Tài liệu KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC CHO MẠNG VÔ TUYẾN CÓ Ý THỨC

1 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các trích dẫn được nêu chính xác trong tài liệu tham khảo của luận văn. Tác giả luận văn 2 MỤC LỤC LỜI CAM Đ O A N ......................................................................................................1 MỤC L Ụ C ..................................................................................................................2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT T Ắ T .........................................4 DANH MỤC CÁC HÌNH V Ẽ .................................................................................. 5 LỜI NÓI Đ Ầ U ........................................................................................................... 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP T Á C ......................10 1.1. Nhu cầu, thách thức và các vấn đề của truyền thông vô tuyến......................... 10 1.2. Truyền thông họp tác........................................................................................11 1.3. Mô hình kênh chuyển tiếp và giao thức........................................................... 12 2.3.1. Mô hình kênh chuyển tiếp........................................................................................ 12 2.3.2. Các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp...........................................................14 1.4. Các kỹ thuật chuyển tiếp cố định..................................................................... 15 1.4.1. Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp......................................................................... 15 1.4.2. Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp............................................................................... 17 1.4.3. Kỹ thuật nén và chuyển tiếp..................................................................................... 18 1.4.4. Chế độ chuyển tiếp gia tăng..................................................................................... 19 1.5. Các kỹ thuật chuyển tiếp khác......................................................................... 19 CHƯƠNG 2. MẠNG VÔ TUYỂN CÓ Ý THỨC..............................................22 2.1. Khái niệm về vô tuyến có ý thức...................................................................... 22 2.1.1. Các thành phần mạng vô tuyến có ý thức................................................................22 2.1.2. Khe trống phổ............................................................................................................24 2.1.3. Các kỹ thuật hoạt động trong mạng vô tuyến có ý thức.......................................... 26 2.2. Mô hình Interweave..........................................................................................26 2.2.1. Nguyên lý chung.......................................................................................................26 2.2.2. Kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên bộ tách sóng năng lượng..................................... 28 2.2.2.1. Xác suất tách sóng, xác suất cảnh báo lỗi trên kênh A WGN......................29 2.2.2.2. Cảm nhận phổ hợp tác trong kỹ thuật tách sóng năng lượng.....................31 2.2.23. SNR yêu cầu cảm nhận phổ của một bộ tách sóng năng lượng................. 35 2.2.2.4. Ảnh hưởng của Shadowing ten hiệu suất cảm nhận phổ.............................37 2.2.3. Kỹ thuật phát hiện dựa trên đặc tính cyclostationary.............................................. 