TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐA CHẶNG ONE WAY RELAY
2.1. Giới thiệu chương
Chương này trình bày về các nội dung:
- Tổng quan về hệ thống thông tin đa chặng và relay - Mô hình hệ thống
- Ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin đa chặng One-way relay 2.2. Thông tin đa chặng
2.2.1. Tổng quan về thông tin đa chặng
Hình 2.1: Mô hình hệ thống thông tin đa chặng
Có một số cách tiếp cận để thực hiện phân tập trong việc truyền dẫn không dây nhiều anten có thể được sử dụng để phân tập theo không gian hoặc tần số. Nhưng nhiều anten không phải lúc nào cũng có sẵn, hoặc đích ở quá xa để có thể đạt được chất lượng tín hiệu tốt. Để có sự phân tập, cách tiếp cận thích hợp là sử
dụng thêm trạm chuyển tiếp gọi là relay. Mô hình của hệ thống được minh họa như hình vẽ trên.
Khi đó thông tin đi từ trạm gốc đến thuê bao thay vì chỉ đi một chặng giờ đây phải đi qua nhiều chặng. Chẳng hạn nếu giữa trạm gốc và thuê bao là một relay thì thông tin phải đi qua hai chặng: chặng một giữa trạm gốc và relay, chặng hai giữa relay và thuê bao. Thông tin được truyền như vậy được gọi là thông tin đa chặng.
2.2.2. Mục đích sử dụng relay
Việc dùng relay trong mạng LTE có tác dụng làm tăng chất lượng dịch vụ, dung lượng hệ thống cũng như diện tích bao phủ. Đối với mạng tế bào, càng đi ra vùng biên của tế bào thì chất lượng sóng càng thấp, đồng thời tốc độ truy cập của thuê bao giảm xuống đáng kể, việc dùng trạm tiếp sóng relay sẽ cải thiện được tốc độ truy cập đối với các thuê bao ở vùng biên tế bào. Ngoài ra trong môi trường đô thị với nhiều nhà cao tầng, đôi khi trạm BTS không thể giao tiếp trực tiếp với thuê bao di động, tức là đường LOS bị nhà cao tầng che khuất khiến chất lượng sóng thấp. Các trạm chuyển tiếp relay đặt trên các nhà cao tầng có thể khắc phục được hiện tượng này.
Dựa trên quá trình xử lý tại relay, có 2 giao thức được đưa ra:
- Khuếch đại và chuyển tiếp (AF): Relay thực hiện nhiệm vụ đơn giản là khuếch đại tín hiệu nhận được, sau đó chuyển tiếp chúng đến đích.
- Giải mã và chuyển tiếp (DF): Relay cần phải giải mã tín hiệu, tái mã hóa, sau đó chuyển tiếp tín hiệu đó tới đích.
Như vậy giao thức DF phức tạp hơn hẳn giao thức AF. Trong khuôn khổ đồ án này, giao thức được sử dụng là AF, tất cả các nodes được đồng bộ và kênh truyền giữa các nodes là kênh Rayleigh fading.
2.3. Ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin đa chặng one-way relay
2.3.1. Hệ thống One-way relay
One-way relay là mô hình thông tin đa chặng được đề xuất đầu tiên. Trong đó relay giữ nhiệm vụ chính là khuếch đại tín hiệu và chuyển tiếp tín hiệu. Relay nhận tín hiệu từ trạm gốc, khuếch đại tín hiệu rồi chuyển tiếp đến thuê bao hoặc nhận tín hiệu từ thuê bao, khuếch đại và chuyển tiếp nên One-way relay chỉ yêu cầu xử lý trong lớp vật lý.
Hình 2.2: Mô hình One-way relay
Hình 2.2 là mô hình đơn giản gồm một trạm phát giao tiếp với một thuê bao di động sử dụng one-way relay. Để trao đổi thông tin giữa trạm gốc và thuê bao, một khe tần số được cấp phát. Giả sử khe thời gian đầu tiên, thông tin được truyền từ trạm gốc đến relay (TS1). Relay nhận thông tin, khuếch đại và chuyển tiếp đến thuê bao trong khe thời gian thứ 2 (TS2). Trong khe thời gian thứ 3, thuê bao gửi thông tin đến relay (TS3). Relay thu nhận thông tin, khuếch đại và chuyển tiếp đến trạm gốc trong khe thời gian thứ 4 (TS4). Như vậy để giao tiếp giữa trạm gốc với thuê bao sử dụng một relay, ta phải tốn 1 khe tần số và 4 khe thời gian tổng cộng.
Ngoài ra thông tin đến và đi từ một relay chỉ tới một đích duy nhất tại một thời điểm, do đó nó được gọi là one-way relay.
2.3.2. Ưu và nhược điểm của One-way relay
Ưu điểm: đơn giản vì chỉ yêu cầu xử lý khuếch đại và chuyển tiếp trong lớp vật lý. Do đó, one-way relay có kích thước nhỏ, giá thành thấp hơn nhiều so với một trạm BTS đồng thời có thể sử dụng điện thoại di động làm một relay trong khi chất lượng đường truyền được đảm bảo.
Nhược điểm: hiệu quả sử dụng khe thời gian thấp do sử dụng thêm các khe thời gian để chuyển tiếp. Nếu sử dụng một relay cần 4 khe thời gian để giao tiếp. Ước lượng kênh truyền cũng sẽ phức tạp hơn khi thuê bao hoặc relay di chuyển so với nguồn.
2.3.3. Ước lượng kênh truyền trong hệ thống thông tin đa chặng One-way relay
Trong hệ thống thông tin đa chặng (multi-hop), ước lượng kênh truyền có thể được biểu diễn bởi 2 quá trình riêng biệt:
- Từ nguồn tới relay (SR). - Từ relay tới đích (RD).
