[123doc.vn] aaanghien cuu ky thuat ket hop chuyen tiep va giu trong he thong truyen thong hop tac

Lời cam đoan

i

Lời cam đoan Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ

án hoặc công trình đã có từ trước. Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷ luật của

Khoa.

Sinh viên thực hiện

Phân chia công việc trong nhóm

ii

Phân chia công việc trong nhóm

Nhóm đồ án: 1/ ……………………….

2/ ……………………….

Sinh Viên

Chương

Chương 1

-Tổng quan về truyền thông

hợp tác (khác với sinh viên

Nguyễn Thế Tín)

-Tổng quan về truyền thông

hợp tác (khác với sinh viên

Nguyễn Thanh Nhàn)

Chương 2

-Nghiên cứu phần phân loại

các kỹ thuật phân tập kết hợp.

- Nghiên cứu phần các kỹ

thuật phân tập kết hợp thường

sử dụng trong truyền thông

hợp tác.

Chương 3

- Nghiên cứu phần hiệu năng

của hệ thống SR và hệ thống

IRSR.

- Nghiên cứu hiệu năng của

kỹ thuật DSSC trong hệ thống

SR.

Chương 4

2 Sinh viên cùng thực hiện.

Mục lục

iii

Mục lục Lời cam đoan ................................................................................................................. i

Phân chia công việc trong nhóm ...................................................................................ii

Mục lục ...................................................................................................................... iii

Các từ viết tắt .............................................................................................................. vi

Lời nói đầu ................................................................................................................viii

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC ...................................... 1

1.1 Giới thiệu chương ................................................................................................... 1

1.2 Tổng quan về truyền thông hợp tác (Cooperative Communication)......................... 1

1.2.1 Nhu cầu phát triển của truyền thông vô tuyến ...................................................... 1

1.2.2 Kỹ thuật MIMO – Multi Input Multi Output ........................................................ 2

1.2.3 Truyền thông hợp tác – Cooperative Communication .......................................... 3

1.3 Mô hình kênh chuyển tiếp và các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp ............. 5

1.3.1 Mô hình kênh chuyển tiếp và ứng dụng trong truyền thông hợp tác ..................... 5

1.3.2 Các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp ....................................................... 8

1.3.2.1 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward: DF) ............................ 8

1.3.2.2 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward: AF) .................... 10

1.3.2.3 Các kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi ................................................................ 12

1.3.2.4 Hợp tác mã hóa (Coded Cooperative: CC) ...................................................... 14

1.4 Ưu nhược điểm của truyền thông hợp tác.............................................................. 16

1.4.1 Ưu điểm ............................................................................................................. 16

1.4.2 Nhược điểm ....................................................................................................... 17

1.5 Kết luận chương ................................................................................................... 18

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP KẾT HỢP ............................ 19

2.1 Giới thiệu chương ................................................................................................. 19

2.2 Kỹ thuật phân tập kết hợp ..................................................................................... 19

2.3 Phân loại các kỹ thuật phân tập kết hợp ................................................................ 20

Mục lục

iv

2.3.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC) ....................................... 20

2.3.2 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp (Switched Combining) ......................................... 21

2.3.3 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC) ....................... 22

2.3.4 Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining: EGC) ....................... 23

2.3.5 Một số dạng kỹ thuật phân tập kết hợp “lai ghép” khác ...................................... 23

2.4 Các kỹ thuật phân tập kết hợp thường sử dụng trong hệ thống truyền thông hợp tác ................................................................................................................................... 23

2.4.1 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa phân bố (Distributed Maximal Ratio Coombining: DMRC) ...................................................................................................................... 24

2.4.2 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn phân bố (Distributed SelectionCombining: DSC) ..... 25

2.4.3 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ (Distributed Switch-and-Stay Combining: DSSC) ........................................................................................................................ 27

2.5 Nhận xét sơ lược về các kỹ thuật phân tập kết hợp ứng dụng trong truyền thông hợp tác .............................................................................................................................. 27

2.6 Kết luận chương ................................................................................................... 28

Chương 3: KỸ THUẬT KẾT HỢP CHUYỂN TIẾP VÀ GIỮ TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC ................................................................................... 29


3.2 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp (Switched Combining) ........................................... 29

3.3 Kỹ thuật SSC trong hệ thống truyền thông hợp tác .............................................. 30

3.4 Mô hình cơ bản và nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật DSSC ............................... 31

3.4.1. Điều kiện xảy ra quá trình chuyển nhánh thu .................................................... 31

3.4.2. Xác suất được lựa chọn của mỗi nhánh thu ....................................................... 32

3.4.3. Hiệu năng của hệ thống sử dụng kỹ thuật DSSC ............................................... 34

3.4.3.1 Xác suất lỗi bit ................................................................................................ 34

3.4.3.2 Xác suất dừng ................................................................................................. 35

3.4.3.3 Hiệu suất sử dụng phổ ..................................................................................... 35

3.5 Ứng dụng kỹ thuật DSSC vào hệ thống lựa chọn chuyển tiếp .............................. 36

Mục lục

v

3.5.1 Hiệu năng của hệ thống Selection relaying network-SR (mạng lựa chon chuyển tiếp) ............................................................................................................................ 37

3.5.2 Mô hình hệ thống ............................................................................................... 37

3.5.3 Đánh giá hiệu năng ........................................................................................... 40

3.5.3.1 Kỹ thuật DSSC cho hệ thống SR ..................................................................... 42

3.5.3.2 Kỹ thuật truyền gia tăng cho hệ thông SR ....................................................... 47

3.6 Kết luận chương .................................................................................................. 49

Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ............................................... 50


4.2 Kỹ thuật DSSC ứng dụng cho hệ thống lựa chọn chuyển tiếp ............................... 50

4.3 Kết luận chương ................................................................................................... 57

Kết luận và hướng phát triển đề tài ............................................................................. 58

Tài liệu tham khảo ...................................................................................................... 59

Phụ lục A: Ý nghĩa ký hiệu ......................................................................................... 61

Phụ lục B: Một số code mô phỏng chủ yếu được sử dụng trong đồ án. ....................... 63

Các từ viết tắt

vi


AF Amplify-and-Forword: Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp

BEP Bit Error Probability: Xác suất lỗi bit

BER Bit Error Rate: Tỉ số lỗi bit

CC Coded Cooperative: Kỹ thuật hợp tác mã hóa

cdf Comulative Distribution Function: Hàm phân phối tích lũy

CSI Channel State Informaition: Thông tin trạng thái kênh truyền

DF Decode-and-Forword: Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp

DRPRS Dual-hop Partial Relay Selection: Hệ thống lựa chọn chuyển tiếp theo chặng

DSC Distribution Selection Combining: Kỹ thuật kết hợp lựa chọn phân bố

DSSC Distribution Switch-and-Stay Combining: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ

phân bố

IRSR Incremental Relaying for Selection Relaying network: Kỹ thuật truyền gia tăng

sử dụng cho hệ thống lựa chọn chuyển tiếp

M-QAM Multi Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biên độ cầu phương

nhiều mức

MIMO Multi Input Multi Output: Kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và thu

MRC Maximal Ratio Combining: Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa.


vii

OFDM Orthogonal Frequency Divition Multiplexing: Kỹ thuật ghép kênh phân chia

theo tần số trực giao

pdf Probability Density Function: Hàm mật độ xác suất

QoS Quality Of Service: Chất lượng dịch vụ

SC Selection Combining: kỹ thuật kết hợp lựa chọn

SEC Switch and Examine Combining: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và kiểm tra

SER Symbol Error Rate: Tỉ số lỗi kí hiệu

SNR Signal-to-Noise Ratio: Tỉ sô tín hiệu trên nhiễu

SSC Switch and Stay Combining: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ

SSCSR Switch and Stay Combining for Selection relaying network: Kỹ thuật kết hợp

chuyển tiếp và giữ sử dụng cho hệ thống lựa chọn chuyển tiếp

Lời nói đầu

viii

Lời nói đầu

Truyền thông liên lạc là một nhu cầu thiết yếu của bất kì một xã hội phát triển nào.

Trong đó truyền thông vô tuyến đóng một vai trò rất quan trọng. Trong suốt 20 năm

gần đây, truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc và được dự đoán

sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa. Với sự triển khai các dịch vụ như truyền thông di

động, ứng dụng truyền hình di động…, chúng ta đang chứng kiến nhu cầu ngày càng

tăng về tộc độ dữ liệu trong hệ thống di động tế bào thế hệ thứ 3 (3G) và điều này tạo

nên xu hướng tiến lên các thế hệ tiếp theo. Công nghệ “truyền thông hợp tác” trong

những năm gần đây đã được những nhà nghiên cứu quan tâm và đã có những phương

án triển khai cho công nghệ mới mẻ này trong tương lai gần. Cùng với các công nghệ

mới như “vô tuyến thông minh”, truyền thông hợp tác sẽ là những cơ sở tốt để các nhà

sản xuất lựa chọn phương thức truyền thông cho công nghệ 5G trong tương lai.

Đồ án này sẽ đưa ra cái nhìn sơ lược về hệ thống truyền thông hợp tác, kỹ thuật

phân tập kết hợp và phần trọng tâm sẽ là đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật kết hợp “chuyển

tiếp và giữ” ứng dụng rong hệ thống truyền thông hợp tác.

Nội dung đồ án gồm có 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông hợp tác

Chương 2: Tổng quan kỹ thuật phân tập kết hợp

Chương 3: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ trong truyền thông hợp tác

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá hệ thống

Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

1.1 Giới thiệu chương

Chương đầu tiên của đồ án này sẽ đưa ra cái nhìn tổng quát về các khái niệm

“truyền thông hợp tác”, “nút chuyển tiếp relay”, “kênh chuyển tiếp”, cũng như các giao

thức, kỹ thuật hoạt động phổ biến của nút chuyển tiếp, một số ưu nhược điểm của

truyền thông hợp tác cũng sẽ được nêu lên một cách tóm tắt.

1.2 Tổng quan về truyền thông hợp tác (Cooperative Communication)

1.2.1 Nhu cầu phát triển của truyền thông vô tuyến

Truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc trong suốt 20 năm gần

đây và được dự đoán sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa. Với sự triển khai các dịch vụ

như truyền thông di động, ứng dụng truyền hình di động… Chúng ta đang chứng kiến

nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ dữ liệu trong hệ thống di động tế bào thế hệ thứ 3

(3G) và điều này tạo nên xu hướng tiến lên các thế hệ tiếp theo.

Mặt khác, hiệu năng truyền dẫn của các dịch vụ có nhu cầu về băng thông kể trên

phải đối mặt với những hạn chế cơ bản do sự suy yếu tín hiệu gây ra bởi kênh truyền

vô tuyến. Đặc biệt, khi tín hiệu đi từ phía phát đến phía thu, sự truyền sóng điện từ phải

chịu ảnh hưởng của các yếu tố như phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Thêm vào đó, truyền

đa đường gây nên những sự thăng giáng nhanh chóng của biên độ, pha làm trễ và

thường dẫn đến hiện tượng fading. Những sự suy yếu trên có thể bù đắp bằng nhiều

cách như tăng công suất phát, mở rộng băng thông hay sử dụng các loại mã hóa sửa sai

ECC (Error Control Coding). Tuy nhiên, công suất và băng thông là những tài nguyên

vô tuyến có giới hạn và khá “đắt đỏ”. Trong khi đó, việc sử dụng các loại mã hóa sửa

sai sẽ làm hạn chế tốc độ truyền dẫn. Vì thế, việc có được một luồng truyền dữ liệu tốc

độ cao và đáng tin cậy qua những kênh truyền vô tuyến nhạy với lỗi là một thách thức

lớn đối với việc thiết kế các hệ thống vô tuyến.


Page 2

Đạt được tốc độ truyền cao hơn, độ tin cậy truyền dẫn cao hơn, đó là hai nhu cầu

chính trong sự phát triển của truyền thông vô tuyến. Có thể đạt được hai yếu tố trên mà

không cần phải nâng công suất truyền hay băng thông cần thiết, đó là nhờ áp dụng độ

lợi phân tập (diversity gain) và độ lợi ghép kênh (multiplexing gain) bằng cách sử dụng

các kỹ thuật phân tập như thời gian, tần số, không gian… Trong đó, phân tập không

gian có thể đạt được cả độ lợi phân tập và ghép kênh. Ứng dụng tiêu biểu chính là kỹ

thuật MIMO.

1.2.2 Kỹ thuật MIMO – Multi Input Multi Output

MIMO được xây dựng dựa trên chuẩn 802.11g và 802.11n của Viện kỹ thuật Điện

và Điện tử (Institute of Electrical and Electronic Engineers - IEEE), thường được sử

dụng kết hợp với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal

Frequency Division multiplexing - OFDM). Các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông

hiện đã và đang tiêu chuẩn hóa MIMO để đưa vào sử dụng trong các chuẩn của mạng

3G như HSDPA (High Speed Downlink Packet Access).

Với hệ thống MIMO, nhiều anten được sử dụng tại hai đầu thu phát của đường

truyền vô tuyến, có thể nâng cao đáng kể tốc độ dữ liệu và độ tin cậy của mạng vô

tuyến. Việc sử dụng nhiều anten thu ở phía phát và thu cho phép tín hiệu truyền có thể

đi theo các đường truyền độc lập nhau. Do đó, nhiều bản sao của cùng một tín hiệu sẽ

cùng đến phía thu. Các phiên bản này sẽ được kết hợp để xác định tín hiệu nguyên thủy

đã truyền đi và góp phần chống lại ảnh hưởng của fading. Khác với phân tập thời gian

hay tần số, hiệu suất sử dụng băng thông không bị ảnh hưởng, năng lượng được chia sẻ

trên các anten truyền. Dung lượng hệ thống được cải thiện bằng độ lợi ghép kênh

không gian.


Page 3

Hình 1.1: Hệ thống MIMO

Mặt dù MIMO có những lợi ích to lớn như trên, những sẽ là rất khó khăn khi triển

khai kỹ thuật này trên các thiết bị di động cầm tay. Do kích thước giới hạn của những

thiết bị này (chúng ta biết răng để đạt được phân tập không gian giữa các anten phải có

một khoản cách tối thiểu nhất định để đảm bảo tính độc lập giữa các kênh truyền.

khoảng cách này càng lớn nếu sử dụng tần số nhỏ và trong môi trường chịu ảnh hưởng

nghiêm trọng của tán sắc). Ngoài ra còn các vấn đề về chi phí và sự phức tạp về phần

cứng. vì vậy việc triển khai nhiều anten trên chúng là bất khả thi và không có tính thực

tiễn.