38 2.2.4. Kỹ thuật sử dụng bộ lọc thích ứng........................................................................... 39 2.3. Mô hình Underlay.............................................................................................40 3 2.3.1. Nguyên lý chung.......................................................................................................40 2.3.2. Các khái niệm về nhiệt độ nhiễu.............................................................................. 41 2.3.3. Điều khiển công suất dưới các ràng buộc về nhiễu................................................. 42 2.3.4. Điều khiển công suất dưới các ràng buộc về dừng hệ thống................................... 43 2.3.5. Truyền thông hợp tác trong mạng Underlay............................................................45 2.4. Tổng quan về mô hình Overlay........................................................................ 48 CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC CHO MẠNG VÔ TUYỂN CÓ Ý THỨC....................................................................50 3.1. Mô hình hệ thống..............................................................................................50 3.2. Phân tích quá trinh truyền tại mạng chính........................................................ 54 3.2.1. Xác suất dừng của mạng chính................................................................................ 56 3.2.2. SER của mạng chính.................................................................................................56 3.3. Phân tích quá trình truyền tại mạng vô tuyến có ý thức....................................57 3.3.1. Xác suất dừng của mạng vô tuyến có ý thức............................................................58 3.3.2. SER của mạng vô tuyến có ý thức...........................................................................58 3.4. Kết quả và thảo luận.........................................................................................60 3.4.1. Kết quả tại mạng chính............................................................................................. 60 3.4.2. Kết quả tại mạng vô tuyến có ý thức........................................................................ 64 3.5. Kết luận............................................................................................................ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 69 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AWGN Additive white Gaussian noise Tạp âm Gauss CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy CR Conitive Radio Vô tuyến có ý thức CCRN Cognitive Cooperative Radio Network Mạng truyền thông hợp tác có ý thức CRN Conitive Radio Network Mạng vô tuyến có ý thức CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CU Conitive User Người dùng vô tuyến có ý thức EGC Equal-Gain Combiners Bộ tổ hợp cùng độ lợi PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PU Primary User Người dùng chính QoS Quality of Services Chất lượng dịch vụ ROC Receiver Operating Characteristic Đường cong đặc trưng SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu SIRN Signal-to-Interference plus Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng thêm SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SU Secondary User Người dùng vô tuyến có ý thức 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Ị ếỊ Hình 1Ể2 Hình 2.1 Sự khác biệt giữa mô hình truyền thông trực tiếp và tryền thông hợp tác, mở rộng phạm vi truyền của chuyển tiếp hợp tác So sánh tỷ lệ lỗi BER cho mạng chuyển tiếp sử dụng 16QAM Ví dụ về phân bố phổ tần su không được Hình 2.2 Ví dụ về khe trống phổ theo không gian,các hoạt động trong vùng bảo vệ của PU Hình 2.3 Sơ nguyên lý hoạt động cảm nhận phổ của một Hình 2.4 Hình 2.5 Ví dụ về các su truy cập vào các dải phổ không sử dụng của PU Sơ đồ bộ tách sóng đơn giản Hình 2.6 Mô hình thực tế của các SUs hợp tác với nhau Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý cảm nhận phổ của n SUs khác nhau Hình 2.8 ROC thu được theo nguyên tắc EGC với các giá trị n và SNR khác nhau Quan hệ giữa số lượng các SUs hợp tác và SNR yêu cầu vói Q_f=0. 01, Q_d =0.' 99, m=l Hình 2.9 su Hình 2.10 Hình 2.11 Ví dụ về truy cập phổ underlay Mô hình cơ bản của một mạng CRN Hình 2ẽ12 Mô hình mạng Underlay đơn giản Hình 2.13 Hình 2.14 Mô hình mạng chuyển tiếp đơn giản Hình 2.15 Mô hình cơ bản của mạng CCRN Hình 2.16 H ình3ỀỊ Hình 3.2 Mô hình mạng CCRN với nhiều nút chuyển tiếp SRs Mô hình hệ thống mạng underlay CRN Hình 3.3 SER khi điều chế 4-PSK tại mạng chính với các tham số fading thay đổi và số lượng anten khác nhau ở PUtx Hình 3.4 Xác suất dừng của mạng chính khi có và không có sự trợ giúp của SUr SER của mạng chính khi điều chế 4-PSK trong trường hợp có và không có sự trợ giúp của SUr Hình 3.5 Mô hình mạng với nhiều nút chuyển tiếp Xác suất dừng của mạng chính khi thay đổi các tham số fading và thay đổi số lượng anten tại PUtx 6 Hình 3.6 Xác suất dừng của mạng vô tuyến có ý thức vói số lượng anten khác nhau ở SUtx và SUrx Hình 3.7 SER của mạng vô tuyến có ý thức khi điều chế 4-PSK với số lượng anten khác nhau ở SUtx và SUrx Hình 3.8 Xác xuất dừng của mạng vô tuyến có ý thức khi thay đổi khoảng cách từ PUTXtới SUR Hình 3.9 SER của mạng vô tuyến có ý thức với điều chế 4-PSK khi thay đổi khoảng cách từ P U t x tới SUr 7 LỜI NÓIĐẦU Với sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ truyền thông đa phương tiện hiện nay, truyền thông không dây (wireless communication) phải đối mặt với vấn đề cạn kiệt nghiêm trong nguồn tài nguyên tần số. Tuy nhiên, thông qua các dự án đo đạc, các nhà nghiên cứu [1,2] đã chỉ ra rằng, việc thiếu hụt tần số vô tuyến hiện nay chủ yếu do việc sử dụng thiếu hiệu quả của các nhà khai khác cũng như thiếu tính linh động trong các chính sách phân bố tấn số vô tuyến. Cụ thể là với chính sách phân bố tần số cố định như hiên nay, các nhà khai khác dịch vụ viễn thông chỉ được phép sử dụng các dải tần cố định khi được cấp phép. Và khi các nhà mạng được cấp phép không sử dụng các dải tần này thì các nhà mạng khác cũng không được phép tận dụng, khai thác. Một giải pháp đầy triển vọng để giải quyết vấn đề này là triển khai các hệ thống vô tuyến có ý thức, các hệ thống này sẽ áp dụng một chính sách mới về việc phân tần số để nâng cao hiệu quả sự dụng phổ tần. Cụ thể là, phương thức phân bố tần số mới này, cho phép các người dùng không sở hữu bản quyền sự dụng tần số (cognitive user) có thể tận dụng truyền thông trên dải tần số của bởi nhà mạng được cấp bản quyền (licensed users) theo một số phương thức nhất định. Để bảo vệ các mạng sở hữu bản quyền tần số (mạng chính - primary networks) không bị ảnh hưởng bởi việc truyền thông của các mạng vô tuyến có ý thức (secondary networks) trên dải tần của mình, các mạng vô tuyến có ý thức phải thực thi các cơ chế điều khiển nhiễu (interference control), hoặc cơ chế tránh nhiễu (interference avoidance). Cơ chế điều khiển nhiễu cho phép mạng vô tuyến có ý thức có thể đồng thòi truy cập dải tần cùng một thòi điểm với mạng sở hữu bản quyền tần số miễn là các mạng này phải thực hiện điều khiển công suất phát của mình một cách nghiêm ngặt nhằm đảm bảo lượng nhiễu gây ra cho các mạng sở hữu bản quyền tần số không vượt qua một mức giới hạn được quy định bởi mạng mạng sở hữu bản quyền tần số. Đối với với cơ chế tránh nhiễu, mạng vô tuyến có ý thức phải thực hiện các cơ chế nhằm loại bỏ hoàn toàn lượng nhiễu gây ra cho mạng sở hữu 8 bản quyền tần số. Các mạng vô tuyến có ý thức phải liên tục giám sát các dải tần được cấp phát để phát hiện ra các dải tần nào đang ở trạng thái không hoạt động (spectrum white holes), và tận dụng các dải tần này để truyền tín hiệu. Mỗi phương thức đều có ưu và nhược điểm. Các mạng sử dụng cơ chế điều khiển nhiễu có hiệu quả sử dụng tần số cao hơn do các mạng này có thể truy cập dải tần tại bất kỳ thòi điểm nào nhưng chất lượng truyền thông thường không cao vì