Tuy nhiên phân chia như vậy có thể gây ra bất lợi trong truyền dẫn AF. Ví dụ tại relay phải lượng tử hóa thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) đã được ước lượng trong chặng thứ nhất, sau đó chuyển tiếp nó đến đích. Điều này không chỉ gây giảm hiệu quả sử dụng băng thông, mà còn gây méo CSI và tăng độ trễ. Để tránh những bất lợi nêu trên, thuật toán ước lượng kênh truyền nối tầng được đề xuất, trong đó kênh truyền fading từ nguồn qua relay tới đích được gọi là kênh truyền đa chặng và việc ước lượng kênh chỉ cần thực hiện tại đích. Chương này sẽ giải quyết vấn đề về ước lượng kênh chọn lọc kép bằng kỹ thuật Maximum Likelihood (ML). Đặc biệt để làm giảm số lượng ẩn số cần phải ước lượng, mô hình khai triển cơ bản (BEM) được áp dụng trong đồ án này.
Hình 2.3: Mô hình truyền dẫn multi-hop
Xét một hệ thống trong đó nguồn có 1 anten phát, đích có 1 anten thu. Để tổng quát, xét hệ thống có R relays, nguồn và relays được giả thiết là cố định. Nguồn sử dụng khối truyền dẫn OFDM với tín hiệu được điều chế M-QAM. Trong 1 khối ký tự OFDM có P ký tự pilots được sử dụng để ước lượng kênh và D ký tự là ký tự dữ liệu. Sau khi biến đổi IFFT và chèn tiền tố CP, tín hiệu phát dải nền tại ký tự OFDM thứ m, trong thời gian thứ n được biểu diễn như sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
trong đó
{- g,...,0,... 1}
n∈ N N −
, g
N
đại diện cho chiều dài tiền tố CP, k m,
X
là sóng mang con dữ liệu điều chế thứ k trong ký tự OFDM thứ m.
Trong khoảng thời gian pilot của một khung truyền, tại nguồn gửi đi P ký tự pilots OFDM có chỉ số là { 1
... P
m m
}. Tín hiệu sau đó được gửi đến multi-relays, trong đó kênh truyền giữa nguồn và relay là kênh truyền chọn lọc thời gian và tần số. Trong giao thức truyền AF, tín hiệu nhận tại relay được khuếch đại với một hệ
số biến đổi thời gian , p
n m
α
. Qua kênh truyền chọn lọc thời gian, tần số có chiều dài
thời gian thứ n trong ký tự OFDM thứ m được khuếch đại với hệ số , p n m α tại relay r R
. Cụ thể hơn, tín hiệu được phát đi từ relay có thể được viết lại:
trong đó là nhiễu trắng cộng AWGN có phương sai và trung bình , đại diện cho đáp ứng xung kênh truyền chọn lọc thời gian và tần số giữa nguồn và relay, trong đó bao gồm cả ảnh hưởng của suy hao đường truyền. Tín hiệu nhận tại đích tại ký tự OFDM thứ m, mẫu thời gian thứ n là tổng chồng chập của tín hiệu đến từ tất cả relay. Cụ thể, tín hiệu nhận tại đích là:
Công thức (2.3) chỉ ra rằng tín hiệu nhận tại đích bao gồm thành phần tín hiệu hữu ích bị ảnh hưởng bởi kênh truyền chọn lọc kép nối tầng và nhiễu AWGN.
Hệ số fading từ nguồn đến đích có thể được viết lại như sau:
Để giảm số lượng ẩn số cần phải ước lượng, BEM có thể được dùng để xấp
xỉ ( ) '', , p r l n m γ như sau:
Như vậy, tín hiệu nhận được tại đích được biểu diễn lại như sau Xếp chồng N mẫu nhận được là:
Thu gọn công thức (2.7) ta có:
Dạng vector của tất cả tín hiệu pilot nhận được biểu diễn như sau:
Hệ số fading có thể được khôi phục tại đích :
2.3.3.2. Khôi phục dữ liệu
Hệ số khuếch đại biến đổi thời gian được sử dụng trong suốt quá trình truyền pilot của một khung truyền. Tuy nhiên để đơn giản hơn trong quá trình khôi phục dữ liệu tại đích, hệ số khuếch đại được sử dụng trong thời gian truyền dữ liệu của một khung truyền là bất biến thời gian
( )r (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
α .
Quá trình truyền pilot cũng như quá trình truyền dữ liệu, dùng các pilot thu được ước lượng kênh truyền sau đó khôi phục dữ liệu tại đầu thu.
Tín hiệu nhận được trong miền tần số sau biến đổi DFT là
trong đó:
• là đáp ứng tần số kênh truyền (CFR).
• là thành phần can nhiễu liên sóng mang.
• đại diện cho thành phần nhiễu trong miền tần số. Sử dụng kỹ thuật ML để ước lượng, ta có tín hiệu ước lượng là:
Với M χ
đại diện cho tất cả ký tự điều chế M-QAM được phát đi. 2.4. Kết luận chương
Trong chương này đã trình bày các vấn đề về ước lượng kênh truyền chọn lọc thời gian và tần số trong hệ thống thông tin đa chặng one-way relay. Để tránh méo tín hiệu, tăng hiệu quả sử dụng băng thông, kênh truyền nối tầng được đề xuất, và việc ước lượng kênh chỉ cần được thực thi tại đích bởi kỹ thuật Maximum Likelihood.
CHƯƠNG 3
ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN CHỌN LỌC THỜI GIAN VÀ TẦN SỐTRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM TWO WAY RELAY