Theo các nghiên cứu về lý thuyết thông tin, những nghiên cứu ban ựầu về dung lượng kênh truyền relay không dây bởi T.M. Cover và A.A. El. Gamal [3] ựề cập ựến mô hình ựơn giản nhất qua relay bao gồm nút nguồn, nút ựắch và nút relay như hình 16: Giảựịnh các node ựều hoạt ựộng trên cùng 1 băng tần, hệ thống có thể là 1 kênh truyền thông quảng bá BC (broadband channel) nhìn từ nút nguồn và là 1 kênh truyền ựa truy cập MAC (multiple access channel) nhìn từ nút ựắch.
Hình 16: Mô hình kênh truyền qua relay 3 nút BC/MAC Tốc ựộ lớn nhất R theo Cover và Gamal [3] xác ựịnh như sau:
R< max min {I(X0;Y/X1), I(X0,X1;Y)}
Với giải pháp cooperative relay (hay relay cooperation) trên 1 cell, RS ựược ựưa ra trong mạng không dây như hình 17, chúng ta có thể thấy nhờ RS, một ựường truyền khoảng cách lớn tốc ựộ thấp sẽựược thay bằng 2 ựường truyền ngắn hơn và tốc ựộ dữ liệu cao hơn. Qua RS có thể mở rộng vùng phủ sóng 1 cell và có thể sẽ cung cấp các dịch vụ cho các SS ở ngoài phạm vi của cell. Với việc sử dụng các trạm RS, sẽ khắc phục các chướng ngại vật làm suy yếu chất lượng kênh truyền. đáng chú ý nhất là, khai thác ựược các tắn hiệu nhận ựược mà chúng có thể là tiếng ồn và nhiễu, tốc ựộ truyền dẫn không dây và dung lượng hệ thống có thể cơ bản ựược cải thiện.
Hình 17: Kiến trúc mạng 802.16j dựa trên relay
Qua ựây, có thể nói ựường truyền qua relay sẽ ựược nâng cao về chất lượng ựường truyền so với ựường truyền trực tiếp từ BS ựến SS. Nói cách khác, tốc ựộ dữ liệu, dung lượng hệ thống, vùng phủ sóng cell và ựộ tin cậy ựường truyền có thể ựược cải thiện ựáng kể qua các trạm chuyển tiếp ựược triển khai trong 1 cell.
Một kiến trúc mạng ba lớp như hình trên ựược sử dụng bao gồm ba thực thể mạng: BS, RS, và SS cố ựịnh. BS phục vụ như một khối ựiều khiển/ựiều phối viên trung tâm và xử lý các vấn ựề ựịnh tuyến và tắn hiệu trong cell. Các trạm chuyển tiếp chịu trách nhiệm tiếp nhận dữ liệu giữa BS và SS liên quan trên cơ sở chiến lược cooperative relay nhận ựược. Trạm RS không có kết nối trực tiếp với mạng lõi và ựược triển khai tại các vị trắ thắch hợp nào ựó ngoài trời mà không bị gián ựoạn nguồn năng lượng có thểựược cung cấp.
Trạm RS có thể sử dụng cho một ựiểm nóng hoặc 1 tòa nhà mà có một số lượng lớn lưu lượng chuyển vận tạo ra bởi người sử dụng thiết bị ựầu cuối ựược tổng hợp tương ứng. đến một mức ựộ nhất ựịnh việc thiết kế và triển khai mạng phụ thuộc vào sự phân bốựịa lý của các nhu cầu lưu lượng. Chúng ta cần phải dựa trên các dữ liệu phân tắch thống kê, ựo lường và giám sát lưu lượng cũng nhưựề phòng sự phát triển của lưu lượng chuyển vận, nhu cầu lưu lượng truy cập trung bình và cao ựiểm của từng SS có thể ựược lấy cho quy hoạch mạng. Vì mục ựắch dài hạn
triển khai mạng, nâng cấp và mở rộng, cần ựi theo sự phân bốựịa lý của nhu cầu lưu lượng cao ựiểm tại SS như là dữ liệu ựầu vào ựược giả ựịnh ựược biết ựến ở giai ựoạn chuẩn bị lập kế hoạch cho vị trắ RS [2].