công suất phát bị hạn chế. Đối với các mạng sử dụng cơ chế tránh nhiễu thì chất lượng truyền thông cao hơn nhưng cơ chế hoạt động phức tạp vì cần có các cơ chế cảm nhận (sensing) và giám sát các dải tần. Hơn nữa hiệu quả sử dụng tần số không cao bằng cơ chế điều khiển nhiễu. Để nâng cao chất lượng dịch vụ và mở rộng vùng phủ sóng cho các mạng vô tuyến có ý thức, một giải pháp khả thi là sử dụng truyền thông hợp tác cho các mạng vô tuyến có ý thức. Ý tưởng chính của công nghệ này là việc truyền thông giữa nguồn và đích được hỗ trợ bởi một vài trạm, gọi là các trạm chuyển tiếp (relay). Kết quả là độ tin cậy của việc truyền thông sẽ tăng lên. Thêm vào đó, thông qua truyền thông hợp tác vùng phủ sóng và công suất phát của các trạm phát sóng sẽ có thể làm giảm bớt được và điều này cực kỳ hữu ích cho các mạng sử dụng cơ chế điều khiển nhiễu. Từ những vấn đề mà truyền thông vô tuyến gặp phải đã thảo luận ở trên, đề tài của tôi sẽ tiến thành những bước phân tích sâu hơn về các công nghệ để triển khai mạng vô tuyến có ý thức. Luận văn sẽ cung cấp một khung tổng quát cho việc phân tích hiệu năng hoạt động cho mạng vô tuyến có ý thức trong đó có quan tâm đến các ràng buộc về giới hạn mức nhiễu áp đặt lên mạng vô tuyến có ý thức. Luận văn được chia làm 3 chương: • Chương 1: Giói thiệu chung các khái niệm cơ bản và cung cấp kiến thức nền tảng của truyền thông hợp tác. • Chương 2: Giới thiệu chung các khái niệm cơ bản và cung cấp kiến thức nền tảng, các mô hình hệ thống, các kỹ thuật được sử dụng trong mạng vô tuyến có ý thức. • Chương 3: Mô hình của hóa một bài toán ứng dụng đặt ra, tiến hành phân tích và đưa ra các công thức để định lượng hiệu năng của mạng. 9 Cụ thể, tiến hành phân tích xác xuất dừng và tỷ lệ lỗi ký tự cho một mạng truyền thông hợp tác. Cung cấp các dữ liệu đạt được thông qua tính toán và mô phỏng. Thảo luận và phân tích các kết quả đạt được. Trình bày các đóng góp của luận văn, cũng như các hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai. 10 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 1.1. Nhu cầu, thách thức và các vấn đề của truyền thông vô tuyến Trong những 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. Sự ra đời và phát triển của các dịch vụ thoại, internet di động, các dịch vụ giá trị gia tăng, truyền dữ liệu băng thông rộng, truyền hình di động.ế. làm cho nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu ngày càng tăng, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin di động tế bào. Các hệ thống thông tin di động tế bào đã phát triển lên thế hệ thứ 3 (3G) và thứ thế hệ thứ 4 (4G LTE) đã được triển khai tại nhiều nước trên thế giới. Ngoài ra việc nghiên cứu phát triển và thử nghiệm triển khai các công nghệ mới không ngừng diễn ra. Các thử nghiệm kỹ thuật cho công nghệ di động 5G đã được tiến hành và đạt được những thành tựu lớn. Các tập đoàn công nghệ hàng đầu đã trình diễn và thử nghiệm mạng di động 5G đạt tói tốc độ 7.2 Gbps. Dự kiến tới năm 2020 mạng 5G sẽ được triển khai trên thực tế. Cùng với sự phát triển của các kỹ thuật giúp tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu như các kỹ thuật điều chế, mã hóa, các kỹ thuật phân tập, các hệ thống MIMO. ằ. thì một trong những thách thức lớn nhất của các nhà nghiên cứu là sự cạn kiệt về tài nguyên tần số. Tài nguyên tần số là có hạn và được quy hoạch sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau: thoại, phát thanh, truyền hình, quân sự, thông tin vệ tinh, truyền dữ liệu.