Tài liệu Truyền thông chuyển tiếp hai chiều trong môi trường vô tuyến nhận thức

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG NHẬT TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG NHẬT TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS NGUYỄN LINH TRUNG Hà Nội - 2014 1 LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Linh Trung đã dành rất nhiều thời gian và công sức để hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội và các thầy cô đang công tác tại Khoa Điện Tử Viễn Thông của trường đã tạo rất nhiều điều kiện để tôi học tập và hoàn thành tốt khóa học. Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn. Tác giả luận văn NGUYỄN HỒNG NHẬT Luận văn này nằm trong khuôn khổ của Đề tài Nghị định thư mã số 39/2012/HĐ/NĐT. LỜI CAM ĐOAN “Tôi cam đoan nội dung trình bày trong luận văn này là kết quả công việc nghiên cứu của tôi và nội dung này chưa được đăng gửi hay trình bày ở luận văn nào khác của tôi. Luận văn này không chứa đựng các tài liệu đã được đăng hay viết trước đây bởi người nào khác ngoài việc sử dụng các tài liệu dùng để tham khảo cho luận văn này.” Ký tên:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Học viên: Nguyễn Hồng Nhật 3 Mục lục Lời cảm ơn 1 Lời cam đoan 2 Mục lục 3 Danh sách hình vẽ 5 Danh mục các từ viết tắt 6 MỞ ĐẦU 7 Chương 1. MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU 1.1. Mạng chuyển tiếp hai chiều [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Mô hình hệ thống [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 9 11 Chương 2. MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU KẾT HỢP 2.1. Mô hình hệ thống và cơ chế truyền dữ liệu [1] . . . . . . . . . . 2.2. Phân tích mô hình [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1. Tính toán dung năng truyền . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Thông lượng tổng và xác suất truyền hỏng [1] . . . . . . 2.3. Tóm tắt kết quả chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Mô hình 2.1.1.a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Mô hình 2.1.1.b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. Mô phỏng và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1. Mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2. Thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 13 15 15 19 23 23 24 24 24 26 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chương 3. MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU CHỌN LỌC 3.1. Mô hình hệ thống relay selection amplify-and-forward - khuếch đại chuyển tiếp chọn lọc (RS-AF) [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2. Lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng RS-AF[6] . . . . . . . . . . . 3.2.1. Optimal relay selection amplify-and-forward - Lựa chọn chuyển tiếp tối ưu (O-RS-AF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 27 29 29 4 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.2.2. Sub-optimal relay selection amplify-and-forward - Lựa chọn chuyển tiếp cận tối ưu (S-RS-AF) . . . . . . . . . . . . . . . Phân tích hoạt động [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. Phân tích cơ chế S-RS-AF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. So sánh Symbol error rate - tốc độ lỗi bit (SER) của cơ chế S-RS-AF so với All-participate amplify-and-forward - cùng khuếch đại chuyển tiếp (AP-AF) . . . . . . . . . . . . . . . Cấp phát công suất [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tóm tắt kết quả chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mô phỏng và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.1. Mô phỏng mạng chuyển tiếp hai chiều chọn lọc . . . . . . . 3.6.2. Thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 30 30 34 36 37 38 38 42 Chương 4. ẢNH HƯỞNG SUY GIẢM CỦA PHẦN CỨNG TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU 4.1. Mô hình phân tích [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Phân tích các biểu thức xác suất truyền hỏng và tỷ lệ lỗi bit . . . . 