợp tác Độ lợi hiệu suất thu hợp tác bị giới hạn việc tăng lên số lượng nhiễu vốn có node chuyển tiếp Tìm kiếm hợp tác tối ưu việc đánh giá băng việc khai thác node node chuyển tiếp tăng nhiễu gây việc truyền không đồng node chuyển tiếp mạng dày đặc Giới thiệu khái niệm vùng hợp tác, bán kính tối ưu để tổng thể tốc độ mạng lớn Hiệu nguồn thu việc chọn vùng hợp tác tối ưu đánh giá Kết số dựa việc đề xuất phân tích cung cấp nguyên tắc thiết kế cho vấn đề chuyển tiếp tối ưu giới hạn nhiễu mạng không dây làm rõ độ lợi hiệu suất tối ưu thu từ việc hợp tác 56 KẾT LUẬN Gần truyền thông hợp tác lên sóng Nó coi kĩ thuật hữu ích, cần thiết cho hệ thống mạng không dây tương lai Trên sở kiến thức thu trình học tập đào tạo trường bảo tận tình giúp đỡ giáo ThS Lê Thị Kiều Nga đồ án giải vần đề sau: + Lợi ích truyền thông hợp tác so với truyền thông truyền thống mạng không dây; + Các giao thức truyền thông hợp tác; + Việc hợp tác giới hạn nhiễu mạng khơng dây; + Tìm hiểu phân tích kết dựa mô nhà nghiên cứu Bên cạnh đó, việc hợp tác người sử dụng node chuyển tiếp giúp tăng tốc độ tiềm ẩn tiết kiệm lượng nhờ việc chia sẻ tài nguyên anten để tạo nên hệ thống MIMO ảo Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy tồn thể bạn để em hoàn thành tốt đồ án 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A Nosratinia, T.E Hunter and A Hedayat, Cooperative communication in wireless networks, IEEE Communications Magazine, vol 42, no 10, October 2004, pp 74-80 [2] 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, Dec 2004, pp 3062-3080 [3] Qian Li, Rose Qingyan Hu, Yi Qian, Geng Wu, Cooperative communications for wireless networks: techniques and applications in LTE-advanced systems , IEEE Wireless Communications, April 2012 [4] T.Rappaport, Wireless communications: Principles and practice, Aug, 2002 [5] Sendonaris & Aazhang, B (2003) User cooperation diversity-Part I: System description, IEEE Transactions Communications 51, 1927-1938 [6] Sendonaris, A., Erkip, E., & Aazhang, B (2003) User cooperation diversityPart II: Implementation aspects and performance analysis, IEEE Transactions on communications, 51, 1939-1948 [7] Kramer, G., Gastpar, M., & Gupta, P (2005), Cooperative strategies and capacity theorems for relay networks, IEEE Transactions on Information Theory, 51(9), 3037-3063 [8] Laneman & Wornell, G W (2004), Cooperative diversity in wireless networks Efficient protocols and outage behavior, IEEE Transactions on Information Theory, 50(12), 3062 -3080 [9] Sam Vakil, cooperative communication schemes in wireless networks: A cross layer approach, IEEE Wireless Communications July, 2008 [10] Siriwongpairat, W P., Himsoon, T., Su, W., & Liu, K J R (2006), Optimum threshold-selection relaying for decode-and-forward cooperation protocol, InProc IEEE Wireless Communications and Networking Conference Las Vegas, NV, April 3-6, 2006 [11] J N Laneman, D N C Tse, and 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, 2004 58 [12] Aitor del Coso, Stefano Savazzi, Umberto Spagnolini, and Christian Ibars, Virtual MIMO channels in cooperative đa đường wireless sensor networks 40th Annual Con-ference on Information Sciences and Systems, March 2006, pp 75-80 [13] Xiangping Qin and Randall Berry, Exploiting multiuser diversity for medium access control in wireless networks, inProc IEEE INFOCOM, April 2003, vol 2, pp 084-1094 [14] Furuzan Atay Onat, Abdulkareem Adinoyi, Yijia Fan, Halim Yanikomeroglu, John S.Thompson, and Ian D Marsland, Threshold selection for SNR-based selective digital relaying in cooperative wireless networks, IEEE Transactions on Wireless Communication, to appear in 2004 [15] Ivana Maric and Roy D Yates, Cooperative multihop broadcast for wireless networks, IEEE Journal on Selected Areas in Communication, vol 22, no 6, pp 1080-1088, August 2004 [16] Aitor del Coso, Stefano Savazzi, Umberto Spagnolini, and Christian Ibars, Virtual MIMO channels in cooperative multi-hop wireless sensor networks 40th Annual Con-ference on Information Sciences and Systems, March 2006, pp 75-80 [17] John Boyer, David D Falconer, and Halim Yanikomeroglu, Cooperative connectivity models for wireless relay networks, IEEE Transactions on Wireless Communication, vol 6, no 6, pp 1992-2000, June 2007 [18] 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 [19] L Z Zheng and D N C Tse, Diversity and multiplexing: A fundamental trade-off in multiple-antenna channels, IEEE Trans Inf Theory, vol 49, no.5, pp 1073-1096, May 2003 [20] S Ghez, S Verdu, and S Schwartz, Stability properties of slotted aloha with multipacket reception capability, IEEE Transactions on Automatic Control, vol 33, no 7, pp 640-649, July 1988 [21] Srihari Adireddy and Lang Tong, Exploiting decentralized channel state information for random access, IEEE Transactions on Information Theory, vol 51, no 2, pp 537-561, February 2005 59 ... truyền thơng hợp tác tập trung tìm hiểu mạng không dây ad-hoc mạng cảm biến khơng dây mạng di động, tác 14 nhân khơng dây làm tăng đáng kể hiệu chúng hợp tác Trong hệ thống truyền thông hợp tác, ... Gần đây, khái niệm truyền thông hợp tác mẫu truyền thông đề xuất cho mạng không dây Ý tưởng truyền thông hợp tác tất node di động mạng không dây hỗ trợ việc gửi tín hiệu hợp tác tới đích Mỗi thơng... Giới thiệu tổng quan mạng không dây Chương 2: Truyền thông hợp tác Chương 3: Hợp tác giới hạn nhiễu mạng khơng giây i TĨM TẮT ĐỒ ÁN Truyền thơng hợp tác cho thấy hiệu việc khai thác đa dạng không