ằ. Ngoài ra, việc truyền thông trong môi trường không dây phải đối mặt với những hạn chế cơ bản do sự suy yếu tín hiệu gây ra bởi kênh truyền vô tuyến. Khi tín hiệu đi từ nguồn đến đích, việc 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 ngày càng trở lên khan hiếm trong khi việc sử dụng các loại mã hóa sửa sai sẽ làm hạn chế tốc độ truyền dẫn. Do vậy việc có được một luồng truyền dữ liệu tốc độ cao và 11 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. Dùng các giải pháp kỹ thuật nhằm 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. Đe có thể đạt được hai yếu tố trên khi các yếu tố như công suất truyền hay độ rộng băng thông đều bị giới hạn cần phải áp dụng các biện pháp kỹ thuật khác nhau. Các kỹ thuật MIMO là một trong những giải pháp giúp đạt được cả độ lợi phân tập (diversity gain) và độ lợi ghép kênh (multiplexing gain) nhằm tăng tốc độ truyền dẫn và độ tin cậy của kênh truyền. Tuy nhiên đối với các hệ thống truyền thông di động, do giới hạn về kích thước thiết bị, năng lượng tích trữ và khả năng di động, việc triển khai các kỹ thuật MIMO khó có thể đạt được hiệu quả như mong muốn. Một trong những giải pháp có tính khả thi khác nhằm giải quyết vấn đề này là triển khai các hệ thống truyền thông hợp tác (cooperative communication). 1.2. Truyền thông hợp tác Trong thực tế các thiết bị di động thường có kích thước nhỏ, chỉ có một hoặc một vài anten đặt gần nhau và vì thế không thể riêng rẽ tạo thành phân tập không gian. Tuy vậy, nếu 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 thì có thể tạo ra nhiều đường truyền khác nhau từ nút nguồn tới nút đích. Mặc khác 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 trên nhiều kênh khác nhau dựa vào các nút trong mạng sẽ tạo nên phân tập, góp phần chống lại ảnh hưởng của fading, nâng cao chất lượng của kênh truyền. Truyền thông họp tác dựa trên ý tưởng trên, các nút trong mạng tạo ra 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 12 khác. Vì vậy tại phía thu tín hiệu nhận được có độ tin cậy cao hơn so với việc nhận diện tín hiệu từ một đường truyền duy nhất. Nếu so với việc triển khai các kỹ thuật MIMO truyền thống thì truyền thông hợp tác không cần phải quan tâm đến vấn đề tích hợp nhiều anten vào các thiết bị di động, giúp giảm 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 là cực kì hứa hẹn. Hình 1.1: Sự khác biệt giữa mô hình ờĩiyền thông trực tiếp và tryền thông hợp tác, mở rộng phạmvi truyền của chuyển tiếp hợp tác l ẳ3ẳ Mô hình kênh chuyển tiếp và giao thức 2Ể3Ẽ1Ẽ Mô hình kênh chuyển tiếp Mô hình kênh chuyển tiếp được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1971 bởi Van der Meulen. Truyền thông hợp tác hoạt động dựa trên các kênh chuyển tiếp (relay channel) và các đầu cuối của nó. Kênh chuyển tiếp cơ bản là một kênh truyền thông với ba đầu cuối: nút nguồn, nút chuyển tiếp (relay node) và nút đích. Nút chuyển tiếp trong mô hình kênh chuyển tiếp cổ điển có vai trò tiếp nhận, xử lý và truyền đi các tín hiệu mang thông tin để nâng cao hiệu năng của hệ thống. Trong truyền thông hợp tác, nút chuyển tiếp có vai trò mở rộng hơn, nút chuyển tiếp có thể là: 13 - Là các thiết bị đầu cuối cố định, không có thông tin của riêng nó để truyền đi (chuyển tiếp hợp tác). - 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). Mỗi mô hình chuyển tiếp có những ưu điểm riêng. Trong mô hình chuyển tiếp họp tác, do nút chuyển tiếp là cố định nên kênh truyền giữa nó và nút đích là tương đối ổn định. Mặt khác, 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 là một lợi thế của nút chuyển tiếp cố định so với nút chuyển tiếp là một thiết bị di động. Trong mô hình hợp tác người dùng, hệ thống sẽ trở lên phức tạp, phát sinh một số vấn đề cần phải giải quyết như: tính bất thường về số lượng, vị trí của các nút trong hệ thống. 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): - 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. 