1.2.3 Truyền thông hợp tác – Cooperative Communication

Ta biết rằng, mỗi thiết bị di động thường chỉ có một anten và vì thế không thể riêng

rẽ tạo thành phân tập không gian. Tuy vậy, nếu giả sử một thiết bị di động có thể nhận

dữ liệu từ các thiết bị di động khác, và truyền dữ liệu đó cùng với dữ liệu của chính bản

thân nó. Và bởi kênh truyền fading đối với các thiết bị di động khác nhau là độc lập

thống kê với nhau, nên việc đạt được phân tập không gian là hoàn toàn khả thi. Việc

truyền đi nhiều tín hiệu sẽ góp phần tạo nên phân tập, góp phần chống lại ảnh hưởng

của fading.


Page 4

Đó chính là ý tưởng chính của khái niệm truyền thông hợp tác (Cooperative

Communication), tạo nên phân tập không gian bằng một phương thức mới hay còn gọi

là hệ thống các anten phân tập không gian “ảo” (hay hệ thống MIMO ảo). Có nghĩa là

các thiết bị di động chỉ có một anten, nhưng chúng có thể “chia sẻ” anten của mình với

các thiết bị khác để tạo thành hệ thống anten phân tập không gian. Khi đó, dữ liệu của

mỗi người dùng (user) được truyền không chỉ bởi chính thiết bị của người đó mà còn

được truyền bởi những thiết bị di động khác. Vì thế đương nhiên là trên quan điểm

thống kê thì việc nhận diện tín hiệu truyền đi ở phía thu sẽ trở nên đáng tin cậy hơn. Và

quan trọng là nếu so với MIMO truyền thông hợp tác không cần phải quan tâm đến vấn

đề tích hợp nhiều anten vào các thiết bị di động, vốn là một vấn đề đòi hỏi chi phí, kích

thước thiết bị và sự phức tạp về công nghệ và phần cứng. Nhờ vậy, các ứng dụng của

truyền thông hợp tác vào các mạng vô tuyến như mạng thông tin di động [2] là cực kì

hứa hẹn.

Hình 1.2: Truyền thông hợp tác


Page 5

1.3 Mô hình kênh chuyển tiếp và các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp

1.3.1 Mô hình kênh chuyển tiếp và ứng dụng trong truyền thông hợp tác

Hình 1.3: Mô hình kênh chuyển tiếp ba đầu cuối.

Được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1971 bởi Van der Meulen, kênh chuyển tiếp

(relay channel) và các đầu cuối của nó là những cơ sở của việc nghiên cứu về truyền

thông hợp tác. Kênh chuyển tiếp cổ điển là một kênh truyền thông với ba đầu cuối. Đặc

điểm dễ nhận ra của kênh chuyển tiếp là sự xuất hiện của thành phần đầu cuối gọi là

nút chuyển tiếp (node relay). Với vai trò tiếp nhận, xử lý và truyền đi các tín hiệu mang

thông tin để cải thiện hiệu năng của hệ thống. Đối với mô hình kênh chuyển tiếp cổ

điển, nút chuyển tiếp chỉ đơn thuần có nhiệm vụ duy nhất là trợ giúp cho đường truyền

trực tiếp giữa nút nguồn và nút đích. Tuy nhiên, khái niệm nút chuyển tiếp trong truyền

thông hợp tác đã được mở rộng hơn:

► Đó có thể là những đầu cuối cố định, không có thông tin của riêng nó để truyền

đi (hay còn gọi là chuyển tiếp hợp tác).

► Hoặc có thể là những đầu cuối vừa có chức năng phát thông tin của chính nó,

vừa có chức năng như một đầu cuối “hợp tác” để truyền thông tin của các đầu cuối

“đối tác” của nó hay còn gọi là hợp tác người dùng (User Cooperation).


Page 6

Trong hai loại hình nút chuyển tiếp trên, chuyển tiếp hợp tác có ý nghĩa thực tiễn

hơn do nút thực hiện chuyển tiếp là cố định. Vì thế, điều kiện kênh truyền giữa nó và

nút đích (Trạm gốc trong thông tin di động chẳng hạn) là tương đối ổn định hơn so với

trường hợp còn lại. Thêm vào đó, khi thực hiện chức năng chuyển tiếp thì nút chuyển

tiếp phải có các bước xử lý với các dữ liệu nhận được từ các nút khác vì thế sẽ tiêu tốn

nhiều năng lượng hơn. Và đây lại là một lợi thế của nút chuyển tiếp cố định so với nút

chuyển tiếp là một thiết bị di động. Mặt khác, nếu sử dụng hình thức hợp tác người

dung sẽ này sinh một số vấn đề phức tạp cần phải giải quyết như: tính bất thường về số

lượng, vị trí và tính cân bằng của các thuê bao di động.

Ngoài ra, dựa vào số chặng (Hop) giữa nút nguồn và nút đích ta có thể phân loại kỹ

thuật chuyển tiếp hợp tác làm hai loại: chuyển tiếp hai chặng (Two-hop relaying) và

chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relaying). Từ tên gọi trên, ta có thể thấy rõ rang về

đặc điểm của chúng.

► Chuyển tiếp hai chặng: chỉ có một nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu

người dùng về nút đích.

► Chuyển tiếp đa chặng: số nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu người

dùng về nút đích là từ hai trở lên. Do quan hệ phi tuyến giữa khoản cách và suy hao

truyền, suy hao tín hiệu có thể giảm đáng kể khi sử dụng chuyển tiếp đa chặng nếu so

với truyền trực tiếp hay chuyển tiếp 2 chặng.

Ngoài ra, có thể phân loại kỹ thuật chuyển tiếp thành: chuyển tiếp đơn hướng (One-

way Relay) và chuyển tiếp song hướng (Two-way Relay).

► Chuyển tiếp đơn hướng: hệ thống đơn giản chỉ có một nút nguồn S, nút đích D

và nút chuyển tiếp R. Do sự giới hạn về hiệu suất sử dụng phổ nên nút chuyển tiếp chỉ

có thể hoạt động ở chế độ bán song công. Nghĩa là tại một thời điểm, nút chuyển tiếp

chỉ có thể truyền hoặc nhận.


Page 7

► Chuyển tiếp song hướng: hệ thống này được xem xét ở [6] khi có hai nút nguồn

S1 và S2 cùng truyền đồng thời đến cho nút chuyển tiếp R ở khe thời gian truyền đầu

tiên. Ở khe thời gian truyền thứ hai, R sẽ chuyển tín hiệu nhân được đến cả S1 và S2.

Chuyển tiếp song hướng giúp giải quyết vần đề suy giảm hiệu suất sử dụng phổ khi sử

dụng nút chuyển tiếp.

Ta xét ví dụ đơn giản về trường hợp sử dụng nút chuyển tiếp là một đầu cuối cố

định: nêu hai đầu cuối (là nút nguồn và nút đích) muốn liên lạc với nhau nhưng đường

truyền giữa chúng có chất lượng thấp thì đầu cuối thứ ba sẽ được xem như là một nút

chuyển tiếp để hỗ trợ cho đường truyền trực tiếp (direct communication) giữa hai đầu

cuối kia. Nút nguồn sẽ truyền quảng bá (broadcasd) bản tin tới cho tất cả các nút đích

và nút chuyển tiếp. Còn nút chuyển tiếp sẽ xử lý theo một phương thức nhất định và

chuyển tiếp thông tin nhận được (đã qua xử lý) từ nút nguồn tới nút đích qua đường

truyền chuyển tiếp (Relaying Transmission).

Thực tế là các nút chuyển tiếp không thể thu và phát cùng lúc do sự không thể tránh

khỏi của hiệu ứng coupling giữa mạch phát và mạch thu. Điều này dẫn đến giới hạn

half-duplex, và đây chính là nguyên nhân chính mà sự truyền dẫn từ nút nguồn qua nút

chuyển tiếp đến nút đích trong truyền thông hợp tác được chia thành hai pha thời gian

truyền. Nghĩa là chúng chỉ có thể hoạt động ở chế độ bán song công, chủ yếu thực hiện

qua hai giai đoạn truyền:

► Ở giai đoạn thứ nhất, mỗi nút gửi thông tin về nút đích và đồng thời thông tin

này cũng được những người dùng khác tiếp nhận. Đây là nhờ tính chất quảng bá của

kênh vô tuyến.

► Ở giai đoạn thứ hai, các nút chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp thông tin mà nó nhận

được từ các nút khác tới nút đích.


Page 8

Mỗi nút có thể giải mã thông tin nhận được và chuyển tiếp đi, đây là kỹ thuật giải

mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward, viết tắt là DF). Hoặc đơn giản là khuếch đại

và truyền đi, đây là kỹ thuật khuếch đại-và-chuyển tiếp (Amplify and Forward, viết tắt

là AF). Và như vậy, truyền thông hợp tác chịu một sự suy giảm trong hiệu suất sử dụng

phổ tổng quát với hệ số ½ khi so sánh với truyền thông điểm-điểm truyền thống.

1.3.2 Các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp

Các kỹ thuật hay cách thức hoạt động của nút chuyển tiếp là cách thức mà nút

chuyển tiếp xử lý thông tin tiếp nhận từ nút nguồn và chuyển tiếp về phía nút đích còn

gọi là các kỹ thuật chuyển tiếp. Hai kỹ thuật chuyển tiếp phổ biến thường được sử dụng

nhiều trong các hệ thống truyền thông hợp tác:

► Kỹ thuật giải mã-và-chuyển tiếp (Decode-and-Forward hay DF).

► Kỹ thuật khuếch đại-và-chuyển tiếp (Amplify and Forward hay AF).

1.3.2.1 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward: DF)

Kỹ thuật chuyển tiếp này còn được biết đến như là kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo, cơ

bản nó thực hiện những phương thức xử lý số tín hiệu. Ở mô hình này, nút chuyển tiếp

hoạt động như là một trạm lặp (repeater) thông minh và giải mã/ giải điều chế tín hiệu

nhận được từ nút nguồn ở khe thời gian truyền thứ nhất hay ở pha truyền thứ nhất. Quá

trình này sẽ loại bỏ sự hiện diện của nhiễu. Cụ thể về cách thức hoạt động của kỹ thuật

DF như sau:

► Ở pha thời gian truyền thứ nhất, nút đích dựa vào bản chất quảng bá của kênh

truyền vô tuyến để truyền bản tin đến nút nguồn và cá nút chuyển tiếp.

Tín hiệu thu 푦 ở nút đích: 푦 = 푃 ℎ , 푥 + 휂 , ,

Tín hiệu thu 푦 ở nút chuyển tiếp: 푦 = 푃 ℎ , 푥 + 휂 , .


Page 9

► Ở pha thời gian truyền thứ hai, nút chuyển tiếp thưc hiện giải mã bản tin nhận

được từ nút nguồn. Sau đó tái giải mã và chuyển tiếp về phía nút đích. Tín hiệu thu 푦

ở nút đích:

푦푅,퐷 = 푃푠ℎ푅,퐷푥+ 휂푅,퐷

► Ở nút đích, máy thu sẽ tổng hợp các phiên bản của cùng một tín hiệu và cố gắng

xác định lại tín hiệu gốc đã được phát ra bởi nút nguồn.

► Với:

푥 là bản tin phát,

푃푆, 푃푅 là công suất phát của nút nguồn và nút chuyển tiếp,

ℎ푆,퐷, ℎ푆,푅, ℎ푅,퐷 tương ứng là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích,

nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích.

휂 , , 휂 , , 휂푅,퐷 tương ứng là nhiễu trên các kênh truyền giữa nút nguồn và

nút đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích.

Tuy nhiên, quá trình xử lý số ở nút chuyển tiếp chịu ảnh hưởng nhiều của hiệu năng

truyền dẫn ở hướng nút nguồn – nút chuyển tiếp. Nếu mã CRC không được sử dụng

việc giải mã tín hiệu thu từ nút nguồn sẽ không đạt hiệu quả tốt nhất. Sẽ là rất khó để

nút chuyển tiếp có thể giải mã tín hiệu mà không xảy ra lỗi và lỗi sẽ được tích lũy nếu

qua nhiều chặng, ảnh hưởng hiệu năng của kỹ thuật chuyển tiếp và độ lợi phân tập.

Để giải quyết vấn đề kể trên, người ta đã xem xét giải pháp là nút chuyển tiếp chỉ

nên trợ giúp hợp tác với nút nguồn nếu nó có khả năng giải mã hoàn hảo tín hiệu mà nó

nhận được từ nút nguồn. Số lượng lỗi có thể được kiểm tra tại nút chuyển tiếp, sử dụng

mã kiểm tra CRC. Giải pháp này được gọi là giao thức DF thích nghi. Nói cách khác,


Page 10

tín hiệu được truyền đến nút đích chỉ bằng những nút chuyển tiếp mà đáp ứng được yêu

cầu rằng tỉ số SNR của tín hiệu nó nhận từ nút nguồn phải đạt trên 1 ngưỡng nhất định.

Bởi vì có nhiều nút chuyển tiếp trong mạng, chỉ nên lựa chọn những nút chuyển tiếp

cho hiệu quả truyền tốt nhất.

Hình 1.4: Kỹ thuật DF

1.3.2.2 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward: AF)

Ở mô hình này nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại những gì nó nhận được từ

nút nguồn. Quá trình khuếch đại tương ứng với 1 biến đổi tuyến tính xảy ra tại nút

chuyển tiếp. AF còn được gọi là mô hình chuyển tiếp không tái tạo và cơ bản là nó

thực hiện những phương thức xử lý tương tự cho tín hiệu. Cụ thể về cách thức hoạt

động của kỹ thuật AF như sau:

► Ở pha thời gian truyền thứ nhất, nút đích dựa vào bản chất quảng bá của kênh

truyền vô tuyến để truyền bản tin đến nút nguồn và các nút chuyển tiếp.

Tín hiệu thu 푦 ở nút đích: 푦 = 푃 ℎ , 푥 + 휂 , ,

Tín hiệu thu 푦 ở nút chuyển tiếp: 푦 = 푃 ℎ , 푥 + 휂 , .


Page 11

► Ở pha thời gian truyền thứ hai, nút chuyển tiếp thực hiện khuếch đại bản tin nhận

được từ nút nguồn (với hệ số khuếch đại G) và chuyển tiếp về phía nút đích. Tín hiệu

thu 푦 ở nút đích:

푦푅,퐷 = 푃푠ℎ푅,퐷푥+ 휂푅,퐷

► Ở nút đích máy thu sẽ tổng hợp các phiên bản của cùng một tín hiệu và cố gắng

xác định lại tín hiệu gốc đã được phát ra bởi nút nguồn.

► Với:



ℎ푆,퐷, ℎ푆,푅, ℎ푅,퐷 tương ứng là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích,

nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích.

휂 , , 휂 , , 휂푅,퐷 tương ứng là nhiễu trên các kênh truyền giữa nút nguồn và nút

đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích.

Khi so sánh với những phương thức chuyển tiếp khác, AF là phương thức đơn giản

nhất. Tuy nhiên, AF là mô hình chịu nhiều ảnh hưởng của nhiễu truyền hơn cả . Do ở

quá trình nút chuyển tiếp thực hiện khuếch đại ngay cả nhiễu cũng được khuếch đại

theo.


Page 12

Hình 1.5: Kỹ thuật AF

1.3.2.3 Các kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi

Các kỹ thuật AF và DF đơn thuần được gọi là các kỹ thuật chuyển tiếp cố định

(fixed relaying). Bởi vì nút thực hiện chức năng chuyển tiếp luôn luôn tham gia vào

quá trình truyền thông hợp tác cho dù điều kiện kênh truyền có ra sao đi nữa. Thực tế

là không phải lúc nào quá trình truyền thông hợp tác cũng mang lại lợi ích. Ví dụ như

do ảnh hưởng của chế độ truyền bán song công. Tốc độ truyền dữ liệu và việc sử dụng

DOF (degree of freedom) sẽ bị giảm sút. Điều này nói lên rằng, xác định khi nào nên

sử dụng truyền thông hợp tác là một điều quan trọng.

Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng chế độ lựa chọn (Selection Mode), hoặc

chế độ truyền gia tăng (Incremental Mode) cho các nút chuyển tiếp.

► Chế độ lựa chọn: so sánh các đặc tính truyền dẫn của kênh truyền giữa nút nguồn

– nút chuyển tiếp với một ngưỡng cho trước. Chỉ khi các đặc tính kênh truyền đạt yêu

cầu (tốt hơn ngưỡng đã cho) thì mới ứng dụng truyền thông hợp tác với nút chuyển tiếp

này. Chìa khóa quan trọng của chế độ lựa chọn chính là chất lượng của kênh truyền

giữa nút nguồn – nút chuyển tiếp. Tương ứng với chế độ này, ta có:

AF chế độ lựa chọn (SAF),

DF chế độ lựa chọn (SDF).


Page 13

Tuy vậy, chế độ lựa chọn phù hợp với mô hình DF hơn. Bởi vì chế độ lựa chọn chỉ

chú ý đến chất lượng kênh truyền giữa nút nguồn – nút chuyển tiếp. Nhưng đối với mô

hình AF, kênh truyền giữa nút nguồn – nút chuyển tiếp và nút chuyển tiếp – nút đích

đều quan trọng bởi vì nút chuyển tiếp chỉ thực hiện quá trình khuếch đại chứ không

phải giải mã.

► Chế độ chuyển tiếp gia tăng: thông tin phản hồi từ nút đích sẽ cho biết chất

lượng của đường truyền từ nút nguồn đến nút đích. Nếu chất lượng đường truyền

không tốt, nút chuyển tiếp sẽ tham gia vào quá trình truyền để hình thành quá trình

truyền hợp tác. Chìa khóa của quá trình này chính là chất lượng của kênh truyền giữa

nút nguồn và nút đích. Trong khi đó, chế độ lựa chọn chỉ chú ý đến chất lượng kênh

truyền giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp. Nhưng trong mô hình DF, lỗi sẽ bị tích lũy

và sẽ gây ảnh hưởng xấu đến hệ thống nếu kênh truyền giữa nút nguồn và nút chuyển

tiếp không được đảm bảo. Ở những mô hình cố định và ở chế độ lựa chọn, nút chuyển

tiếp lặp lại việc chuyển tiếp bản tin nhận từ nút nguồn, việc này có thể dẫn đến suy

giảm việc sử dụng DOF (Degree Of Freedom), trong khi ở chế độ truyền gia tăng,

truyền thông hợp tác chỉ được sử dụng khi cần thiết, tuy nhiên đòi hỏi phải có kênh

truyền riêng biệt cho quá trình hồi tiếp thông tin từ nút đích. Tương ứng với chế độ

này, ta có:

AF chế độ chuyển tiếp gia tăng (IAF),

DF chế độ chuyển tiếp gia tăng (IDF).

Tuy vậy, chế độ lựa chọn phù hợp với mô hình AF hơn.

Xét về khía cạnh độ tin cậy và hiệu năng, IAF cho kết quả tốt nhất. Về khía cạnh

phức tạp của thuật toán, AF là đơn giản nhất và có thể đạt được đầy đủ độ lợi phân tập,

SDF cũng có thể làm được như vậy nhưng nó phức tạp hơn so với AF.


Page 14

1.3.2.4 Hợp tác mã hóa (Coded Cooperative: CC)

Mô hình này sẽ tích hợp quá trình “hợp tác” vào quá trình mã hóa kênh. Các phần

khác nhau của những từ mã của mỗi nút được gửi đi trên những kênh fading khác nhau.

Mỗi nút thực hiện giải mã chính xác thông tin mà nó nhận được từ nút mà nó hợp tác,

sau đó thực hiện tái mã hóa rồi chuyển tiếp đi. Với những bít thông tin được truyền lặp

đi lặp lại trên những kênh truyền khác nhau thì hiệu năng của hệ thống sẽ được nâng

cao. Nếu một nút không thể thực hiện giải mã được thông tin mà nó nhận được từ nút

khác nó sẽ chuyển về chế độ không hợp tác.

Ở hình 1.6, thiết bị di động sẽ mã hóa thông tin cần truyền dùng mã CRC. Trong

suốt quá tình truyền hợp tác, các bit thông tin đã được mã hóa sẽ được chia thành 2

phần chứa các bit thông tin N1 và N2 (độ dài của từ mã nguyên thủy là N1+N2 bit) và

sử dụng 2 khe thời gian để truyền đi N1 và N2.

Hình 1.6: Kỹ thuật CC

Ở khe thời gian truyền thứ nhất, mỗi thiết bị di động sẽ truyền đi các bít

N1 của riêng chúng và cố gắng thực hiện việc giải mã cá bít thông tin

được truyền đi bởi “đối tác” của chúng.


Page 15

Nếu quá trình giải mã ở trên thành công (được kiểm tra bởi CRC), thiết bị

di động sẽ truyền đi các bit thông tin N2 của “đối tác” ở khe thời gian

truyền thứ 2. Nếu thiết bị di động không thể giải mã chính các thông tin

từ “đối tác” nó sẽ truyền đi các bit thông tin N2 của riêng nó, nghĩa là

truyền ở chế độ không hợp tác.

Nói chung, bằng cách này mỗi thiết bị di động luôn truyền đi bản tin gồm N1 + N2

bit ở 2 khe thời gian truyền. Cuối cùng, ở phía thu sẽ tiến hành giải mã khối thông tin

mà nó nhận được. Ngoài các mô hình chuyển tiếp phổ biến kể trên còn có các kỹ thuật

chuyển tiếp khác:

► Nén và chuyển tiếp (Compress-and-Forward: CF): nút chuyển tiếp sẽ thực hiệu

nén tín hiệu nhận được từ nút nguồn và chuyển tiếp về phía nút đích. Mã Wyner-Ziv

thường được dùng để tối ưu hóa việc quá trình nén (Wyner-Ziv là một dạng mã hóa

nguồn phân tán – distributed source coding).

► Hợp tác mã hóa không gian – thời gian (space-time coded Cooperative: STTC):

điểm khác biệt cơ bản giữa STTC và CC là STTC cho phép các thiết bị đầu cuối đồng

thời truyền dữ liệu trên những kênh đa truy cập của riêng nó và của “đối tác”.Trong khi

đối với kỹ thuật CC, thiết bị đầu cuối chỉ có thể truyền dữ liệu trên kênh truyền của

riêng nó.

► Hợp tác mã hóa mạng (Network-Coded Cooperative: NCC): kết hợp mã hóa

mạng (Network Coding) vào kỹ thuật CC. Mã hóa mạng là công nghê multicast, ý

tưởng cốt lõi của mã hóa mạng là một nút trung gian sẽ không còn thực hiện chức năng

lưu trữ và chuyển tiếp (store-and-forward), mà thực hiện mã hóa và chuyển tiếp thông

tin mà nó nhận được, điều này sẽ làm tăng dung lượng và độ tin cậy cho toàn mạng.

Trước đây, khái niệm này thường được dùng trong mạng hữu tuyến. Nhưng tính chất

quảng bá của kênh truyền vô tuyến rất thích hợp cho việc ứng dụng mã hóa mạng trong


Page 16

mạng vô tuyến, và sự tương tác về thông tin giữa các nút vô tuyến có thể đạt được

thông tin qua mã hóa mạng. Vì vậy, việc kết hợp truyền thông hợp tác với mã hóa

mạng sẽ được cải thiện hiệu quả và hiệu năng của hệ thống truyền thông vô tuyến.

1.4 Ưu nhược điểm của truyền thông hợp tác

1.4.1 Ưu điểm

► Đạt được độ lợi phân tập kết hợp: truyền thông hợp tác khai thác phân tập không

gian và thời gian trong mạng vô tuyến để nâng cao hiệu suất của hệ thống. Lợi ích của

phân tập kết hợp có thể được liệt kê như sau:

Giảm thiểu công suất truyền cần thiết.

Nâng cao thông lượng

Nâng cao độ tin cậy của truyền dẫn, nâng cao vùng phủ sóng của mạng [5].

► Cân bằng chất lượng dịch vụ QoS: đối với những hệ thống truyền thống, những

người dùng ở tại rìa vùng phủ sóng của mạng hoặc những người dùng thuộc vùng chịu

ảnh hưởng của hiện tượng shadowing sẽ phải chịu giới hạn dung lượng. Tuy nhiên,

truyền thông hợp tác có thể vượt qua được sự khác biệt về QoS và cung cấp QoS đồng

đều cho nhiều người dùng.

► Tiết kiệm cơ sở hạ tầng xây dựng mạng: truyền thông hợp tác có thể làm đơn

giản hóa việc triển khai một hệ thống khi không có đủ cơ sở hạ tầng cần thiết. Chẳng

hạn như, tại một vùng bị thiên tai, truyền thông hợp tác có thể được sử dụng cho việc

liên lạc khi mà hệ thống thông tin di động tế bào hay các hệ thống liên lạc khác không

thể hoạt động được nữa.

► Giảm thiểu chi phí: truyền thông hợp tác có thể là giải pháp giảm thiểu chi phí

xây dựng, cung cấp các dịch vụ mạng trong nhiều trường hợp. Ví dụ, trong mạng thông


Page 17

tin di động tế bào, người ta đã chỉ ra rằng chi phí để cung cấp 1 mức QoS cho tất cả

người dùng sẽ được giảm thiểu nếu có sử dụng truyền thông hợp tác.

1.4.2 Nhược điểm

► Sử dụng truyền thông hợp tác sẽ tiêu tốn nhiều tài nguyên vô tuyến hơn so với

truyền trực tiếp. Cụ thể , tài nguyên vô tuyến ở đây là khe thời gian, băng tần, mã trải

hay mã không gian thời gian. Các tài nguyên này cần được chỉ định cho các lưu lượng

chuyển tiếp. Nếu không có sơ đồ phân bố năng lượng hợp lý thì đường truyền chuyển

tiếp hợp tác sẽ gây ra nhiễu, làm giảm hiệu suất của hệ thống.

► Một hệ thống truyền thông hợp tác đòi hỏi các yêu cầu cao hơn về điều khiển

truy nhập, đồng bộ, lập lịch, các biện pháp bảo mật so với các hệ thống truyền thông

truyền thống. Ngoài ra còn phải xem xét đến vấn đề truyền thông hợp tác óc thể gây

xuyên nhiễu đến đường truyền trực tiếp.

► Truyền thông hợp tác thường bao gôm bước tiếp nhận và xử lý gói tin tại nút

chuyển tiếp trước khi nó được truyền đi tiếp. Khi xét tới những dịch vụ nhạy với trễ

như thoại, những dịch vụ truyền thông đa phương tiện phổ biến hiện nay thì trễ tại các

bước xử lý ở nút chuyển tiếp rõ ràng không có lợi.

► Việc lập lịch phức tạp: trong hệ thống truyền thông hợp tác, không chỉ có lưu

lượng từ nút nguồn mà cả lưu lượng từ nút chuyển tiếp cũng cần phải được lập lịch. Vì

thế, việc lập lịch sẽ trở nên phức tạp hơn và sẽ càng phức tạp hơn nếu như có nhiều

người dùng và nhiều nút chuyển tiếp tham gia trong mạng.


Page 18

1.5 Kết luận chương

Ở chương này chúng ta đã có một cái nhìn tổng quát về khái niệm “truyền thông

hợp tác”, các thành phần của một hệ thống truyền thông hợp tác. Quan trọng nhất chính

là thành phần nút chuyển tiếp relay cũng như các vấn đề liên quan đến nút này như các

giao thức, kỹ thuật hoạt động của nó. Một số ưu – nhược điểm của truyền thông hợp

tác cũng được nêu ra một cách tóm tắt. Truyền thông hợp tác thật sự là một bước tiến

mới, là một công nghệ hứa hẹn trong tương lai không xa trong lĩnh vực truyền thông vô

tuyến nói riêng cũng như trong lĩnh vực truyền dẫn nói chung. Cùng với các công nghệ

mới như “ vô tuyến thông minh”, truyền thông hợp tác sẽ là cơ sở tốt để các nhà sản

xuất lựa chọn phương thức truyền thông cho công nghệ 5G trong tương lai.

Chương 2: Tổng quan về kỹ thuật phân tập kết hợp

Page 19

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP KẾT HỢP


Ở chương này, ta sẽ tìm hiểu một cách tổng quát về kỹ thuật phân tập kết hợp, sự

phân loại của nó cũng như một số ví dụ về sự ứng dụng của kỹ thuật này trong hệ

thống truyền thông hợp tác.

2.2 Kỹ thuật phân tập kết hợp

Những nhà thiết kế hệ thống truyền thông vô tuyến luôn phải đối mặt với vấn đề

kênh truyền fading, vấn đề khiến biên độ và pha của tín hiệu luôn thay đổi bất thường

theo thời gian. Vì thế, các nhà thiết lế đã đối phó với vấn đề này bằng cách sử dụng các

kỹ thuật phân tập. Kỹ thuật phân tập là kỹ thuật sử dụng nguồn tài nguyên thông tin

(tần số, khe thời gian…) nhiều hơn mức tối thiểu cần thiết cho việc thu và phát tín hiệu

để đảm bảo chất lượng của hệ thống thông tin. Có nhiều dạng phân tập, điển hình là:

► Phân tập không gian: tín hiệu được truyền trên nhiều đường khác nhau. Trong

truyền dẫn hữu tuyến, người ta truyền trên nhiều sợi cáp. Trong truyền dẫn vô tuyến

người ta hay sử dụng phân tập anten. Chẳng hạn như phân tập phát (transmit diversity)

/ phân tập thu (receive diversity) là phân tập trên nhiều anten phát / anten thu. Nếu các

anten đặt gần nhau khoảng vài bước sóng thì gọi là phân tập gần (microdiversity).

Nếu các anten đặt cách xa nhau thì gọi là phân tập xa (macrodiversity).

► Phân tập thời gian: tín hiệu được truyền đi ở những thời điểm khác nhau.

► Phân tập phân cực: tín hiệu được truyền đi bằng cách dùng những sóng phân

cực khác nhau.

► Phân tập tần số: tín hiệu được truyền đi trên nhiều tần số khác nhau, hoặc trên

một phổ tần rộng bị tác động của fading lựa chọn tần số.


Page 20

Kỹ thuật phân tập kết hợp (Diversity Combining): là kỹ thuật ứng dụng để kết hợp

nhiều tín hiệu nhận được ở phía thu sử dụng phân tập thu để có được một tín hiệu chất

lượng tốt hơn. Phân tập kết hợp là một công cụ tuyệt vời có thể được ứng dụng trong

hệ thống truyền thông vô tuyến để làm giảm bớt ảnh hưởng của fading, chỉ ra phương

thức mà tín hiệu từ các nhánh phân tập được kết hợp. Phân tập kết hợp đòi hỏi một số

lượng các phiên bản của cùng một tín hiệu truyền đến từ phía thu. Tất cả đều mang nội

dung như nhau nhưng trải qua những kênh fading độc lập nhau. Phân tập kết hợp có

những đặc điểm chính sau đây:

► Nhân những phiên bản của cùng một tín hiệu mang thông tin, những phiên bản

này đi trên ít nhất là 2 kênh fading độc lập với nhau.

► Kết hợp những phiên bản đó với nhau theo một số phương pháp nhất định để

nâng cao tỉ số SNR nhận tổng quát và giảm tỉ số BER phía thu.

Khi đánh giá hiệu năng của một hệ thống phân tập kết hợp, người ta thường quan

tâm đến các thông số như sau:

► SNR trung bình sau khi đã qua quá trình phân tập kết hợp.

► BER trung bình hay SER (tỉ số Symbol lỗi) trung bình.

► Xác suất dừng.

► Thời gian xảy ra gián đoạn liên lạc trung bình.

2.3 Phân loại các kỹ thuật phân tập kết hợp

Phân tập kết hợp có thể được chia thành các kỹ thuật phân tập khác nhau như sau:

2.3.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC)

Trong N tín hiệu thu được từ các nhánh, tín hiệu có chất lượng tốt nhất (có tỉ số

SNR tức thời cao nhất) sẽ được lựa chọn. Kỹ thuật này dễ thực hiện nhưng không tối


Page 21

ưu vì nó không sử dụng hết tất cả các tín hiệu thu được từ các nhánh. Thêm vào đó, kỹ

thuật này đòi hỏi việc phải thường xuyên theo dõi chất lượng trên tất cả các nhánh thu.

Trong thực tế, rất khó để đo đạt trực tiếp được SNR, thường thì công suất tổng cộng

cao nhất (cả tín hiệu và nhiễu) sẽ được dùng làm thước đo [9].

Hình 2.1: kỹ thuật SC

2.3.2 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp (Switched Combining)

Kỹ thuật này còn được gọi là kỹ thuật phân tập quét (scanning diversity). Các tín

hiệu thu được từ các nhánh thu sẽ được quét theo thứ tự cho tới khi tìm được 1 tín hiệu

có chất lượng vượt qua 1 ngưỡng cho trước. Tín hiệu này sẽ trở thành tín hiệu được

chọn. Cho tới khi chất lượng của nó giảm dưới ngưỡng đó thì tiến trình quét tìm tín

hiệu có chất lượng vượt ngưỡng lại được khởi động. Kỹ thuật kết hợp lựa chọn chuyển

tiếp là kỹ thuật phân tập khá đơn giản và có thể được phân loại thành 2 dạng:

► Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ (Switch-and-Stay Combining: SSC): khi

chất lượng của nhánh thu hiện tại giảm xuống dưới 1 ngưỡng chất lượng được định

trước, hệ thống sẽ chuyển sang một nhánh thu khác và giữ ở nhánh thu đó (bất chấp

chất lượng của nhánh thu vừa chuyển sang có đạt trên mức ngưỡng quy định hay

không) cho đến thời điểm chuyển tiếp tiếp theo.


Page 22

► Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và kiểm tra (Switch-and-Examine Combing: SEC):

sự khác biệt của SEC so với SSC là nếu nhánh thu vừa chuyển sang có chất lượng thấp

hơn ngưỡng thì nó sẽ ngay lập tức chuyển sang nhánh thu khác (hoặc trở lại nhánh thu

ban đầu, nếu hệ thống chỉ có 2 nhánh thu). Và có thể hệ thống sẽ thực hiện chuyển tiếp

nhanh liên tục cho đến khi tìm được nhánh thu đạt chất lượng trên mức ngưỡng. Trong

kỹ thuật SEC, bộ thu cố gắng sử dụng nhánh thu có chất lượng (chấp nhận được) bằng

cách kiểm tra càng nhiều nhánh càng tốt.

2.3.3 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC)

Các tín hiệu nhận được từ các nhánh được đánh giá và gán trọng số tỉ lệ dựa theo tỉ

số SNR riêng rẽ của chúng và sau đó được cộng lại (các tín hiệu này phải được làm cho

đồng pha trước hi thực hiện quá trình cộng). Kỹ thuật này tạo ra tín hiệu cso tỉ số SNR

trung bình là tổng của các SNR riêng rẽ của tín hiệu thu từ các nhánh khác nhau. Nhờ

vậy, ta có thể đạt được tỉ số SNR chấp nhận được ngay cả khi không có tín hiệu từ

nhánh nào có SNR đạt tiêu chuẩn. Đây là phương pháp khá tối ưu nhưng đòi hỏi phải

biết các thông số của các kênh truyền (CSI của kênh truyền).

Hình 2.2: kỹ thuật MRC


Page 23

2.3.4 Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining: EGC)

Tương tự như kỹ thuật MRC, ngoại trừ việc các trọng số tỉ lệ được đặt bằng nhau

đối với tất cả các tín hiệu từ các nhánh thu khác nhau. Hiệu quả của kỹ thuật này có thể

thấy là không cao nhu đối với kỹ thuật MRC. Cả kỹ thuật EGC và MRC đều là những

kỹ thuật kết hợp tuyến tính, các tín hiệu từ các nhánh sẽ được gán trọng số tỉ lệ và cộng

lại theo công thức:

푟 = ∑ 푎 푟

Đối với kỹ thuật EGC thì các trọng số đều bằng nhau, và bằng với: 푎푖 = 푒−푗휑푖, với

휑 là pha của tín hiệu nhận được. Với kỹ thuật MRC thì các trọng số sẽ tỉ lệ với SNR

thu được tại mỗi nhánh. Nếu công suất nhiễu là bằng nhau thì việc xác định trọng số sẽ

dựa theo công thức: 푎푖 = 퐴푖푒−푗휑푖, với 퐴푖 và 휑 lần lượt là biên độ và pha của tín hiệu

thu được. Do vậy, MRC đòi hỏi sự ước lượng fading trong kênh truyền và pha của tín

hiệu. Và đây là phương pháp tối ưu do có thể thu được tín hiệu có tỉ số SNR tối đa.

2.3.5 Một số dạng kỹ thuật phân tập kết hợp “lai ghép” khác

► Kỹ thuật kết hợp lựa chọn tổng quát (Generalized Selection Combining: GSC).

► Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và kiểm tra tổng quát (Generalized Switch-and-

Examine Combining: GSEC).

2.4 Các kỹ thuật phân tập kết hợp thường sử dụng trong hệ thống truyền thông

hợp tác

Một điểm lợi lớn của truyền thông hợp tác đó là sử dụng hệ thống các anten phân

tán, những anten này thuộc về những đầu cuối chuyển tiếp độc lập với nhau. Điều này

cho phép việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống truyền thông hợp tác theo một khía cạnh

mới, khi mà các đường liên kết đầu cuối đến đầu cuối giữa nút nguồn và nút đích đóng

vai trò là những nhánh của hệ thống phân tập thu ảo và phân tán. Và như vậy, các

phương pháp kết hợp thông dụng được sử dụng trong phân tập thu truyền thống có thể


Page 24

được triển khai bằng một cách thức phân tán. Dẫn đến những giao thức chuyển tiếp

mới lạ và nói chung là một cách thức mới để tận dụng nguồn tài nguyên vô tuyến.

2.4.1 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa phân bố (Distributed Maximal Ratio Coombining:

DMRC)

MRC là kỹ thuật kết hợp đạt hiệu năng tốt nhất do nó sử dụng tất cả các nhánh thu

cho phép, kết hợp dựa vào SNR tức thời của chúng. MRC sử dụng phương thức kết

hợp các tín hiệu từ nhiều nút chuyển tiếp một cách tốt nhất. Ở khía cạnh hiệu năng đó

là gán trọng số cho chúng dựa vào tỉ số SNR đầu cuối đến đầu cuối tương ứng. Kỹ

thuật MRC ứng dụng trong truyền thông hợp tác được gọi là MRC phân tán

(Distributed MRC), và nó là một chuẩn mực khi đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật

phân tập kết hợp khác [5].

Ta xem xét một ví dụ đơn giản về ứng dụng của kỹ thuật MRC đối với hệ thống

truyền thông hợp tác. Xét một hệ thống gồm nút nguồn S, nút đích D và nút chuyển

tiếp R sử dụng kỹ thuật DF. Ở khe thời gian truyền thứ nhất, tín hiệu nhận được ở nút

đích và nút chuyển tiếp (từ nút nguồn) được thể hiện như sau:

푦 = 푃 ℎ , 푥 + 휂 , (2.1a)

푦 = 푃 ℎ , 푥 + 휂 , (2.1b)

Giả sử rằng nút chuyển tiếp giải mã hoàn hảo tín hiệu mà nó nhận được. Sau đó tái

mã hóa và chuyển tiếp tín hiệu về phía nút đích ở khe thời gian truyền thứ 2. Khi đó,

tín hiệu mà nút đích nhận được từ nút chuyển tiếp thể hiện như sau:

푦푅퐷 = 푃푅ℎ푅,퐷푥+ 휂푅,퐷 (2.2)

Trong đó:



Page 25


ℎ푆,퐷, ℎ푆,푅, ℎ푅,퐷 tương ứng là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích, nút

nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích.

휂 , , 휂 , , 휂푅,퐷 tương ứng là nhiễu trên các kênh truyền giữa nút nguồn và nút

đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích.

Phía nút đích sẽ kết hợp cả tín hiệu nhận được từ nút nguồn và nút chuyển tiếp, sử

dụng kỹ thuật MRC. Ngõ ra của bộ kết hợp sẽ là:

푦 = , 푦 , + , 푦 , (2.3)

2.4.2 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn phân bố (Distributed SelectionCombining: DSC)

DSC cơ bản là kỹ thuật SC được ứng dụng vào hệ thống truyền thông hợp tác. Ta

xem xét một hệ thống truyền hợp tác gồm 1 nút D, 1 nút nguồn S và N nút chuyển tiếp

sử dụng kỹ thuật DF, hỗ trợ cho việc truyền dẫn từ nút đích đến nút nguồn. Điểm mấu

chót của kỹ thuật DSC là xác định ra được nút chuyển tiếp tốt nhất ở mỗi khe thời gian

truyền để làm nhánh thu trong khe thời gian đó.

Nếu ta gọi 훾푖, với i =1,…,N tương ứng là tỉ số SNR tức thời của các đường truyền đi

qua N nút chuyển tiếp. Khi đó tỉ số SNR tức thời của hệ thống DSC sẽ được xác định

bằng công thức:

훾퐷푆퐶 = max {훾1,훾2, … ,훾푁} (2.4)

Nếu ta gọi 훾푖,1 và 훾푖,2 tương ứng là tỉ số SNR tức thời của đường truyền giữa nút

nguồn - nút chuyển tiếp thứ i và đường truyền giữa nút chuyển tiếp thứ i - nút đích.

Theo [1], ta có tỉ số SNR tương đương của một kênh truyền chuyển tiếp.

훾푖 = min {훾1,푖,훾2,푖} (2.5)


Page 26

Đối với kênh truyền chịu ảnh hưởng của fading Rayleigh phẳng, các tỉ số SNR tức

thời của các kênh truyền là các biến ngẫu nhiên có phân bố mũ với hàm pdf và cdf

được xác định như sau:

푓훾(푥) = 1훾 exp (− 푥

훾) (2.6a)

퐹훾(푥) = 1− exp (− 푥훾) (2.6b)

Và do vậy, 훾푖 cũng là những biến ngẫu nhiên có phân bố mũ với hàm pdf và cdf dễ

dàng tìm được như sau:

푓훾푖(푥) = 1훾푖

exp (− 푥훾푖

) (2.7a)

퐹훾(푥) = 1− exp (− 푥훾푖

)

(2.7b)

Trong đó:

훾푖 = 훾1,푖 . 훾2,푖훾1,푖 + 훾2,푖

(2.8)

Theo [1], pdf và cdf của 훾퐷푆퐶 được xác định như sau:

퐹훾퐷푆퐶(훾) = Pr {훾1 < 훾, 훾2 < 훾, … ,훾푁 < 훾}

= 퐹 (훾) = (1 − exp (−훾/훾 ))

= (−1) . 휔 푒,…,⋯

, 휔 = 훾


Page 27

Đã có một số nghiên cứu về ứng dụng của kỹ thuật DSC trong các hệ thống truyền

thông hợp tác, ở [1], một đánh giá về hiệu năng của kỹ thuật DSC, những thông số hiệu

năng của hệ thống như tỉ số lỗi bit, hiệu suất sử dụng phổ… cũng được xem xét. Hay ở

[7], sự so sánh về hiệu năng của 2 kỹ thuật DSC riêng biệt đã được đề cập, đó là kỹ

thuật DSC dựa trên nền tảng so sánh tỉ số lỗi bit RER và kỹ thuật DSC dựa trên nền

tảng so sánh tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu khác về

kỹ thuật DSC thường quan tâm đến kỹ thuật DSC dựa vào só sánh tỉ số SNR hơn. Ở

chương sau, một hệ thống kết hợp giữa kỹ thuật DSSC và hệ thống SR sẽ được xem xét

đến.

2.4.3 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ (Distributed Switch-and-Stay Combining:

DSSC)

Kỹ thuật này sẽ được xem xét vào chương sau cho một số trường hợp cụ thể.

2.5 Nhận xét sơ lược về các kỹ thuật phân tập kết hợp ứng dụng trong truyền

thông hợp tác

► Về hiệu năng: kỹ thuật DMRC cho hiệu năng tối ưu nhất trong số các kỹ thuật

phân tập và thường được lấy làm tiêu chuẩn so sánh cho các kỹ thuật khác.

► Về độ phức tạp: hai kỹ thuật DMRC và DSC đòi hỏi việc phía thu phải giám sát

chất lượng kênh truyền trên tất cả các nhánh thu, dẫn đến các kỹ thuật này tương đối

phức tạp khi triển khai.


Page 28


Ở chương này, khái niệm về kỹ thuật phân tập kết hợp đã được đề cập. Phân tập kết

hợp là một công cụ tuyệt vời có thể được ứng dụng trong các hệ thống truyền thông vô

tuyến để làm giảm bớt ảnh hưởng của fading, chỉ ra phương thức mà tín hiệu từ các

nhánh phân tập được kết hợp. Các phân loại của kỹ thuật phân tập kết hợp như kỹ thuật

kết hợp lựa chọn, kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa, kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp…cũng đã

được đề cập đến. Ngoài ra, một số ví dụ của các kỹ thuật trên khi sử dụng trong hệ

thống truyền thông hợp tác cũng đã được nêu ra. Ở chương tiếp theo, kỹ thuật kết hợp

chuyển tiếp và giữ và các ứng dụng của nó trong một số hệ thống truyền thông hợp tác

sẽ được xem xét kỹ lưỡng hơn.

Chương 3: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ trong hệ thống truyền thông hợp tác

Page 29

Chương 3: KỸ THUẬT KẾT HỢP CHUYỂN TIẾP VÀ GIỮ

TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC


Ở chương này, mô hình cơ bản của kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ sẽ được xem

xét cùng với một số ứng dụng của kỹ thuật này trong các hệ thống truyền thông hợp tác

(hệ thống lựa chọn chuyển tiếp (Selection Relaying) và hệ thống lựa chọn chuyển tiếp

theo chặng (Partial Relay Selection)). Các đánh giá về hiệu năng của hệ thống sử dụng

kỹ thuật này sẽ được dẫn ra.

3.2 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp (Switched Combining)

Kỹ thuật SC và MRC (đề cập ở chương 2) đòi hỏi việc phải giám sát thường xuyên

SNR của các nhánh thu, yêu cầu kỹ thuật phức tạp. Có một dạng kỹ thuật kết hợp đơn

giản hơn, đó là kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp (Switch Combining) (hay còn gọi là kỹ

thuật kết hợp sử dụng ngưỡng-Threshold Combining) , kỹ thuật này tránh được nhược

điểm kể trên của kỹ thuật SC. Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp sẽ thực hiện quét trên các

nhánh thu theo thứ tự và chọn thu từ nhánh có SNR vượt một mức ngưỡng T cho trước.

Một khi đã chọn được nhánh thu, hệ thống sẽ sử dụng nhánh thu đó cho đến khi SNR

của nhánh giảm xuống dưới mức ngưỡng T, khi đó hệ thống sẽ chuyển sang nhánh thu

khác. Tuy vậy, có nhiều tiêu chuẩn để hệ thống lựa chọn để chuyển sang nhánh thu

nào. Cách đơn giản nhất là chuyển ngẫu nhiên sang một nhánh bất kỳ nào đó. Nếu chỉ

có hai nhánh thu phân tập thì điều này tương đương với việc hệ thống sẽ chuyển sang

nhánh thu còn lại khi SNR của nhánh thu đang được sử dụng thấp hơn T. Phương pháp

này còn gọi là kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ (Switch and Stay Combining: SSC)

[10].


Page 30

Phân loại kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp:

►Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ (Switch and Stay Combining):

khi chất lượng của nhánh thu hiện tại (SNR) giảm xuống dưới một mức chất lượng

được định trước, hệ thống sẽ chuyển sang một nhánh thu mới và giữ ở nhánh thu đó

(bất chấp việc chất lượng của nhánh thu chuyển sang có đạt trên mức ngưỡng quy định

không) cho đến thời điểm chuyển tiếp tiếp theo.

►Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và kiểm tra (Switch and Examine Combining

(SEC)):

Sự khác biệt của SEC so với SSC là nếu nhánh thu vừa chuyển sang có chất lượng

thấp hơn ngưỡng thì ngay lập tức chuyển sang nhanh thu khác (hoặc trở lại nhánh thu

ban đầu, nếu hệ thống chỉ có hai nhánh thu), và có thể hệ thống sẽ chuyển tiếp nhanh

liên tục cho đến khi tìm được nhánh thu đạt chất lượng trên mức ngưỡng.

3.3 Kỹ thuật SSC trong hệ thống truyền thông hợp tác

Do tính chất phân bố (distributed) của hệ thống truyền thông hợp tác nên kỹ thuật

SSC trong truyền thông hợp tác được gọi là kỹ thuật chuyển tiếp và giữ phân bố

(distributed Switch-and-stay combining (DSSC). Nói chung, ý tưởng chính đằng sau

việc ứng dụng kỹ thuật chuyển tiếp trong DSSC là chuyển từ một nhánh thu end-to-end

đến một nhánh khác nếu nhánh đang được sử dụng hiện tại có SNR giảm xuống thấp

hơn ngưỡng cho phép. Tuy về tính tối ưu thì DSSC không bằng kỹ thuật DSC, nhưng

độ phức tạp của nó đã giảm đi nhiều, nguyên nhân là tại một thời điểm chỉ cần kiểm tra

SNR của một nhánh thu end-to-end, cũng là nhánh đang được thu hiện tại (trong khi

đó, hệ thống sử dụng DSC tại một thời điểm phải tiến hành kiểm tra SNR của nhiều

nhánh thu để có thể xác định nhánh thu có chất lượng tốt nhất). Kỹ thuật SSC thường

được sử dụng kết hợp với các kỹ thuật phân tập kết hợp khác ở phía thu như kỹ thuật

SC hay MRC. Đã có nhiều công trình nghiên cứu về kỹ thuật SSC trong hệ thống


Page 31

truyền thông hợp tác, ví dụ như, ở [11], một hệ thống truyền thông hợp tác với một nút

chuyển tiếp ứng dụng kỹ thuật DSSC đã được xem xét, và ở [12], một hệ thống với

DSSC 2 nút chuyển tiếp cũng đã được thảo luận cùng với sự kết hợp kỹ thuật MRC ở

phía thu.

3.4 Mô hình cơ bản và nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật DSSC

Mô hình đơn giản nhất của kỹ thuật DSSC bao gồm 1 nút nguồn, 1 nút đích và 1 nút

chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật hoạt động AF hoặc DF. Mô hình hệ thống như vậy gọi là

DSSC-một nút chuyển tiếp. Một mô hình như thế đã được trình bày trong [11].

Xem xét một nút nguồn S truyền dẫn đến 1 nút đích gọi là D, với sự trợ giúp của một

nút chuyển tiếp đơn nhất, được gọi là nút R. Với mô hình như vậy, nút đích có thể nhận

tín hiệu từ đường truyền trực tiếp (từ nút nguồn S) hoặc gián tiếp thông qua đường

truyền ảo S – R – D. Hai đường truyền kể trên có thể gọi là nhánh trực tiếp và nhánh

chuyển tiếp, ký hiệu là nhánh D và nhánh R, với tỷ số SNR tức thời tương ứng của

chúng được ký hiệu là γD và γR.

3.4.1. Điều kiện xảy ra quá trình chuyển nhánh thu

Điểm khác biệt giữa hệ thống DSSC và hệ thống truyền thông hợp tác thông thường

sử dụng một nút chuyển tiếp đó là việc xác định nhánh thu hoạt động (active branch) ở

từng khe thời gian truyền bằng việc so sánh tỷ số SNR thu tức thời của hệ thống với

ngưỡng chuyển nhánh T . Cụ thể là, ở một khe thời gian truyền nào đó, tỷ số SNR tức

thời của nhánh đang được thu (giả sử đó là nhánh truyền trực tiếp D) sẽ đươc đem so

sánh với mức ngưỡng chuyển nhánh T. Có hai trường hợp có thể xảy ra:


Page 32

Hình 3.1: Sơ đồ minh họa kỹ thuật DSSC 1 nút chuyển tiếp với nút nguồn S, nút

chuyển tiếp R và nút đích D.

► γD ≤ T: chất lượng tín hiệu của nhánh thu hiện tại đã giảm dưới mức cho phép,

quá trình chuyển nhánh thu sẽ xảy ra, nhánh thu hiện tại chuyển về nhánh chuyển tiếp

R, không quan tâm đến việc chất lượng của nhánh này có bảo đảm không? Một tín hiệu

hồi tiếp từ nút đích sẽ báo vè cho nút nguồn và nút chuyển tiếp biết về quá trình này.

► γD > T: chất lượng tín hiệu của nhánh thu hiện tại vẫn đảm bảo lớn hơn mức

ngưỡng, quá trình chuyển nhánh không xảy ra, nhánh D vẫn là nhánh thu của hệ thống.

3.4.2. Xác suất được lựa chọn của mỗi nhánh thu

Hình 3.2 : Mô hình Markov 2 trạng thái D và R


Page 33

Ở mỗi khe thời gian truyền, sẽ có xác suất một nhánh nhất định được phía thu lựa

chọn để thu tín hiệu. Để suy ra được hai xác suất lựa chọn trong trường hợp sử dụng 1

nút chuyển tiếp, ta áp dụng hình chuỗi Markov ẩn với hai trạng thái D và R (tương ứng

với sự kiện nhánh D và nhánh R được chọn làm nhánh thu). Với các xác suất chuyển

trạng thái:

► Từ D sang R: khi có sự chuyển trạng thái từ D sang R, nghĩa là giá trị SNR tức

thời trên đường D đã giảm dưới mức ngưỡng T, vì vậy xác suất chuyển trạng thái từ D

sang R là xác suất mà giá trị SNR tức thời trên đường D giảm dưới mức ngưỡng T,

nghĩa là ( )D

F T .

► Từ R sang D: tương tự như vậy, xác suất chuyển trạng thái từ R sang D là ( )R

F T .

Vì vậy:

Xác suất của trạng thái D, xác suất của đường D được chọn làm nhánh thu là:

( )

{B=D}=( ) ( )

R

D R

D r

F Tp P

F T F T

(3.1)

Xác suất của trạng thái R, hay xác suất của đường R được chọn làm nhánh thu là:

( )

{B=R}=( ) ( )

D

D R

R r

F Tp P

F T F T

(3.2)

Ngoài ra, ta có thể dựa vào các biểu thức sau để suy ra được xác suất của mỗi nhánh:

( ) ( )D D r D R r Rp p P T p P T

( ) ( )R R r R D r Dp p P T p P T


Page 34

Thêm vào đó:

1D Rp p

3.4.3. Hiệu năng của hệ thống sử dụng kỹ thuật DSSC

3.4.3.1 Xác suất lỗi bit

► Khi hệ thống đang thu từ đường D (xác suất của sự kiện này là pD ). Có hai sự

kiện có thể xảy ra ở từng khe thời gian truyền:

-SNR tức thời của đường D giảm dưới mức ngưỡng T (xác suất sự kiện này là

( )r DP T ), khi đó sẽ xảy ra quá trình chuyển nhánh thu sang đường R, xác suất lỗi khi

đó là xác suất lỗi xảy ra trên đường R, hay { |B=R}rP .

-SNR tức thời của đường D vẫn lớn hơn mức ngưỡng T (xác suất sự kiện này là

( )r DP T ), xác suất lỗi khi đó là xác suất lỗi xảy ra trên đường D, hay

{ |B=D, >T}r DP .

► Khi hệ thống đang thu từ đường R (xác suất của sự kiện này là pR ). Có hai sự

kiện có thể xảy ra ở từng khe thời gian truyền:

-SNR tức thời của đường R giảm dưới mức ngưỡng T (xác suất sự kiện này là

( )r RP T ), khi đó sẽ xảy ra quá trình chuyển nhánh thu sang đường R, xác suất lỗi khi

đó là xác suất lỗi xảy ra trên đường D, hay { |B=D}rP .

-SNR tức thời của đường R vẫn lớn hơn mức ngưỡng T (xác suất sự kiện này là

( )r RP T ), xác suất lỗi khi đó là xác suất lỗi xảy ra trên đường R, hay

{ |B=R, >T}r RP .


Page 35

► Lỗi của hệ thống bằng tổng số lỗi của hai trường hợp nhánh thu hiện tại là D và

R.

Áp dụng luật tổng xác suất, ta suy ra được công thức sau:

{ }= [ ( ) { |B=D, >T} ( ) { |B=R}]r D r D r D r D rP p P T P P T P

[ ( ) { |B=R, >T} ( ) { |B=D}]R r R r R r R rp P T P P T P (3.3)

3.4.3.2 Xác suất dừng

Xác suất dừng (Outage Probability) là xác suất mà chất lượng tín hiệu trên kênh

truyền giảm dưới một mức ngưỡng chất lượng quy định, đó có thể là khi SNR của tín

hiệu giảm dưới mức SNR cho phép hay khi tỉ số bit lỗi BER vượt quá tỉ số BER cho

phép của hệ thống.

Cũng tương tự như xác suất lỗi bit, dựa vào nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật

DSSC, ta có được xác suất dừng cho hệ thống DSSC một nút chuyển tiếp như sau:

{ }= [ ( ) { |B=D, >T} ( ) { |B=R}]r D r D r D r D rP p P T P P T PO O O

[ ( ) { |B=R, >T} ( ) { |B=D}]R r R r R r R rp P T P P T PO O . (3.4)

3.4.3.3 Hiệu suất sử dụng phổ

Hiệu suất sử dụng phổ tần (hay còn gọi hiệu suất sử dụng băng thông), là tỉ số giữa

tốc độ số liệu với độ rộng băng tần và được đo bằng bit/s/Hertz.

►Nếu đường D được hệ thống chọn làm nhánh thu (xác suất của sự kiện này là Dp

), khi đó dụng phổ là r.

► Nếu đường R được hệ thống chọn làm nhánh thu (xác suất của sự kiện này là Rp

), khi đó hiệu suất sử dụng phổ của hệ thống là chỉ r/2, do nút chuyển tiếp chỉ có thể


Page 36

hoạt động ở chế đọ bán song công, việc truyền tín hiệu qua đường chuyển tiếp phải qua

đến hai khe thơi gian truyền (gấp đôi so với đường truyền trực tiếp D) nên tốc độ

truyền dữ liệu trung bình trên đường truyền chuyển tiếp R giảm 1/2 nếu so với đường

truyền D. Vì vậy hiệu suất sử dụng phổ của nó là r/2.

Suy ra, hiệu suất sử dụng phổ trung bình của hệ thống là / 2D RR p r p r . Rõ

ràng, sử dụng kỹ thuật DSSC nhờ sự có mặt của đường truyền trực tiếp, sẽ cho hiệu

suất sử dụng phổ cao hơn so với các kỹ thuật chỉ đơn thuần sử dụng đường truyền

chuyển tiếp mà bỏ qua đường truyền trực tiếp.

3.5 Ứng dụng kỹ thuật DSSC vào hệ thống lựa chọn chuyển tiếp

Phần này sẽ đề cập đến hiệu năng của kỹ thuật DSSC cho hệ thống mạng lựa chon

chuyển tiếp (Selection relaying network-SR). Với sự ứng dụng của kỹ thuật DSSC, hệ

thống này còn được viết tắt là SSCSR (Switch-and-Stay Combining for Selection

Relaying Network).

Ta xem xét hệ thống trong trường hợp nó được triển khai qua kênh truyền có sự

hiện diện của fading phẳng và chậm được mô hình hóa bởi phân bố Rayleigh. Một biểu

thức đầy đủ cho xác suất lỗi bit BEP và xác suất dừng của sơ đồ nêu trên với số nút

chuyển tiếp tùy ý cũng được đưa ra. Ngoài ra, một hệ thống kết hợp kỹ thuật truyền gia

tăng và mạng lựa chọn chuyển tiếp (gọi tắt là IRSR) cũng được đề cập để so sánh với

hệ thống SSCSR. Các kết quả tính toán thể hiện bằng các mô phỏng cũng chỉ ra rằng

sơ đồ trên cho BEP thấp nhất ở các tỉ số SNR lớn khi so sánh với hệ thống SR [1] và

với giả sử cho rằng không có kỹ thuật phân tập kết hợp nào khác DSSC cho hệ thống

SR.


Page 37

3.5.1 Hiệu năng của hệ thống Selection relaying network-SR (mạng lựa chon

chuyển tiếp)

Hệ thống lựa chọn chuyển tiếp[1] là hệ thống bao gồm một nút nguồn S, một nút

đích D và K nút chuyển tiếp R (relay). Đây là hệ thống chỉ sử dụng các nút chuyển tiếp

để chuyển tiếp thông tin, không sử dụng đường truyền trực tiếp. Mỗi thiết bị đầu cuối

được trang bị một anten duy nhất và hoạt động ở chế độ bán song công. Việc truyền tin

từ nút nguồn đến nút đích được thực hiện qua 2 khe thời gian. Trong khe thời gian thứ

nhất tín hiệu được truyền từ nút nguồn đến các nút chuyển tiếp. Hệ thống sẽ lựa chọn

nút chuyển tiếp tốt nhất. Và ở khe thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp tốt nhất được chọn

này sẽ chuyển tiếp tín hiệu thu được ở nút nguồn đến nút đích.

Xác suất lỗi bit của hệ thống SR:

푃 = 휑

⎝

⎛(−1)( ) 1 −푋 훽

1 + 푋 훽,…,⋯ ⎠

⎞√

Với: 휗 = (1 − 2 )√푀 − 1

1[k.2 / ] 1 12( 1) 2 .2 / 1/ 2 / log

jj M j j

kk M M M

푋 = (2푖 + 1) . 3푙표푔 [푀/(2푀 − 2)]

3.5.2 Mô hình hệ thống

Xem xét một mạng vô tuyến bao gồm:

-Một nút nguồn S.

-Một nút đích D.

-N nút chuyển tiếp Ri với i = 1,2,3…N hoạt động theo giao thức DF.


Page 38

Hệ thống được triển khai qua kênh truyền chịu ảnh hưởng của fading Rayleigh. Mỗi

nút được trang bị một anten và hoạt động ở chế độ bán song công. Tất cả các đường

truyền dẫn được cho là trực giao cả về mặt thời gian lẫn tần số. Để thuận tiện trong

việc mô tả giao thức, ta cho rằng một giao thức phân chia về thời gian (time divition

protocol) được sử dụng.

Gọi hSD, hSRi, hRiD tương ứng là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn-nút đích, nút

nguồn-nút chuyển tiếp thứ i, và nút chuyển tiếp thứ i-nút đích. Do ảnh hưởng của

fading Rayleigh, công suất kênh truyền, thể hiện bởi a0 =| hSD |² , a1,i =| hSRi |² , a2,i =

| hRiD |² là những biến ngẫu nhiên độc lập, có phân bố mũ với kỳ vọng lần lượt là λ0 ,

λ1,i , λ2,i. Công suất phát trung bình của nút nguồn và các nút chuyển tiếp được biểu

thị bởi Ps, khi đó, tỉ số SNR tức thời cho các đường truyền được thể hiện như sau:

-Đường truyền S → D: 0 0SP .

-Đường truyền S → Ri: 1, 1,i S iP .

-Đường truyền Ri → D: 2, 2,i S iP .

Khác với mạng lựa chọn chuyển tiếp được giới thiệu ở [1], vốn chỉ sử dụng các

đường truyền chuyển tiếp, bỏ qua kết nối trực tiếp giữa nút nguồn-nút đích, mô hình

mạng SSCSR xem xét đến kết nối trược tiếp giữa nút nguồn-nút đích bằng cách sử

dụng kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ. Ở phía nút đích, mạng SSCSR được xem

như là hệ thống phân tập hai nhánh chuyển tiếp, với hai nhánh ngõ vào là đường kết

nối trực tiếp D và đường kết nối chuyển tiếp R với các tỉ số SNR tức thời tương ứng là

γD và γR. Cụ thể là, tín hiệu từ nút nguồn đến nút đích thông qua đường truyền trực

tiếp từ nút nguồn và đường truyền gián tiếp thông qua nút chuyển tiếp “ tốt nhất “. Bất

cứ lúc nào đường truyền chuyển tiếp được kết nối đến nút đích, quá trình truyền được

chia làm thành hai khe thời gian truyền con, nghĩa là nút chuyển tiếp “tốt nhất” sẽ giải


Page 39

mã, giải điều chế tín hiệu nhận được từ nút nguồn ở khe thời gian truyền con thứ nhất,

sau đó chuyển tiếp tín hiệu đã được tái mã hóa và điều chế về đến nút đích ở khe thời

gian truyền con thứ hai.

Trong mỗi khe thời gian truyền, chỉ có một nhánh được chọn kích hoạt để làm

nhánh thu. Để xác định nhánh đó ở một khe thời gian truyền nhất định thứ n, phía nút

đích sẽ so sánh SNR của nhánh được kích hoạt ở khe thời gian truyền liền trước đó là n

-1 (có thể bằng với γD hoặc γR, tùy vào nhánh được kích hoạt ở khe thời gian truyền

thứ n – 1) với một mức ngưỡng T được cho trước. Quá trình chuyển nhánh sễ xảy ra

khi SNR của nhánh được kích hoạt giảm dưới mức ngưỡng T, và khi đó quá trình sẽ

diễn ra bất chấp việc SNR của nhánh được thay thế có đáp ứng được mức ngưỡng T

hay không. Quá trình chuyển nhánh trở nên có hiệu lực trong suốt khe thời gian truyền

đó nhờ vào một tín hiệu hồi tiếp cũng được gửi từ nút đích đến nút nguồn và tất cả các

nút chuyển tiếp. Thêm vào đó, fading được cho là đủ chậm để đường bao fading của

mỗi tín hiệu coi như là hằng số không đổi trong suốt hai khe thời gian truyền liên tiếp.

Hình 3.3: Mô hình hệ thống SR


Page 40

Hình 3.4: Mô hình hệ thống SR sử dụng kỹ thuật DSSC.

3.5.3 Đánh giá hiệu năng

Ở phần này, ta đánh giá hiệu năng của hệ thống SR sử dụng kỹ thuật DSSC, có sự

so sánh với hệ thống SR sử dụng kỹ thuật truyền gia tăng, cũng như hệ thống SR thuần

túy không sử dụng thêm các kỹ thuật khác.

Ta gọi B thể hiện nhánh thu đang kích hoạt (nhánh đang được phía nút đích thu) ở

một khe thời gian truyền nào đó. Ví dụ, nút đích đang thu tín hiệu từ đường truyền

chuyển tiếp, nghĩa là ta có B = R. Nhờ có quá trình lựa chọn chuyển tiếp, ở mỗi khe

thời gian truyền, một nút chuyển tiếp được xác định là nút chuyển tiếp tốt nhất, có tỉ số

SNR tức thời cao nhất được lựa chọn để chuyển tiếp thông tin từ nút nguồn về tới nút

đích (nếu ở khe thời gian truyền đó, đường truyền chuyển tiếp đang được lựa chọn làm

nhánh thu). Bởi vì điều chế không mã hóa được sử dụng, nút chuyển tiếp trang bị kỹ

thuật DF không thể phát hiện bất cứ lỗi nào, và vì vậy, có khả năng nó sẽ chuyển tiếp

các tín hiệu đã giải mã không chính xác về phía nút đích. Do đó, tương tự với ở [1], tỉ

số SNR tức thời hai chặng của nút chuyển tiếp tốt nhất ở phía nút đích có thể được xác

định xấp xỉ trong vùng tỉ số SNR cao như sau:


Page 41

1,2..

maxR ii N

(3.5)

trong đó:

1, 2,min( ; )i i i

1 1 11, 2,( ) [( ) +( ) ]i i S i S iE P P

E{.} biểu thị cho kỳ vọng.

Cho rằng các kênh truyền là độc lập với nhau, hàm mật độ xác suất liên hợp của

γR được cho bởi:

11

1

1 ,.., 1...

( ) ( 1) i

R

ii

N Ni

ii n n

n n

f e

(3.6)

Trong đó:

1

1 l

ini l

Từ (3.6), ta có hàm phân phối xác suất cdf tương ứng của γR:

11

1

1 ,.., 10...

( ) ( ) ( 1) (1 )i

R R

ii

N Ni

ii n n

n n

F f d e

(3.7)

Trong kênh truyền fading Rayeigh phẳng, pdf và cdf của γD được xác định như

sau:

1( ) D

DD

f e

(3.8a)


Page 42

( ) 1 D

DF e

(3.8b)

Trong đó: ( )D D S DE P

3.5.3.1 Kỹ thuật DSSC cho hệ thống SR

Để mô tả hiệu năng của mạng SSCSR, dựa theo cơ chế hoạt động của kỹ thuật kết

hợp chuyển tiếp và giữ. Đầu tiên, chúng ta phải xác định xác suất được lựa chọn của

mỗi nhánh. Vấn đề này đã được đề cập ở phần trước.

( )

{B=D}=( ) ( )

R

D R

D r

F Tp P

F T F T

(3.9a)

( )

{B=R}=( ) ( )

D

D R

R r

F Tp P

F T F T

(3.9b)

trong đó ( )Z

F T có thể dễ dàng thu được bằng cách xác định ( )Z

F tại γ = T với z ∈ {

D , R }.

Xác suất lỗi bit đầu-cuối của sơ đồ SSCSR có thể thu được bằng cách sử dụng luật

tổng xác suất có điều kiện như sau:

{ }= [ ( ) { |B=D, >T} ( ) { |B=R}]r D r D r D r D rP p P T P P T P

[ ( ) { |B=R, >T} ( ) { |B=D}]R r R r R r R rp P T P P T P (3.10)

Trong đó:

( ) 1 ( ) ( )Rr Z r DP T P T F T


Page 43

Đặt z ∈ { T , 0 }, hàm pdf có điều kiện của γZ | (γZ > z) có thể thu được bằng cách

sử dụng xác suất có điều kiện như sau:

|( )

0 z( )

( ) / [1- (z)] Z ZZ Z

zff F z

(3.11)

Nhắc lại rằng:

{ |(B=Z)}= { |(B=Z, >0)}r rP P

Xác suất lỗi trung bình có điều kiện của liên kết S – D qua kênh truyền fading

Rayeigh, sử dụng điều chế M-QAM (M = 4m , m = 1,2…) và mã Gray, có thể được thể

hiện dưới dạng tổng quát như sau:

{ |(B=D, >Z)}=rP 2log

|( )1 00

( er ( ) ( ))j

D D

vM j

k zkj k

fc f d

(3.12)

Trong đó:

1 2 1jjv M , 2

22 1 3log / 2 2k k M M

1[k.2 / ] 1 12( 1) 2 .2 / 1/ 2 / log

jj M j j

kk M M M

Ta định nghĩa ⌊. ⌋ và erfc (.) tương ứng là hàm floor và hàm lỗi bù. Thay (3.11)

vào (3.12) (xét Z = D) và lấy tích phân theo biến γ, ta có được xác suất lỗi bit BEP

có điều kiện trung bình của liên kết S – D như sau:

2log

1 0{ | ( , )} . , , ,

j

D

z vM j

Dr D kkj k

P B D z e I z

(3.13)

Trong đó, I(.) được định nghĩa theo [3] như sau:


Page 44

1( , , , ) .er c

z

I a b c z a fc b e dc

er er (1 )1

zc bc za e fc bz fc bc

bc c

(3.14)

Tiếp theo, ta xem xét xác suất lỗi bit có điều kiện trung bình cho đường truyền chuyển

tiếp. Tương tự, từ (3.6) và (3.7) và (3.11), ta có:

| ( , )r RP B R z

2

11

log1 1

1 0 1 ,.., 1, ...

1 , , ,

1 ( )

j

ii

R

vM N N jik ik

j k i n nn n

I z

F z

(3.15)

Bởi vì SNR trung bình tiến về vô cực và có nhiều hơn một nút chuyển tiếp được sử

dụng trong truyền dẫn hợp tác, nghĩa là N > 1, ta có:

( ) ( ) | ( , )r r R r RP P T P B R T

2

11

log1 1

1 0 1 ,.., 1, ...

1 , , ,j

ii

vM N N jik ik

j k i n nn n

I T

(3.16)

Ta nhận thấy (3.16) được suy ra trực tiếp từ (3.10) bằng cách vận dụng thực tế là ở những tỉ số SNR lớn và nới N > 1, ( )r zP T 0 và 퐹 (푇) ≥ 퐹 (푇)dẫn đến kết quả là 1 1R Dp p .

Dựa vào xác suất được lựa chọn của các nhánh, hiệu suất sử dụng phổ có thể đạt

được của sơ đồ được thể hiện như sau:

/ 2R DR p r p r (3.17)


Page 45

Trong đó r là hiệu suất sử dụng phổ mong muốn của đường truyền trực tiếp từ nút

nguồn về đích.

Xác suất dừng, như đã trình bày ở phần trước, xác suất dừng được xác định bằng

cách dựa vào nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật DSSC và vận dụng quy luật tổng xác

suất, cụ thể như sau:

{ }= [ ( ) { |B=D, >T} ( ) { |B=R}]r D r D r D r D rP p P T P P T PO O O

[ ( ) { |B=R, >T} ( ) { |B=D}]R r R r R r R rp P T P P T PO O (3.18)

trong đó:

( ) 1 ( ) ( )Zr Z r ZP T P T F T

Z ∈ { D , R }

Gọi z { 0 ,T }, các xác suất dừng có điều kiện được xác định như sau:

| , 1

0

Z Z

Z

Z

Zth

thr z

Z

th

F F zz

P O B Z z F z

z

(3.19)

Trong đó γ = 2 - 1 và γ = 2 - 1 là mức SNR ngưỡng xác định điều kiện

xảy ra sự kiện dừng ( outage event ), và r là hiệu suất sử dụng phổ mong muốn trong

trường hợp đường truyền trực tiếp.


Page 46

►Các mức ngưỡng SNR trên được suy ra từ định lý Shanon:

Với đường truyền trực tiếp D, hiệu suất sử dụng phổ mong muốn la r, B là băng

thông kênh truyền, C là tốc độ bit truyền qua kênh mà vẫn đảm bảo một tỉ số tín hiệu

trên nhiễu SNR γ ( hay mức ngưỡng ). Ta có định lý Shanon được thể hiện như sau:

2.log 1D

thC B

2log 1D

th

CrB

2 1D r

th (3.20)

Với đường truyền chuyển tiếp R, tương tự, nhưng hiệu suất sử dụng phổ của đường

truyền này chỉ là r/2, do việc truyền dẫn qua đường truyền chuyển tiếp phải trải qua hai

khe thời gian truyền ( thay vì một khe như đường trực tiếp ) nên tốc độ bit truyền và

hiệu suất sử dụng phổ chỉ bằng một nửa so với đường truyền trực tiếp D.

► Giá trị tối ưu của mức ngưỡng chuyển nhánh T

Việc xác định giá trị của mức ngưỡng của chuyển nhánh T đóng vai trò quan trọng

đến hiệu năng hoạt động của hệ thống. Nếu:

Mức ngưỡng T được chọn quá thấp, tần suất chuyển nhánh thu sẽ bị hạn chế, và hệ

thống có thể rơi vào trường hợp phải thu cố định từ một nhánh, nhưng chất lượng của

nhánh đó không cao.

Mức ngưỡng T được chọn quá cao, quá trình chuyển nhánh thu sẽ xảy ra liên tục

với tần suất cao, tuy nhiên, việc này cũng không bảo đảm hiệu năng của hệ thống bởi

vì hệ thống có thể sẽ thường xuyên xảy ra tình trạng chuyển từ nhánh thu có chất lượng


Page 47

cao sang nhánh thu có chất lượng thấp, và hạ thấp xác suất mà nhánh thu có chất lượng

cao hơn được lựa chọn (do mức ngưỡng chuyển nhánh quá cao ).

Bởi vì xác suất dừng Pr {O} của hệ thống được nêu ra ở trên là một hàm liên tục

của giá trị mức ngưỡng chuyển nhánh T, ta có thể xác định giá trị T làm cho xác suất

dừng của hệ thống là cực tiểu đối với một giá trị r xác định. Giá trị đó gọi là giá trị tối

ưu của T, T* và sẽ là nghiệm của phương trình sau:

r {푂} |T=T* = 0 (3.21)

Quá trình tính toán để xác định nghiệm của phương trình trên khá phức tạp, tuy

nhiên, việc này có thể được đơn giản hóa bằng cách ứng dụng hàm fminbnd trong

Toolbox chuẩn hóa của phần mềm Matlab.

3.5.3.2 Kỹ thuật truyền gia tăng cho hệ thông SR

Tương tự với giao thức truyền gia tăng sử dụng một nút chuyển tiếp được đề cập ở

[11], nguyên tắc hoạt động của hệ thống IRSR đượ nêu ra như sau: tại mỗi khe thời

gian truyền, chất lượng (tỉ số SNR tức thời) của đường truyền trức tiếp D được đem so

sánh với mức ngưỡng T. Có hai sự kiện có thể xảy ra:

Nếu chất lượng của đường truyền trực tiếp vẫn bảo đảm, nghĩa là D >T (xác suất

của sự kiện này là ( )r DP T ), hệ thống quyết định không cần sự trợ giúp của đường

truyền chuyển tiếp, tức là không xảy ra quá trình chuyển nhánh thu.

SNR tức thời trên đường truyền trực tiếp D thấp dưới mức ngưỡng T (xác suất của sự

kiện này là ( )r DP T ), hệ thống quyết định cần đến sự trợ giúp của đường truyền

chuyển tiếp ( thông qua nút chuyển tiếp tốt nhất được lựa chọn ở mỗi khe thời gian

truyền ), quá trình chuyển tiếp nhánh thu xảy ra.


Page 48

Hình 3.5: Mô hình hệ thống SR sử dụng kỹ thuật truyền gia tăng.

Dựa vào nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật IRSR và quy luật tổng xác suất, xác suất

lỗi bit BEP của hệ thống IRSR (không sử dụng thêm kỹ thuật phân tập kết hợp khác)

được xác định như sau:

( ) ( ) | ( ) ( ) | ( , )r r D r r D r DP P T P B R P T P B D T (3.22)

Mức ngưỡng chuyển nhánh T thường rất nhỏ nếu so sánh với SNR trung bình ở

miền SNR cao, vế đầu tiên của (3.22) sẽ bị triệt tiêu vì ( ) 1 exp( / ) 0Dr DP T T ,

dẫn đến biểu thức xấp xỉ của (3.22) ở miền SNR cao được thể hiện như sau:

2log

1 0( ) , , ,

jvM j

Dr kkj k

P I T

(3.23)

Với việc sử dụng cả đường truyền trực tiếp và các đường truyền chuyển tiếp, hệ

thống IRSR sẽ cho một hiệu suất phổ nhỏ hơn r và lớn hơn r/2. Cụ thể, hiệu suất phổ

của IRSR thu được như sau:

( ) / 2 ( ) / 2[1 exp( / )]Dr D r DR P T r P T r r T (3.24)


Page 49


Ở chương này, nguyên lý hoạt động của kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ đã

được nêu ra một cách cụ thể với ý tưởng sử dụng một mức ngưỡng chuyển tiếp T.

Thêm vào đó, các công thức đánh giá hiệu năng (xác suất lỗi bit, xác suất dừng và hiệu

suất sử dụng phổ) của một hệ thống truyền thông hợp tác (hệ thống lựa chọn chuyển

tiếp và hệ thống lựa chọn chuyển tiếp theo chặng) ứng dụng kỹ thuật DSSC được đưa

ra. Các kết quả tính toán theo lý thuyết và mô phỏng của các hệ thống trên sẽ được đề

cập đến ở chương sau.


Page 50

Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG


Chương này sẽ thể hiện các kết quả lý thuyết (được mô phỏng từ các công thức ở

chương 3) và kết quả mô phỏng (sử dụng phần mềm Matlab) các đánh giá về hiệu năng

của kỹ thuật DSSC ứng dụng trong các hệ thống truyền thông hợp tác.

4.2 Kỹ thuật DSSC ứng dụng cho hệ thống lựa chọn chuyển tiếp

Các kết quả mô phỏng được thực hiện với các hệ thống lựa chọn chuyển tiếp có các

thông số sau:

-Số nút chuyển tiếp sử dụng: N=1 và N=3 (N là số nút chuyển tiếp), sử dụng kỹ

thuật chuyển tiếp DF.

-Giá trị trung bình của công suất kênh truyền fading Ralyleigh phẳng {휆 , } = 2,

{휆 , } = 3

-Mô phỏng BEP: điều chế 4-QAM và 16-QAM được sử dụng cho đường truyền

trực tiếp và đường truyền chuyển tiếp.

-Mô phỏng xác suất dừng và hiệu suất sử dụng phổ: điều chế 16-QAM được sử

dụng cho đường truyền trực tiếp và đường truyền chuyển tiếp.

-Giá trị mức ngưỡng chuyển nhánh thu T=5.


Page 51

Hình 4.1: Xác suất lỗi bit lý thuyết cho hệ thống SSCSR, IRSR, SR

0 5 10 15 20 25 30 35 4010

-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Bit

Erro

r Pro

babi

lity

Average SNR [dB]

SSCSR (1 relay) AnalysisIRSR (1 relay) AnalysisSR (1 relay) AnalysisSSCSR (3 relays) AnalysisSSCSR (3 relays) ApproximatelyIRSR (3 relays) AnalysisIRSR (3 relays) ApproximatelySR (3 relays) Analysis


Page 52

Hình 4.2: Xác suất lỗi bit mô phỏng hệ thống SR ứng dụng kỹ thuật DSSC, so sánh với

các hệ thống ISRS và SR.

► Hình 4.1 trình bày sự so sánh về xác suất lỗi bit (BEP) cho 3 hệ thống: hệ thống

lựa chọn chuyển tiếp kết hợp kỹ thuật DSSC (hay viết tắt là SSCSR), hệ thống lựa

chọn chuyển tiếp kết hợp với kỹ thuật truyền gia tăng (hay viết tắt là IRSR) và hệ

thống lựa chọn chuyển tiếp đơn thuần, không sử dụng thêm các kỹ thuật kết hợp khác

(viết tắt là SR).

Ta có thể thấy là đối với hệ thống SR, trường hợp sử dụng 3 nút chuyển tiếp, kết

quả ở vùng SNR cao khác biệt hẳn so với vùng SNR thấp. Đặc biệt, ở vùng SNR thấp,

0 5 10 15 20 25 30 35 4010

-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100B

it E

rror P

roba

bilit

y

Average SNR [dB]

SSCSR (1 relay) AnalysisIRSR (1 relay) AnalysisSR (1 relay) AnalysisSSCSR (3 relays) AnalysisIRSR (3 relays) AnalysisSR (3 relays) AnalysisSimulation


Page 53

nghĩa là SNR ≤ 18dB, SR có BEP cao nhất, trong khi IRSR có BEP thấp nhất trong số

các hệ thống ở vùng SNR này.

Với trường hợp sử dụng một nút chuyển tiếp, hiệu năng của IRSR và SSCSR là gần

như bằng nhau ở miền SNR thấp (đều tốt hơn SR). Nhưng ở miền SNR cao, IRSR lại

đạt BEP tốt nhất.

Hiệu năng của SR và SSCSR tăng khi N tăng tại miền SNR cao. Ngược lại, đường

cong thể hiện hiệu năng của IRSR có cận trên là mức giới hạn quy định bởi chất lượng

truyền dẫn của đường truyền trực tiếp S – D. Điều này có thể được giải thích rằng: tại

miền SNR cao, hệ thống IRSR rất ít khi cần sự trợ giúp của nút chuyên tiếp. Vì vậy, tỉ

số lỗi bit BEP đầu cuối đến đầu cuối gần như là bị chi phối hoàn toàn bởi chất lượng

đường trực tiếp S – D. Mặt khác, đối với kênh truyền có SNR thấp, chất lượng truyền

dẫn ở đường truyền trực tiếp thường không tốt. Và có nhu cầu lớn cần đến sự trợ giúp

của đường truyền đi qua nút chuyển tiếp.