Công nghệ dồn kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) ựược sử dụng ựể giảm bớt nhiễu. Trạm BS có thể ựược truy cập cùng lúc nhiều bởi SS khác nhau ở băng tần ựược chỉ ựịnh (OFDMA). Nói cách khác, mỗi kênh truyền giữa BS và một SS vốn ựã là một thể hiện của mô hình chuyển tiếp 3 nút ỘBS-RS-SSỢ cơ bản, trong ựó các liên kết BS-SS, BS-RS và RS-SS ựược chỉ ựịnh phổ tần số chung. Mô hình truyền dựa trên relay chỉ ra tồn tại một sự phân phối băng thông tối ưu ựể tối ựa hóa dung lượng hệ thống (cell).
Giải pháp Cooperative Relay với công nghệ D-F (Decode and Forward) ựược sử dụng trong mô hình relay ựa SS-ựa RS. Trạm chuyển tiếp kết hợp với nguồn giải ựiều chế và mã hóa các gói dữ liệu nhận ựược, và việc chuyển tiếp chúng ựến ựắch có thể sử dụng một mã khác. Với Cooperative Relay D-F, một kết nối dài tốc ựộ thấp ựược thay bằng hai kết nối ngắn hơn với ựộ tin cậy tốt hơn và tốc ựộ dữ liệu lớn hơn.
Hình 18: Mô hình kênh truyền relay 3 node
Các mô hình kênh dựa trên relay ựơn giản nhất là 1 lớp của mạng truyền thông 3 nút với các tham số nhưở hình 18. Tốc ựộ nhận ựược (theo ựơn vị bit/s/Hz) cho mỗi nút ựắch là [3]: r=min[C( s sr r P d N θ −α ), C( s sd r rd 2 s sd r rd d P d P d P d P d N θ −α+ −α+ −α −α )] (1) Trong ựó:
α là hệ số mũảnh hưởng,
Ps và Pr là công suất truyền của BS và RS
dsr, dsd và drd là các khoảng cách minh họa trong hình 18.
C(x) là hàm Shannon: C(x)= 1
2log(1+x) với x ≥ 0
Nr và Nd lần lượt là công suất nhiễu tại nút chuyển tiếp (relay) và nút ựắch (destination).
θ (0 < θ < 1) là tỷ lệ cấp phát công suất truyền của nút nguồn (source) giữa ỘSource-RelayỢ và ỘSource-DestinationỢ. đây là tham số quan trọng trong công thức (3) ảnh hưởng ựến tốc ựộ nhận ựược: θ =1-θ
để thuận lợi cho công thức hóa vấn ựề ựặt vị trắ RS, chúng ta cần phải lấy ựược các dạng gần ựúng diễn tả tỉ lệ phân phối tối ưu công suất truyền tải của các nút nguồn, như θ* trong mô hình relay cơ bản ba nút như vậy tốc ựộ r có thểựược tối ựa qua các vị trắ nhất ựịnh của nút nguồn, chuyển tiếp và ựắch ựến. đểựơn giản, chúng ta giảựịnh công suất nhiễu Nr = Nd = N0. θ* ựược diễn tả như sau: θ*=arg max[min(r(1)(θ),r(2)(θ))] (2) Do r(1)(θ) = C( s sr r P d N θ −α ) là 1 hàm ựơn ựiệu tăng của θ và r(2)(θ) = C( s sd r rd 2 s sd r rd r P d P d P d P d N θ −α+ −α+ −α −α ) là 1 hàm ựơn ựiệu giảm của θ. Giá trị tối ưu của
θ có ựược khi r(1)(θ)=r(2)(θ). Vì thế θ* ựược xác ựịnh:
θ* = (2( . ) . sr rd r s sd rd d u d P P d d α α α α − với u ≥0 θ * = 1 nếu u <0 (3) với u = P dr( sdα −dsrα)(P ds rdα −P dr srα) (4)
Những lợi ắch của cooperative relay chủ yếu là do khai thác tiềm năng của anten tại BS và RS. Hiệu năng có thể ựạt ựược và chứng minh thông qua hoặc một tốc ựộ dữ liệu cao hơn hoặc sự mở rộng vùng phủ sóng di ựộng ở mức ựộ nào ựó, hoặc sự giảm công suất truyền tải ở cùng mức dữ liệu giống nhau.