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 thòi điểm, nút chuyển tiếp chỉ có thể truyền hoặc nhận. - Chuyển tiếp song hướng: hệ thống có hai nút nguồn SI và S2 cùng truyền đồng thời đến cho nút chuyển tiếp R ở khe thòi gian truyền đầu tiên. Ở khe thòi gian truyền thứ hai, R sẽ chuyển tín hiệu nhận được đến cả SI và S2. Chuyển tiếp song hướng giúp giải quyết vấn đề suy giảm hiệu suất sử dụng phổ khi sử dụng nút chuyển tiếp. - 14 Thông thường việc truyền dẫn từ nút nguồn qua nút chuyển tiếp đến nút đích trong truyền thông hợp tác được chia thành hai pha thòi gian truyền, hoạt động ở chế độ bán song công, thực hiện qua hai giai đoạn truyền: - Giai đoạn thứ nhất: dựa vào tính chất quảng bá của kênh vô tuyến, mỗi nút nguồn gửi thông tin về nút đích và đồng thòi thông tin này cũng được những người dùng khác tiếp nhận. - Giai đoạn thứ hai: các nút chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp thông tin mà nó nhận được từ các nút khác tới nút đích. Tại nút chuyển tiếp, thông tin nhận được có thể được giải mã và chuyển tiếp đi, đây là kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward - DF). Nếu thông tin nhận được tại nút chuyển tiếp chỉ khuếch đại và truyền đi, đây là kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward - AF). 2Ẽ3ẽ2Ẽ Các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp Khi nút chuyển tiếp tiếp nhận thông tin từ nút nguồn, chúng sẽ được tiếp nhận và xử lý trước khi truyền đến nút đích. Các kỹ thuật hay cách thức hoạt động của nút chuyển tiếp 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 họp tác là kỹ thuật chuyển tiếp cố định (fixed relaying) và kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi (adaptive relaying). Trong kỹ thuật chuyển tiếp cố định, có hai kỹ thuật được sử dụng phổ biến là kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward - AF) và kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward - DF). Ưu điểm của kỹ thuật chuyển tiếp cố định là đơn giản, dễ thực hiện nhưng nhược điểm của nó là hiệu quả sử dụng băng tần thấp. Nguyên nhân là do một nửa tài nguyên băng tần được sử dụng cho việc chuyển tiếp, do vậy sẽ làm giảm tốc độ truyền dẫn. Nhược điểm này bộc lộ rõ trong trường hợp kênh truyền giữa nguồn và đích không quá xấu. Khi đó một tỷ lệ lớn các gói dữ liệu truyền từ nguồn tới đích qua kênh chuyển tiếp sẽ bị lãng phí. Kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi, bao gồm chuyển tiếp chọn lọc (selective relaying) và chuyển tiếp gia tăng (incremental relaying) sẽ khắc phục các nhược điểm này. Trong kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi, nếu tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (signal-to-noise ratio - SNR) của tín hiệu nhận được tại các nút chuyển tiếp 15 vượt quá một ngưỡng cho trước, các nút chuyển tiếp sẽ thực hiện hoạt động giải mã và chuyển tiếp đối với tín hiệu truyền đi. Mặt khác, nếu các kênh giữa nút nguồn và các nút chuyển tiếp chịu ảnh hưởng của fading làm cho tỷ lện SNR dưới ngưỡng cho trước, nút chuyển tiếp sẽ hoạt động ở trạng thái nghỉ (idles). Hơn nữa, nếu nút nguồn biết được nút đích không giải mã một cách chính xác, nó sẽ lặp lại việc truyền thông tin tới nút đích hoặc tới các nút chuyển tiếp để có thể giúp chuyển tiếp thông tin, trường hợp này được gọi là chuyển tiếp gia tăng. Trong trường hợp này, cần phải có một kênh thông tin phản hồi từ các nút đích đến các nút nguồn và nút chuyển tiếp. Trong phần này sẽ thảo luận, so sánh hiệu suất của một số giao thức chuyển tiếp hợp tác cơ bản. Đe đánh giá hiệu suất của các giao thức, sử dụng khả năng gián đoạn (outage capacity). Khả năng gián đoạn của một kênh truyền với tốc độ truyển R được định nghĩa như sau: Pr [I(x ,y )< R ] (1.1) Trong đó I(x, y) là các thông tin tương hỗ của một kênh với đầu vào X , đầu ra lầy. Lưu ý rằng các thông tin tương hỗ là một biến ngẫu nhiên vì các kênh khác nhau chịu ảnh hưởng của fading khác nhau. Trong thực tế, một thiết bị thường không thể nhận và truyền đồng thòi, nếu không tín hiệu truyền sẽ gây nhiễu nghiêm trọng cho tín hiệu đến (tương đối yếu). Vì vậy, trong chương này chỉ xét chế độ hoạt động bán song công của các thiết bị trong