Các kỹ thuật hay cách thức hoạt động của nút chuyển tiếp để xử lý thông tin tiếp nhận từ nút nguồn và chuyển tiếp về phía nút đích được gọi là các giao thức. Hai giao thức chuyển tiếp phổ biến thường được sử dụng nhiều trong các hệ thống truyền thông hợp tác gồm khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward – AF) và giải mà và chuyển tiếp (Decode and Forward – DF) và hai giao thức này được trình bày cụ thể trong phần tiếp theo.
2.3.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
Việc truyền thông chuyển tiếp đơn giản nhất là sử dụng phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp (AF). Mỗi nút chuyển tiếp trong phương pháp này nhận phiên bản bị nhiễu của tín hiệu đã được truyền bởi đối tác của nó rồi sau đó khuếch đại tín hiệu thu được và chuyển tiếp nó đến nơi nhận như được mơ tả trong Hình 2.8. Nút đích sẽ kết hợp thơng tin được gửi bởi nút chuyển tiếp và nó sẽ đưa ra quyết định cuối cùng về nội dung đã được truyền đi. Mặc dù nhiễu của tín hiệu cũng được khuếch đại bởi phương thức hợp tác AF nhưng nút đích chỉ nhận phiên bản của tín hiệu bị fading độc lập và nó có thể đưa ra quyết định tốt hơn về việc phát hiện thông tin.
R D
S xs[k] yr[k] β yr[k] yD[k]
Sơ đồ khối của một nút chuyển tiếp AF được trình bày như Hình 2.9. Một mạch khuếch đại tín hiệu vô tuyến được sử dụng với một hệ số khuếch đại là . Giả sử rằng, trong phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp, nút đích biết được hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp để thực hiện việc mã hóa tối ưu, vì vậy cơ cấu trao đổi hoặc đánh giá thông tin này phải được kết hợp vào bất kỳ việc thực thi nào. Một thách thức lớn khác là việc lấy mẫu, khuếch đại và truyền lại giá trị tương tự là rất quan trọng trong kỹ thuật, do đó phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp là một phương pháp đơn giản mà cho phép mượn chính nó để phân tích. Vì vậy nó đã rất hữu ích trong việc đẩy mạnh quan điểm của chúng ta về mạng hợp tác thu thập năng lượng.
β
KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP
Hình 2.9: Sơ đồ khối kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp
Giao thức khuếch đại và chuyển tiếp AF được sử dụng xuyên suốt trong đề tài, nên ta cần phân tích cụ thể của mơ hình hệ thống bao gồm một nút nguồn S, nút đích D và nút chuyển tiếp R. Hệ số kênh truyền từ S đến R là h, g là hệ số kênh truyền từ R đến D.
Hình 2. 10: Sơ đồ khối mạng khuếch đại chuyển tiếp AF cơ bản
Trong giao thức khuếch đại chuyển tiếp (AF), relay thu tín hiệu từ nút nguồn sau đó khuếch đại tín hiệu thu được và truyền tải đến nút đích. Tín hiệu từ
S
R
D
h g
nút nguồn x được thu tại nút relay như sau: S
R S S R
y P hx n (2.1)
trong đó h là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn với nút relay trên kênh Rayleigh fading phẳng, PS là công suất phát tại nút nguồn, 2
0,
R R
n CN biểu thị nhiễu
Gauss trắng cộng tại nút relay với giá trị trung bình bằng không và phương sai R2. Tiếp đến trong giai đoạn 2, relay khuếch đại tín hiệu nhận được và chuyển tiếp nó đến đích với cơng suất phát tại nút relay. Tín hiệu nhận được tại nút đích được đưa ra như sau:
D R R D
y P g y n (2.2)
Theo đó, tín hiệu được truyền từ nút relay được khuếch đại với hệ số khuếch đại và có cơng suất phát PR được giới hạn bằng năng lượng thu thập được trong
quá trình thu thập năng lượng. Trong đó g là hệ số kênh truyền giữa relay với đích trên kênh Rayleigh fading phẳng, 2
0,
D D
n CN biểu thị nhiễu Gauss trắng cộng
tại nút đích với giá trị trung bình bằng khơng và phương sai D2.
Từ những điều trên, chúng ta có thơng tin tương hỗ tức thời như một hàm của các hệ số fading cho việc khuếch đại và chuyển tiếp được cho bởi [16]:
2
log (1 )
AF D
R SNR (2.3)
Trong đó SNRDlà tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại nút đích. Để xác định thông lượng trong sơ đồ khuếch đại chuyển tiếp AF, chúng ta phải tìm xác suất dừng bằng cách tính thơng tin tương hổ tức thời thấp hơn tốc độ truyền thông tin mà mục tiêu đặt ra R trên các phân phối độ lợi kênh theo cấp số nhân [17], như sau:
0
Pr( ) Pr( )
out AF D
P R R SNR SNR (2.4)
với giá trị SNR là ngưỡng tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho phép của hệ thống và có thể 0
2.3.2 Giải mã và chuyển tiếp (DF)
Một kỹ thuật xử lý khác tại nút chuyển tiếp được mơ tả trong Hình 2.11 là nút chuyển tiếp giải mã tín hiệu nhận được, tái mã hóa nó, sau đó truyền lại nó cho máy thu. Loại chuyển tiếp này được gọi là giải mã và chuyển tiếp (DF). Lưu ý rằng tín hiệu được giải mã tại nút chuyển tiếp có thể khơng đúng. Vì vây, nếu một tín hiệu được giải mã khơng chính xác ở nút chuyển tiếp mà được truyền lại đến nút đích thì dẫn đến việc giải mã ở đích là vơ nghĩa. Rõ ràng rằng cơ chế này, sự phân tập đạt được chỉ là một, bởi vì hiệu suất của hệ thống được giới hạn bởi các liên kết xấu nhất từ nguồn-nút chuyển tiếp và nguồn-đích.
R D
S xs[k] yr[k] x s[k] yD[k]
Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống giải mã và chuyển tiếp
Mặc dù chuyển tiếp DF có lợi thế hơn chuyển tiếp AF trong việc làm giảm các ảnh hưởng của nhiễu thêm vào tại nút chuyển tiếp, nhưng nó địi hỏi khả năng phát hiện lỗi, gây ra truyền lỗi. Một sơ đồ khối kỹ thuật DF được mơ tả như Hình 2.12. Trong kỹ thuật này, địi hỏi nút chuyển tiếp phải trang bị một khối giải điều chế, khối giải mã và tái mã hóa kênh, khối điều chế, vì thế mà kỹ thuật DF có khả năng phát hiện và sửa lỗi nếu sử dụng phương pháp mã hóa có kiểm tra. Tuy nhiên bên cạnh ưu điểm đó là sự phức tạp của hệ thống trong thiết kế.
GIẢI MÃ HÓA VÀ TÁI MÃ HÓA
KÊNH GIẢI
ĐIỀU CHẾ ĐIỀU CHẾ
GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP