Các kênh chuyển tiếp cổ điển đầu tiên được giới thiệu bởi van der Meulen trong luận án tiến sĩ của ông vào năm 1971 [8,9]. Cover và Gamal mở rộng thêm ba mô hình thiết bị đầu cuối của van der Meulen cho bộ nhớ rời rạc và các giả sử các kênh chuyển tiếp suy giảm [18]. Mạng chuyển tiếp hai chặng là cấu trúc cơ bản trong kỹ thuật chuyển tiếp.
2.2.1 Phân bổ nguồn và lựa chọn chuyển tiếp
Giao thức phân bổ nguồn đã được nghiên cứu và thể hiện là một công cụ rất hiệu quả để tối ưu hóa hiệu suất mạng và chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng hợp tác. Nó có thể đảm bảo tuổi thọ mạng lâu hơn và giữ được mức nhiễu thấp trong mạng. Tuy nhiên, theo đuổi một giao thức tối ưu hóa không phải là cách duy nhất để tối ưu hóa hiệu suất mạng; chiến lược khác như chọn nút chuyển tiếp tốt nhất và việc sử dụng các kỹ thuật tạo chùm sóng có thể giúp mạng hoạt động với hiệu suất tối ưu. Tùy thuộc vào CSI có sẵn tại nút chuyển tiếp, hoặc bằng cách sử dụng một nút tập trung phối hợp với mạng lưới tổng CSI, đề án lựa chọn bộ chuyển tiếp có thể thực hiện tốt hơn trên các mạng sử dụng một chương trình tối ưu hóa tài nguyên. Tuy nhiên, hai chiến lược này không loại trừ lẫn nhau và có thể được sử dụng cùng nhau trong một mạng. Những phương án lựa chọn chuyển tiếp được quan tâm .Một trong những lựa chọ được quan tâm nhất sẽ được thảo luận, Bletsas đề xuất ý tưởng lựa chọn chuyển tiếp phân bố hoàn toàn, tức là mạng không đòi hỏi phải tập trung CSI để chọn bộ chuyển tiếp tốt nhất. Bộ chuyển tiếp chỉ cần để ước lượng kênh trước và sau của chúng. Ý tưởng này là thực tế hơn so phân bổ nguồn và phương án tạo chùm sóng nơi một CSI đầy đủ của các tổng mạng là điều cần thiết để thực hiện các giao thức. Trong công việc sau này, Bletsas cho thấy một cơ hội chuyển tiếp như vậy (lựa chọn bộ chuyển tiếp tốt nhất). Đề án có thể cung cấp hiệu suất dừng tối ưu trên nhiều chương trình hoạt động chuyển tiếp
.Trong một nghiên cứu so sánh lựa chọn chuyển tiếp với chiến lược phân bổ nguồn, các tác giả đã chỉ ra rằng lựa chọn chuyển tiếp đề án tốt hơn chiến lược phân bổ công suất tối ưu về thông lượng hệ thống và xác suất dừng . Giả sử rằng các thông tin trạng thái kênh chuyển tiếp về phía trước không có sẵn tại các nút chuyển tiếp, một đề án lựa chọn tiếp một phần được đề xuất, nơi bộ chuyển tiếp tốt nhất được lựa chọn tùy thuộc vào các kênh chuyển tiếp sau của mạng. Chuyển tiếp dựa vào thông tin trạng thái kênh
20
được sử dụng với kênh fading Rayleigh, trong khi [8] và [9] sử dụng chuyển tiếp AF bán mù với kênh fading Rayleigh và Nakagami-m tương ứng. Trong [14], tác giả lấy được xấp xỉ SNR cao cho xác suất lỗi của một mạng hợp tác chuyển tiếp AF hai chặng cho lựa chọn bộ chuyển tiếp tốt nhất và phương án lựa chọn chuyển tiếp một phần trong sự hiện diện của nhiễu và can nhiễu. Tất cả các kênh trong mạng (chính và các kênh nhiễu) được giả định là độc lập và phân bố kênh fading Rayleigh không giống nhau. Một thuật toán phân bổ công suất tối ưu cũng đề xuất giảm thiểu tiệm cận xác suất lỗi dưới tổng công suất hạn chế. Một chiến lược lựa chọn tập hợp con bộ chuyển tiếp cũng được thảo luận cho thấy rằng lựa chọn tập con bộ chuyển tiếp cho phép giảm đáng kể trong phản hồi tín hiệu trên không với một chi phí hoạt động ít. Kết quả thu được cho thấy những lợi ích đa dạng của các lựa chọn bộ chuyển tiếp tốt nhất và lựa chọn chuyển tiếp một phần độc lập với các loại nhiễu nhưng mức tăng SNR của chúng phụ thuộc vào loại nhiễu. So với lựa chọn chuyển tiếp và phân bổ nguồn, chiến lược tạo chùm sóng nghiên cứu có những đặc điểm và chức năng khá khác nhau.
Beamforming cho phép truyền tải đồng thời ở nhiều mạng chuyển tiếp mà không tạo ra nhiễu và do đó có thể giảm tổng công suất sử dụng trong mạng. Trong thực tế, nếu các thông tin trạng thái kênh của các kênh phía trước đã được biết đến, đề án beamforming có thể được thực hiện cùng với việc phân bổ nguồn hoặc chiến lược lựa chọn chuyển tiếp để tiếp tục tối ưu hóa mạng [12]. Đề án Beamforming thường yêu cầu ngay lập tức biết kênh phía trước để áp dụng các trọng số beamforming tại các nút truyền, và trong thực tế, các mạng với nhiều nút ănten có thể rất hiệu quả nếu họ thực hiện một chiến lược beamforming [13,15]. Trong một số nghiên cứu khác một vector beamforming được áp dụng tại nút nguồn duy nhất trong một hệ thống ănten nhiều nguồn-đích với một bộ chuyển tiếp ănten đơn. Các máy thu kết hợp các tín hiệu sử dụng thông số MRC ở người nhận. Biểu thức thức đóng cho xác suất dừng, MGF và những trường hợp tổng quát của SNR toàn hệ thống được lấy. Các biểu thức chỉ được áp dụng cho tình huống tổng quát với các thông số Nakagami-mfading khác nhau và SNRs trung bình giữa các chặng. Trong [13], các tác giả đã nghiên cứu một nguồn nhiều ănten, máy thu và hệ thống chuyển tiếp AF sử dụng một vector beamforming Grassmannian.
Nguồn và vectơ beamforming chuyển tiếp tối ưu được lấy tối đa hóa bộ nhận SNR.
Trong [15], các tác giả đã sử dụng một nguồn nhiều ănten với nhiều bộ chuyển tiếp AF đa ănten và một máy thu có 1 anten duy nhất. NT (số anten truyền) vector beamforming nguồn không gian và ma trận beamforming giúp tối ưu cho từng bộ chuyển tiếp AF có công suất hạn chế. Về vấn đề làm thế nào để tối ưu hóa sự thông lượng và đa dạng bộ chuyển tiếp, một số nhà nghiên cứu đã áp dụng ý tưởng của khối mã hóa không-thời gian (STBC) trong hệ thống phân phối. Mã STBC đầu tiên được giới thiệu bởi Alamouti trong một máy phát đa ănten đơn chặng và hệ thống thu có duy nhất 1 ănten.
Ýtưởng khá tốt và đạt được truyền đa dạng trong một hệ thống mà không đòi hỏi kiến thức về CSI ở phía máy phát. Các máy phát, trong thực tế, truyền một mã được thiết kế đặc biệt được tách trực giao trong không gian và thời gian. Một máy thu với đầy đủ
21
hiểu biết về CSI có thể kết hợp tín hiệu này và đạt được bằng sự đa dạng số anten phát, mặc dù hệ thống sẽ mất hiệu quả quang phổ do việc sử dụng nhiều khe thời gian để truyền các ma trận mã. Trong một mạng hợp tác, nơi bộ chuyển tiếp thực hiện nhiều hệ thống ănten trong kiểu phân bố, có một số thách thức đáng kể trong việc thực hiện.
Thứ nhất, một STBC đòi hỏi một bộ ănten truyền để truyền cột mã của nó vào chỉ số thời gian khác nhau. Vì vậy, các hệ thống phân bố sẽ cần phải đảm bảo rằng một số cố định của các nút truyền sẽ tham gia trong việc chuyển tiếp.
Hình 2.2:Truyền dẫn chuyển tiếp theo hai hướng giai đoạn 1
R
h
S D
Hình 2.3: Truyền dẫn chuyển tiếp theo hai hướng giai đoạn 2
Thứ hai, Vấn đề đồng bộ hóa tại máy thu; như các nút chuyển tiếp không nằm trong khu vực duy nhất, đồng bộ hóa các tín hiệu nhận được từ khối mã tương tự là một vấn đề thách thức Trong một số bài viết các tác giả sử dụng mã không gian-thời gian phân bố tuyến tính tại các nút chuyển tiếp để đạt được sự đa dạng đầy đủ trong kênh fading Rayleigh. Một giao thức chuyển tiếp rất hấp dẫn " chuyển tiếp hai chiều" bằng cách sử dụng giao tiếp song công một nửa đã được nghiên cứu và được sự hỗ trợ đáng kể trong cộng đồng nghiên cứu. Ý tưởng về giao tiếp hai chiều lần đầu tiên được giới thiệu bởi Shannon. Bằng cách khai thác tính chất sóng của các mạng không dây và cách truyền tin của thiết bị đầu cuối, sự trao đổi thông tin giữa các giai đoạn chuyển tiếp và các nút nguồn có thể được giảm một nửa. Hình 2.2 và 2.3 cho thấy các kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều. Trong giai đoạn truyền 1, cả hai nguồn và đích truyền tải thông tin của họ đồng thời để chuyển tiếp, và trong giai đoạn 2 bộ chuyển tiếp khuếch đại các tín hiệu nhận được và phát thông tin.
22
2.2.2. Giao thức chuyển tiếp năng lượng
Một giải pháp mới nổi để kéo dài thời gian tồn tại của năng lượng tại các nút chuyển tiếp trong các mạng không dây là tận dụng các môi trường xung quanh có tín hiệu tần số vô tuyến (RF) và thu nhập năng lượng đồng thời xử lí thông tin. Trong luận văn này, bộ khuếch đại và bộ chuyển tiếp mạng (AF) được coi là nơi một nút chuyển tiếp năng lượng thu nhập năng lượng từ tín hiệu RF nhận được và sử dụng năng lượng thu được để chuyển tiếp các thông tin nguồn đến đích. Căn cứ vào thời gian chuyển đổi và cấu trúc phân chia năng lượng nhận được, hai giao thức chuyển tiếp cụ thể là:
-Giao thức chuyển tiếp dựa trên chuyển đổi thời gian (TSR) : time switching-based relaying (TSR) protocol
-Giao thức chuyển tiếp dựa trên phân chia năng lượng (PSR) : power splitting-based relaying (PSR) protocol
được đề xuất để cho phép thu năng lượng và xử lý thông tin tại bộ chuyển tiếp. Để xác định ta thông qua biểu thức giải tích xác suất dừng và dung lượng dừng được bắt nguồn cho các phương thức truyền dẫn chậm trễ giới hạn.Ở đây ta chỉ đi sâu tìm hiểu phương thức TSR sẽ được trình bày ở chương 4.
2.2.3. Hàm mũ lỗi hóa ngẫu nhiên
Mở đầu cho phần này một số bài viết từ các thông tin bối cảnh lý thuyết rằng nghiên cứu giới hạn công suất cho mạng hợp tác đã được trích dẫn. Tuy nhiên, một kết quả về công suất cho mạng chuyển tiếp hợp tác vẫn còn là một vấn đề mở trong lý thuyết thông tin. Trong luận án này, phân tích công suất theo một cách khác sẽ được tiếp cận.
Trong phân tích công suất hệ thống, Shannon định nghĩa một hàm mũ lỗi để mô tả xác suất lỗi như là hàm tốc độ mã hóa R và độ dài mã W như sau:
ER lim sup
W
Trong đó PeoptR, W là xác suất lỗi khối trung bình cho các mã khối tối ưu có chiều dài W và tỷ lệ R [3]. Trong thực tế, nguồn gốc chính xác của luỹ thừa lỗi (1.3) liên quan đến các công thức khá phức tạp toán học, tuy nhiên, một giới hạn thấp hơn trên hàm mũ lỗi được gọi là hàm mũ lỗi mã ngẫu nhiên (RCEE). RCEE cung cấp thông tin quan trọng về các yêu cầu thiết kế của một từ mã để đạt được một tốc độ R cho trước dưới công suất C của kênh ở một xác suất lỗi hợp lý. Đặc biệt, về khoản thông số quan trọng như dung lượng dừng, hệ số cắt của một mạng có thể có nguồn gốc từ các biểu thức RCEE [2]. Gần đây đã nghiên cứu RCEE cho các hệ thống hợp tác với độ lợi kênh AF dựa vào thông tin trạng thái kênh CSI và lấy được dung lượng dừng và hệ số cắt cho mạng.
23
Hình 2.4: Mạng chuyển tiếp hợp tác hai chặng.
Hơn nữa, mạng chuyển tiếp hai chiều được phân bổ công suất tối ưu nhằm tối đa hóa
hàm luỹ thừa lỗi. Độ lợi chuyển tiếp: G
Pd là công suất truyền tải của nguồn và các nút đích tương ứng. PR là công suất truyền tải của bộ chuyển tiếp. h1 và h2 là nhiễu kênh từ nguồn đến chuyển tiếp (S-R) và đích đến chuyển tiếp (D-R) tương ứng như trong hình 2.3 và N0 là nhiễu AWGN tại nút
chuyển tiếp. Bộ chuyển tiếp AF sử dụng ở đây có thể được coi là bộ chuyển tiếp hỗ trợ CSI tức thời bán song công vì nó sử dụng độ lợi kênh fading tức thời của cả hai kênh S-R và D-R. Ngoài các kênh fading được giả định tương hỗ trong luận án này, do đó h1
h3 và h2 h4 trong hình 2.3. Một hệ thống thông tin liên lạc hai chặng với giả
thuyết AF được chuyển tiếp như hình 2,4 được nghiên cứu. Liên kết trực tiếp giữa nguồn và đích không được xem xét. Tác giả lấy được hàm mũ lỗi mã ngẫu nhiên của mạng giả sử kênh fading Nakagami-m.Việc quan trọng là biểu thức hệ số cắt cũng xuất phát từ biểu thức hàm mũ lỗi mã ngẫu nhiên. Chúng ta sẽ sử dụng các kiến thức về các công trình nghiên cứu RCEE của một mạng chuyển tiếp một chiều trong chương 3 của đề tài này.
S D
Hình 2.5:Mạng chuyển tiếp dòng đa chặng
Quan tâm của chúng ta là phân tích hàm mũ lỗi mã ngẫu nhiên của mạng. Trong chương 3, biểu thức cho RCEE cho mạng hợp tác hai chặng được sử dụng trong chuyển tiếp dựa vào CSI sẽ được trình bày. So với việc các tác giả sử dụng một bộ chuyển tiếp AF dựa vào CSI để tránh biểu thức toán học phức tạp trong RCEE, độ lợi
24
kênh AF dựa vào CSI (2.1) sẽ được sử dụng trong luận án này. Trong chương 3,sẽ trình bày biểu thức cho RCEE của mạng hợp tác hai chặng độ lợi kênh AF dựa vào thông tin trạng thái kênh.