Các kết quả xấp xỉ từ (3.16) và (3.23) cũng được thể hiện để so sánh với biểu thức

đầy đủ từ (3.10) và (3.22) cho các trường hợp SSCSR và IRSR. Ta dễ dàng quan sát

thấy rằng các kết quả xấp xỉ và chính xác là tương đồng nhau ở miền SNR cao.

► Hình 4.2: Trình bày kết quả mô phỏng xác suất lỗi bit (BEP) cho hệ thống

SSCSR, so sánh với hai hệ thống IRSR và SR. Ở đây ta thấy có sự tương đồng giữa kết

quả lý thuyết và kết quả mô phỏng. Việc ứng dụng kỹ thuật DSSC vào hệ thống lựa

chọn chuyển tiếp mang lại một xác suất lỗi bit tốt hơn hẳn so với một hệ thống SR

thuần túy.


Page 54

Hình 4.3: Hiệu suất phổ của hệ thống SSCSR, IRSR và SR.

►Hình 4.3 trình bày hiệu suất phổ của 3 hệ thống trên.

Khi so sánh với SR, một ưu điểm của IRSR và SSCSR là sự cải thiện hiệu suất phổ

bằng cách sử dụng kết hợp cả đường truyền trực tiếp.

Tại miền SNR cao, hiệu suất phổ của SSCSR với 3 nút chuyển tiếp tiến tới bằng với

của SR. Và hiệu suất phổ của nó tốt hơn của SR. Điều này có thể được giải thích là:

Trái ngược với SR, hệ thống SSCSR có sự tham gia của đường truyền trực tiếp S – D,

và ở miền SNR cao, nút đích hầu như chỉ thu từ đường truyền chuyển tiếp.

0 5 10 15 20 25 30 35 400.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Average SNR [dB]

Spe

ctra

l Effi

cien

cy

Direct TransmissionSRSSCSR (1 relay) AnalysisSSCSR (3 relays) AnalysisIRSR AnalysisSimulation


Page 55

Hình 4.4: Xác suất dừng mô phỏng cho hệ thống

► Hình 4.4 trình bày xác suất dừng mô phỏng so sánh giữa hai hệ thống lựa chọn

chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật DSSC (SSCSR) và hệ thống lựa chọn chuyển tiếp đơn

thuần (SR). Ta cũng có thể thấy được sự tương đồng lớn giữa kết quả lý thuyết và mô

phỏng. Việc ứng dụng kỹ thuật DSSC vào hệ thống lựa chọn chuyển tiếp mang lại xác

suất dừng tốt hơn hẳn.

0 5 10 15 20 25 30 35 4010-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

Out

age

Pro

babi

lity

Average SNR [dB]

SSCSR (1 relay) AnalysisSSCSR (1 relay) SimulationSR (1 relay) AnalysisSR (1 relay) SimulationSSCSR (3 relays) AnalysisSSCSR (3 relays) SimulationSR (3 relays) AnalysisSR (3 relays) Simulation


Page 56

Hình 4.5: Xác suất dừng mô phỏng cho hệ thống SSCSR với giá trị T thay đổi (r=1

bit/s/hertz)

► Hình 4.5 thể hiện xác suất dừng mô phỏng của hệ thống SSCSR với giá trị mức

ngưỡng chuyển nhánh thu T thay đổi. Ta nhận thấy, tại T = 3 = (2 − 1), xác suất

dừng của hệ thống đạt cực tiểu. Và giá trị T = 3 là giá trị mức ngưỡng chuyển nhánh tối

ưu đối với r = 1bit/s/hertz.

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 510-4

10-3

10-2

10-1

100

Threshold T

Out

age

Pro

babi

lity

Ps=10 dB (Analysis)

Ps=10 dB (Simulation)

Ps=15 dB (Analysis)


Ps=20 dB (Analysis)



Page 57


Ở chương này, các kết quả lý thuyết và mô phỏng đã được so sánh để đánh giá về

hiệu năng (xác suất lỗi bit, xác suất dừng và hiệu suất sử dụng phổ) của một số hệ

thống truyền thông hợp tác ứng dụng kỹ thuật DSSC. Kỹ thuật DSSC tuy không phải là

kỹ thuật mang lại hiệu năng tối ưu nhất nếu so với các kỹ thuật kết hợp khác nhưng kỹ

thuật này được đánh giá cao ở tính đơn giản, dễ triển khai. Tại một thời điểm, phía thu

không cần phải giám sát chất lượng đường truyền của tất cả các nhánh thu.

Kết luận và hướng phát triển đề tài

Page 58

Kết luận và hướng phát triển đề tài

Trong đồ án tốt nghiệp này, về cơ bản đã hoàn thành các mục tiêu theo đề cương đã đăng kí

-Giới thiệu sơ lược về truyền thông hợp tác.

-Tìm hiểu về kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ và ứng dụng của kỹ thuật này trong các hệ thống truyền thông hợp tác. Xây dựng các biểu thức đánh giá hiệu năng của các hệ thống truyền thông hợp tác ứng dụng kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ (xác suất lỗi bit, xác suất dừng...).

-Xây dựng chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab mô hình hóa hệ thống đồng thời kiểm chứng tính chính xác của kết quả tính toán.

Một số hướng phát triển có thể mở rộng của đề tài này:

- Tìm hiểu bài toán vị trí tối ưu của nút chuyển tiếp.

-Tìm hiểu về kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ kết hợp với kỹ thuật điều chế thích nghi.

Tài liệu tham khảo

Page 59


[1] T. Q. Duong and V. N. Q. Bao, “Performance analysis of selection decode-and-forward relay networks,” Electron. Lett., vol. 44, no. 20, pp. 1206-1207, Sep. 2008.

[2] T. Q. Duong, On Cooperative Communications and Its Application to Mobile Multimedia. Blekinge Institute of Technology Publisher, Apr. 2010.

[3] V. N. Q. Bao and H. Y. Kong, “Distributed switch and stay combining for selection relay networks,” IEEE Commun. Lett., vol. 13, no. 12, pp. 914-916, Dec. 2009.

[4] M. Janani, A. Hedayat, T. E. Hunter, and A. Nosratinia, “Coded cooperation in wireless communications: space-time transmission and iterative decoding,” IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 52, no. 2, pp. 362-371, Feb. 2004.

[5] K. J. R. Liu, A. K. Sadek, W. Su, and A. Kwasinski, Cooperative Communication and Networking. Cambridge University Press, 2008.

[6] B. Rankov and A. Wittneben, “Spectral efficient protocols for half-duplex fading relay channels,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 25, no. 2, p. 379-389, Feb. 2007.

[7] A. B. Sediq and H. Yanikomeroglu, “Performance analysis of selection combining of signals with different modulation levels in cooperative communications,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 60, no. 4, pp. 1880-1887, May 2011.

[8] T. Eng, N. Kong, and L. B. Milstein, “Comparison of diversity combining techniques for rayleigh-fading channels,” IEEE Trans. Commun., vol. 44, no. 9, pp. 1117-1129, Sep. 1996

[9] E. A. Neasmith and N. C. Beaulieu, “New results on selection diversity,” IEEE Trans. Commun., vol. 46, no. 5, pp. 695-704, May 1998.

[10] A. Goldsmith, Wireless communications. Cambridge university press, 2005.

[11] D. S. Michalopoulos and G. K. Karagiannidis, “Distributed switch and stay combining (dssc) with a single decode and forward relay,” IEEE Commun. Lett., vol. 11, no. 5, pp. 408-410, May. 2007.


Page 60

[12] D. S. Michalopoulos and G. K. Karagiannidis, “Two-relay distributed switch and stay combining,” IEEE Trans. Commun., vol. 56, no. 11, p. 1790-1794, Nov. 2008.

Phụ lục

Page 61

Phụ lục A: Ý nghĩa ký hiệu

,…,⋯

Ta sẽ đưa ra ví dụ cụ thể để minh họa cho ý nghĩa của ký hiệu ∑ này. Nếu đặt:

퐴 = ,…,⋯

푓(푥)

Thì khi đó ta có:

퐴 = 푓(푥)

Với điều kiện 푛 < 푛 < 푛 . Nghĩa là khi 푛 = 2 thì 푛 chỉ có thể nhận các giá trị 3 hoặc 4, tương tự như vậy cho 푛 . Và như thế ta có các trường hợp sau:

n = 1, n = 2 và n = 3, khi đó A = f(x),

n = 1, n = 2 và n = 4, khi đó A = f(x),

n = 1, n = 3 và n = 4, khi đó A = f(x),

n = 2, n = 3 và n = 4, khi đó A = f(x),

Và: 퐴 = 퐴 + 퐴 + 퐴 + 퐴 = 4푓(푥).

Ta còn có thể hiểu ký hiệu này theo một cách khác. Cụ thể nếu ta gọi

Phụ lục

Page 62

퐴 = ,…,⋯

푓(푥)

Thì ta có: 퐴 = 퐶 푓(푥) = !!( )!

푓(푥).

Theo cách hiểu này thì với ví dụ đã nêu ở trên, ta có:

퐴 = , ,

푓(푥) = 퐶 푓(푥) =4!

3! (4 − 3)!푓(푥) = 4푓(푥)

Phụ lục

Page 63

Phụ lục B: Một số code mô phỏng chủ yếu được sử dụng trong đồ án.

Ở phần phụ lục này, một số code Matlab dùng cho quá trình mô phỏng sẽ được trình bày để có cái nhìn sơ lược về ý tưởng mô phỏng.

► Khởi tạo chuỗi bit phát, kênh truyền, các bước điều chế, giải điều chế.

Khởi tạo chuỗi bit phát

x=(round(rand(n_bits,1)));

Quá trình điều chế ở đây sử dụng điều chế M-QAM, với Ps là công suất phát của nút nguồn và nút chuyển tiếp.

x=(round(rand(n_bits,1)));

Ps=10^(PsdB/10);

kR=log2(MR);

hR=modem.qammod(MR);

hR.inputtype='bit';

hR.symbolorder='gray';

yR=modulate(hR,x);

EbR=mean((abs(yR)).^2)/kR;

sigmaR=sqrt(EbR/(2*Ps));

Thiết lập kênh truyền, tín hiệu sau khi đi qua kênh truyền (ví dụ cho đường truyền chuyển tiếp). Ở đây các giá trị lamdal1 và lamdal2 chính là kỳ vọng của công suất kênh truyền giữa nút nguồn – chuyển tiếp và giữa nút chuyển tiếp – nút đích.

Phụ lục

Page 64

w=sigmaR*(randn(n_bits/kR,1)+1i*randn(n_bits/kR,1));

hf=sqrt((lamda1*lamda2)/(lamda1+lamda2))*(1/sqrt(2))*(randn(n_bits/kR,1)+1i*randn(n_bits/kR,1));

r1=hf.*y+w;

Quá trình giải điều chế

r=r3./(hf);

h=modem.qamdemod(MR);

h.outputtype='bit';

h.symbolorder='gray';

h.decisiontype='hard decision';

z=demodulate(h,r);

► Mô phỏng kỹ thuật DSSC cho hệ thống lựa chọn chuyển tiếp

Code matlab mô tả quá trình xác định xác suất lỗi bit cho kỹ thuật DSSC sử dụng trong hệ thống lựa chọn chuyển tiếp với 3 nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp DF, mức ngưỡng chuyển tiếp T, điều chế M-QAM được sử dụng cho cả đường truyền trực tiếp và các đường truyền chuyển tiếp.

ultimate=zeros(n_bits,1);

groupbit=k;

group=n_bits/groupbit;

checkvalue=T/Ps;

Phụ lục

Page 65

active=0

comparesD=[1,2];

for i=1:group

compares1=(abs(hf1(i)))^2;



comparesD(1)=(abs(hfD(2*i-1)))^2;

comparesD(2)=(abs(hfD(2*i)))^2;

array=[compares1 compares2 compares3];

maxcompares=max(array); %Lua chon relay tot nhat

if(maxcompares==compares1) maxz=z1;

elseif(maxcompares==compares2) maxz=z2;

else maxz=z3;

end

if(active==1)

if(comparesD(1) < checkvalue)

for q=(i*groupbit-groupbit+1):(i*groupbit-groupbit+2)

ultimate(q)=maxz(q);

end

active1=0;

else

for q=(i*groupbit-groupbit+1):(i*groupbit-groupbit+2)

Phụ lục

Page 66

ultimate(q)=zD(q);

end

active1=1;

end

if(comparesD(2) < checkvalue)

for q=(i*groupbit-groupbit+3):(i*groupbit)


end

active2=0;

else


ultimate(q)=zD(q);

end

active2=1;

end

active=active1*active2;

else

if(maxcompares <= checkvalue)


ultimate(q)=zD(q);

end

active=1;

else


Phụ lục

Page 67


end

active=0;

end

end

end

biterror =(n_bits-sum(x==ultimate));

ber=biterror/n_bits;

Mô phỏng xác suất dừng:

groupbit=k;

group=n_bits/groupbit;

checkvalue=T/Ps;

checkvalueR=TR/Ps;

checkvalueD=TD/Ps;

active=1;

Outage=0;

for i=1:group




comparesD=(abs(hfD(i)))^2;

array=[compares1 compares2 compares3];

maxcompares=max(array); %Lua chon relay tot nhat

Phụ lục

Page 68

if(active==1)

if(comparesD <= checkvalue)

active=2;

if(maxcompares<=checkvalueR) Outage=Outage+1;end

else

if(comparesD<=checkvalueD) Outage=Outage+1;end

active=1;

end

else

if(maxcompares <= checkvalue)

if(comparesD<=checkvalueD) Outage=Outage+1;end

active=1;

else

if(maxcompares<=checkvalueR) Outage=Outage+1;end

active=2;

end

end

end

OutPr=Outage/group

[123doc.vn] aaanghien cuu ky thuat ket hop chuyen tiep va giu trong he thong truyen thong hop tac

Documents