hệ thống. l ẳ4ề Các kỹ thuật chuyển tiếp cố định l ẽ4Ẽl Ẽ Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp Trong mô hình sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward - AF), nút chuyển tiếp chỉ khuếch đại tín hiệu nhận được từ nút nguồn. Quá trình khuếch đại tương ứng với một biến đổi tuyến tính xảy ra tại nút chuyển tiếp. AF còn được gọi là mô hình chuyển tiếp không tái tạo và 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: 16 Tín hiệu truyền X từ nút nguồn tới nút chuyển tiếp và nút đích được tính theo công thức: - Tín hiệu thu ySJ ở nút chuyển tiếp: ys,r 4 ps -hs r .x + lĩsr (1.2) - y s d = s / K - K d-x + n s d (1-3) Tín hiệu thu^ áở nút đích: Trong đó: • hsd vầ hs r , tương ứng là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, được mô hình hóa như các kênh Rayleigh fading phẳng. • Các hệ số nsd ,ns r , tương ứng là nhiễu Gauss trắng trên các kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp và có giá trị trung bình bằng không (zero-mean) và phương sai (variance) No. Trong giao thức này, nút chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu từ nguồn và chuyển tiếp tới đích bằng với ảnh hưởng của hệ số kênh giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp. Nút chuyển tiếp thực hiện điều này bằng cách khuếch đại tín hiệu nhận được bởi một hệ số tương ứng với công suất thu từ nút nguồn, hệ số này được tính bởi công thức: Pr = I = A|P s -|fts,r2 |+ N 0 (L4) Tín hiệu truyền từ nút chuyển tiếp được xác định bởi /?r . ysr và có công suất pr bằng với công suất ps từ nút nguồn. Khi đó tín hiệu thu y r,d à nút đích nhận từ nút chuyển tiếp được xác định bởi: - Tín hiệu thu y Yiố ở nút đích: y r>é= -yỊPs ,hr d.x + n rd ( l ẻ5) Ở nút đích, máy thu sẽ tổng hợp các phiên bản của cùng một tín hiệu và và tái tạo lại lại tín hiệu gốc đã được phát ra bởi nút nguồn. Trong đó: • X là bản tin phát. • PsPr là công suất phát của nút nguồn và nút chuyển tiếp. • hr d là hệ số kênh truyền giữa nút chuyển tiếp và nút đích. • n r d tương ứng là nhiễu trên các kênh truyền giữa nút chuyển tiếp và nút đích. 17 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 do ở quá trình nút chuyển tiếp thực hiện khuếch đại thì nhiễu cũng được khuếch đại theo. l ẽ4Ẽ2Ẽ Kỹ thuật gỉảỉ mã và chuyển tiếp Một kỹ thuật khác được sử dụng ở nút chuyển tiếp là kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward - DF). Khi đó nút chuyển tiếp sẽ giải mã/giải điều chế tín hiệu nhận được, mã hóa/điều chế lại và truyền tới nút đích. Kỹ thuật này thực hiện việc chuyển tiếp có tái tạo, cơ bản nó thực hiện những phương thức xử lý số tín hiệu. Quá trình này sẽ loại bỏ sự xuất hiện của nhiễu. Cụ thể về cách thức hoạt động của kỹ thuật DF như sau: - Tại pha thòi gian truyền thứ nhất, nút nguồn dựa vào bản chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến để truyền bản tin đến nút đích và các nút chuyển tiếp. o Tín hiệu thuys r ờ nút chuyển tiếp: ys,r ~ -yjps 'h SiỴ-X + ĩls 'Ỵ ( 1*6) o Tín hiệu thu ys d ở nút đích: ys,d ~ -JPs -h-s.d-X ^s,d (1*7) - Tại pha thời gian truyền thứ hai, nút chuyển tiếp thưc hiện giải mã bản tin nhận được từ nút nguồn. Sau đó tái mã hóa và chuyển tiếp về phía nút đích. o Tín hiệu thu y r>d ở nút đích: yr,d ~ -hr.d-X ?w,d ( l ề^) Tại nút đích, máy thu sẽ tổng hợp các phiên bản của cùng một tín hiệu và tái tạo lại tín hiệu gốc đã được phát ra bởi nút nguồn. Trong các biểu thức (1.6), (1.7), (1.8): • X là bản tin phát. • PsPr là công suất phát của nút nguồn và nút chuyển tiếp. ế hs d, hs r, hr dtương ứng là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích 18 ế ns d , n s r , n rẽ 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. Tín hiệu giải mã ở nút chuyển tiếp có thể không chính xác. Nếu một tín hiệu không chính xác được chuyển tiếp tới đích thì việc giải mã tại nút đích sẽ cho kết quả không chính xác. Như