4.2.1. Phân tích xác suất truyền hỏng . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2. Phân tích về tỷ lệ lỗi bit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Tóm tắt kết quả chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Mô phỏng về tác động suy giảm do phần cứng thu phát . . . . . . . 4.5. Thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 43 45 45 47 48 49 50 KẾT LUẬN 52 Tài liệu tham khảo 54 5 Danh sách hình vẽ 1.1.1.Mạng chuyển tiếp 2 chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2.1.Mô hình kênh truyền chuyển tiếp hai chiều . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1.Mô hình mạng . Các ký hiệu chỉ số kênh và khe thời gian của cơ chế truyền 3 khe thời gian (chỉ số phía trên) và cơ chế 2 khe thời gian (chỉ số phía dưới). Hai mô hình truyền (a) và (b) . . . . . . . . . . 2.4.1.Dung năng (dung lượng) trung bình của giữa 2 đầu cuối của mạng . 2.4.2.Thông lượng tổng của mạng theo tốc độ bit khi 2 đầu cuối cách ly và đường truyền BS-RS lý tưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1.Sơ đồ khối mô hình đề xuất RS-AF và cơ chế AP-AF . . . . . . . . 3.6.1.Mô phỏng giá trị SER giữa 2 cơ chế O-RS-AF và cơ chế S-RS-AF (với ps = pr = 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.2.Mô phỏng SER giữa 2 cơ chế S-RS-AF và AP-AF . . . . . . . . . . 3.6.3.SER mô phỏng so với kết quả phân tích gần đúng biễu diễn dạng công thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.4.So sánh SER sử dụng cấp phát công suất đồng đều và cấp phát công suất tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6.5.Mô phỏng SER của cơ chế S-RS-AF khi thay đổi tỉ lệ cấp phát công suất với N = 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1.Sơ đồ khối phân tích tác động của phần cứng của mạng chuyển tiếp hai chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1.Xác suất truyền hỏng tại nút T1 theo công suất phát P1 . Các tham số mô phỏng: x = 25 − 1, Ω1 = 2, Ω2 = 1, P1 = P2 = 2P3 . . . . . . . 4.4.2.SER tại nút T1 theo công suất phát P1 . Các tham số mô phỏng: x = 25 − 1, Ω1 = Ω2 = 1, P1 = P2 = 2P3 . . . . . . . . . . . . . . . . 10 11 14 25 26 28 39 40 40 41 41 43 49 50 5 Các từ viết tắt AF: Amplify-and-Forward - khuyếch đại và chuyển tiếp AP-AF: All-participate amplify-and-forward - cùng khuếch đại chuyển tiếp BS: Base Station - trạm cơ sở CDF: Hàm phân phối xác suất tích lũy CDR: Coordinated direct/relay - kết hợp trực tiếp và chuyển tiếp DF: Decode-and-Forward - giải mã và chuyển tiếp EPA: Equal power allocation - cấp phát công suất đồng đều MGF: Moment-generating function - Hàm sinh mômen ML: Maximum likelihood - xấp xỉ liền kề OP: Outage probability - xác suất truyền hỏng OPA: Optimal power allocation - cấp phát công suất tối ưu O-RS-AF: Optimal relay selection amplify-and-forward - Lựa chọn chuyển tiếp tối ưu PDF: Hàm phân phối xác suất RS-AF: relay selection amplify-and-forward - khuếch đại chuyển tiếp chọn lọc SER: Symbol error rate - tốc độ lỗi bit SNDR: Signal-to-noise-and-distortion ratio - tỷ số tín hiệu trên nhiễu và méo dạng SNR: Signal noise ratio - tỷ số tín hiệu trên nhiễu S-RS-AF: Sub-optimal relay selection amplify-and-forward - Lựa chọn chuyển tiếp cận tối ưu 6 MỞ ĐẦU Vô tuyến nhận thức (cognitive radio) là một khái niệm mới, được đề xuất bởi giáo sư Mitola, cho phép các hệ thống vô tuyến có thể cảm nhận môi trường xung quanh và tự điều chỉnh các tham số truyền phát của nó để đạt tối ưu. Vô tuyến nhận thức hiện nay có rất nhiều ứng dụng và một trong những ứng dụng quan trọng nhất của nó là để cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần, một phần gây ra bởi chính sách phân bố phổ tần cố định. Ý tưởng cơ bản các hệ thống vô tuyến sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức là có thể tiến hành hoạt động truyền phát mà không cần phải đăng ký/mua trước tần số bằng cách truyền phát trong những băng tần trống hoặc truyền song song với hệ thống sơ cấp (có bản quyền tần số) mà không gây can nhiễu cho nó. So sánh hai phương pháp, thì phương pháp sau (còn được gọi là phương pháp truyền nền theo đề xuất của giáo sư Goldsmith) cho hiệu suất phổ tần cao hơn và hệ thống dễ dàng đảm bảo chất lượng dịch vụ đặc biệt cho những dịch vụ đòi hỏi thời gian thực. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là công suất phát của hệ thống thứ cấp (hệ thống sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức) phải bị giới hạn để không gây can nhiễu cho hệ thống sơ cấp dẫn đến kết quả là vùng phủ sóng của hệ thống thứ cấp bị giới hạn. Chuyển tiếp hai chiều (two way relaying) là một ứng dụng quan trọng của mã mạng (network coding) ở lớp vật lý cho phép cải thiện đáng kể hiệu suất phổ tần bằng cách tận dụng tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến. Với hai nút nguồn và một nút chuyển tiếp, hiệu suất phổ tần sẽ được cải thiện 100% và do đó nó nhận được sự quan tâm mạnh mẽ của cộng đồng khoa học trên thế giới trong những năm gần đây. Có nhiều cơ chế được sử dụng cho mạng chuyển tiếp hai chiều. Việc lựa chọn mô hình và cơ chế phù hợp của mạng chuyển tiếp như thế nào cần dựa vào các nghiên cứu và đánh giá về mặt lý thuyết dựa vào các tiêu chí đánh giá mạng như độ phân tập, xác suất truyền hỏng, thông lượng mạng và dung năng của mạng. Để giải quyết các vấn đề đó, luận văn này nghiên cứu và so sánh một số mô hình truyền chuyển tiếp hai chiều theo các tiêu chí như đã đề cập, cho chúng ta cơ sở để hiểu rõ hơn về cách hoạt động của mạng chuyển tiếp và đồng thời đưa ra các đánh giá các mô hình mạng dựa theo các tiêu chuẩn kỹ thuật đặc trưng của một mạng vô tuyến. Ngoài ra, luận văn còn nghiên cứu về các mức độ ảnh hưởng của phần cứng đến hoạt động của mạng chuyển tiếp hai chiều như thế nào, cụ thể là các tham số SER và xác suất truyền hỏng của mạng. Luận văn được chia làm các phần như sau: - Phần mở đầu. - Chương 1: trình bày các khái niệm cơ bản liên quan đến mạng chuyển tiếp hai 7 chiều. - Chương 2: nghiên cứu về mô hình truyền dữ liệu kết hợp kiểu trực tiếp và chuyển tiếp. - Chương 3: nghiên cứu về cơ chế chuyển tiếp chọn lọc trong mạng chuyển tiếp hai chiều. - Chương 4: đề cập về tác động suy giảm của phần cứng tại nút chuyển tiếp đến các tham số hoạt động của mạng. - Phần kết luận. Các mô hình về mạng chuyển tiếp hai chiều ở chương 2 và chương 3 được tham khảo ở tài liệu [1, 6]. Nội dung của chương 4 được đề cập ở tài liệu [7]. Luận văn này sẽ tập trung nghiên cứu các giao thức chuyển tiếp hai chiều hoạt động hiệu quả trong môi trường vô tuyến nhận thức. Các tham số đánh giá hiệu năng ở lớp vật lý như xác suất truyền hỏng (outage probability), tỷ lệ lỗi trung bình (symbol error rate) ở kênh truyền fading cũng sẽ được khảo sát và tập trung vào các nội dung nghiên cứu đề cập ở trên về mặt lý thuyết và đồng thời thực hiện chứng minh chi tiết các kết quả, thực hiện mô phỏng và so sánh với các kết quả mà các tác giả đã trình bày ở [1, 6, 7]. Phương pháp nghiên cứu là sự kết hợp giữa mô hình toán xác suất và mô phỏng Monte-Carlo. Các vấn đề đã đạt được trong luận văn này là nghiên cứu các mô hình truyền thông chuyển tiếp hai chiều sử dụng cơ chế Amplify-and-Forward - khuyếch đại và chuyển tiếp (AF), chứng minh chi tiết các kết quả được nêu ở [1, 6, 7] và thực hiện mô phỏng chính xác các kết quả đó. 8 CHƯƠNG 1: MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU Xét một mạng khi mà điểm thu và phát không thể trao đổi hay kết nối trực tiếp với nhau do khoảng cách giữa chúng xa nhau hoặc do các fading của kênh truyền. Lúc đó chúng có thể trao đổi tín hiệu với nhau qua trung gian bởi một hoặc nhiều điểm chuyển tiếp và do đó sẽ tạo ra một mạng