vậy, quá trình xử lý số ở nút chuyển tiếp chịu ảnh hưởng nhiều của hiệu suất truyền dẫn từ nút nguồn tới 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 suất của kỹ thuật chuyển tiếp và độ lợi phân tập. Ngoài hai kỹ thuật phổ biến trên còn có những kỹ thuật chuyển tiếp cố định khác như kỹ thuật nén và chuyển tiếp, kỹ thuật hợp tác mã hóa. 1.4.3. Kỹ thuật nén và chuyển tiếp Sự khác nhau giữa kỹ thuật nén và chuyển tiếp (Compress and Forward - CF) với AF và DF là trong quá trình truyền thông tin giữa nút nguồn và nút đích, nút chuyển tiếp truyền một bản sao của bản tin nhận được. Nút chuyển tiếp truyền bản tin được lượng tử hóa và đã được nén từ bản tin ban đầu nhận được từ nút nguồn. Khi đó tại nút đích sẽ khôi phục thông tin bằng cách kết hợp bản tin nhận được từ nút nguồn và phần thông tin đã được lượng tử hóa và nén từ nút chuyển tiếp. Quá trình lượng tử hóa và nén tại nút chuyển tiếp là một quá trình mã hóa nguồn, tức là biểu diễn lại mỗi thông tin nhận được như là một chuỗi ký tự. Để hiểu rõ hơn, chúng ta giả sử rằng các ký tự là các số nhị phân (bits). Tại nút đích sẽ giải mã chuỗi bít nhận được từ bản tin lượng tử hóa và nén từ nút chuyển tiếp. Hoạt động giải mã này đơn giản chỉ là quá trình ánh xạ các bit nhận được với một tập các giá trị được ước lượng từ bản tin đã truyền. Quá trình ánh xạ này thường liên quan đến việc tìm ra các méo (liên quan đến quá trình lượng tử hóa và nén), và có thể được coi như là một dạng của nhiễu. 19 l ẽ4Ẽ4Ẽ Chế độ chuyển tiếp gia tăng Trong chế độ chuyển tiếp gia tăng (incremental relaying), giả sử có một kênh phản hồi từ nút đích tới nút chuyển tiếp. Nút đích sẽ gửi một bản tin xác nhận tới nút chuyển tiếp nếu nó có thể nhận được thông tin chính xác từ nút nguồn trong pha truyền thứ nhất, khi đó nút chuyển tiếp không cần truyền thông tin. Giao thức này có hiệu suất sử dụng phổ tốt nhất so với các giao thức đã trình bày ở trên bởi vì nút chuyển tiếp không phải luôn tham gia vào quá trình truyền và việc xảy ra pha truyền thứ hai phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích. Do vậy chuyển tiếp gia tăng đạt được độ lợi phân tập gấp hai lần. Trong chuyển tiếp gia tăng, nếu nút nguồn truyền thông tin trong pha thứ nhất thành công thì sẽ không xảy ra pha truyền thứ hai và nút nguồn sẽ truyền thông tin mới trong khe thòi gian tiếp theo. Ngược lại nếu nút nguồn truyền thông tin không thành công trong pha thứ nhất thì nút chuyển tiếp có thể sử dụng các giao thức chuyển tiếp cố định để truyền tín hiệu nguồn từ pha thứ nhất. Như vậy trong chế độ truyền gia tăng, truyền thông hợp tác chỉ được sử dụng khi cần thiết, tuy nhiên kỹ thuật này 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 chuyển tiếp gia tăng phù hợp với mô hình AF hơn. Xét về khía cạnh độ tin cậy và hiệu năng, IAF cho kết quả tốt nhất, v ề khía cạnh phức tạp của thuật toán, AF là đơn giản nhất và có thể đạt được đầy đủ độ lợi phân tập, DF cũng có thể làm được như vậy nhưng nó phức tạp hơn so với AF. l ẳ5ẳ Các kỹ thuật chuyển tiếp khác Ngoài các mô hình chuyển tiếp phổ biến kể trên còn có các kỹ thuật chuyển tiếp khác như: • Hợp tác mã hóa (Coded Cooperative - CC): khác với các mô hình đã trình bày ở phần trước là trong mô mình này sẽ tích hợp quá trình “họp 20 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. • Hợp tác mã hóa không gian - thời gian (Space Time Coded Cooperative - STCC): điểm khác biệt cơ bản giữa STCC và hợp tác mã hóa là STCC cho phép các thiết bị đầu cuối đồng thòi truyền dữ liệu trên những kênh đa truy cập của riêng nó và của “đối tác”. Trong khi đối với kỹ thuật hợp tác mã hóa, 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 họp mã hóa mạng (Network Coding) vào kỹ thuật họp tác mã hóa. Mã hóa mạng là công nghệ 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 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.