chuyển tiếp. Việc chuyển tiếp làm tăng khoảng cách truyền tín hiệu và đồng thời tiết kiệm được công suất phát và vì vậy làm tăng thời gian sử dụng pin của thiết bị thu phát và giảm nhiễu. Mạng chuyển tiếp sử dụng một số cơ chế chuyển tiếp nào đó đối với các tín hiệu (mà nút chuyển tiếp nhận được) trước khi truyền lại tín hiệu đó. Một trong những cơ chế đó là cơ chế Decode-and-Forward - giải mã và chuyển tiếp (DF). Với cơ chế DF thì nút chuyển tiếp sẽ giải mã các tín hiệu nhận được trước khi truyền lại cho các điểm khác. Bộ thu phải biết đặc điểm của kênh chuyển tiếp để có thể thu tốt. Phương pháp này điều chỉnh các điều kiện kênh truyền, và nếu các tín hiệu truyền không giải mã đúng thì việc kết hợp tín hiệu cần thu tại các điểm thu sẽ trở nên khó khăn. Cơ chế thứ hai được sử dụng trong mạng chuyển tiếp là cơ chế AF, ở đó mỗi nút chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu nhận được trước khi truyền đến điểm thu. Bởi vì cách hoạt động đơn giản của nó nên phương pháp này cũng được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin kết hợp. Sự chuyển tiếp có thể thực hiện theo một hướng, ở đó một hoặc nhiều điểm phát tín hiệu thông qua một điểm chuyển tiếp hoặc nhiều điểm chuyển tiếp trước khi tín hiệu đến điểm thu. Kiểu hoạt động này thường xảy ra ở 2 khe thời gian. Ở khe thời gian đầu tiên, một nút hay điểm mạng gửi tín hiệu của nó đến nút chuyển tiếp. Tại nút chuyển tiếp tín hiệu sẽ được xử lý và truyền cho nút - điểm mạng kia ở khe thời gian thứ hai. Khi hai nút trao đổi thông tin qua lại thông qua một hoặc nhiều điểm chuyển tiếp thì mạng trở thành một mạng chuyển tiếp 2 chiều mà ta sẽ xét ở sau. 1.1. Mạng chuyển tiếp hai chiều [2] Truyền thông hai chiều được giới thiệu đầu tiên cho trường hợp truyền thông điểm - điểm. Việc sử dụng các nút chuyển tiếp cho truyền thông hai chiều được gọi là chuyển tiếp hai chiều, mà trong đó hai điểm hay nút trao đổi thông tin thông qua một hoặc nhiều điểm chuyển tiếp. Chuyển tiếp hai chiều sẽ đạt hiệu suất băng thông tốt hơn khi so sánh với mạng chuyển tiếp một chiều. 9 Hình 1.1.1: Mạng chuyển tiếp 2 chiều Truyền thông hai chiều được giới thiệu đầu tiên cho trường hợp truyền thông điểm - điểm. Việc sử dụng các nút chuyển tiếp cho truyền thông hai chiều được gọi là chuyển tiếp hai chiều, mà trong đó hai điểm hay nút trao đổi thông tin thông qua một hoặc nhiều điểm chuyển tiếp. Chuyển tiếp hai chiều sẽ đạt hiệu suất băng thông tốt hơn khi so sánh với mạng chuyển tiếp một chiều. Các kỹ thuật truyền thống sử dụng bốn khe thời gian để hoàn tất quá trình trao đổi thông tin của hai điểm mạng như ở hình 1.1.1a. Mỗi nút mạng truyền dữ liệu cho nút chuyển tiếp sử dụng một khe thời gian. Nút chuyển tiếp sau đó gửi thông tin xử lý cho hai nút mạng cũng sử dụng hai khe thời gian. Do đó quá trình trao đổi thông tin cần đến bốn khe thời gian và không tiết kiệm băng thông. Phương thức thứ hai trong chuyển tiếp hai chiều sử dụng ba khe thời gian, như hình 1.1.1b. Cả hai nút mạng đều truyền thông tin của nó cho nút chuyển tiếp tại khe thời gian thứ nhất và khe thời gian thứ hai. Trong khe thời gian thứ ba nút chuyển tiếp sử dụng thuật toán mã mạng (chẳng hạn như thuật toán XOR) để kết hợp tín hiệu của 2 khe thời gian đầu mà nó nhận được và truyền quảng bá cho cả hai nút mạng. Tại mỗi nút mạng sử dụng thuật toán giải mã tín hiệu (ví dụ XOR) để tách ra tín hiệu của nút mạng kia truyền cho nó. Nói một cách khác thì trong 10 trường hợp này nút chuyển tiếp thực hiện công việc giải điều chế và giải mã lại hai tín hiệu truyền của hai nút mạng và sau đó mã hóa và điều chế lại tín hiệu trước khi truyền lại cho hai nút mạng ở khe thời gian thứ ba. Phương thức thứ ba sử dụng hai khe thời gian như ở hình 1.1.1c. Trường hợp này cả hai nút mạng đều cùng truyền tín hiệu đến nút chuyển tiếp trong khe thời gian thứ nhất. Nút chuyển tiếp sau đó truyền tín hiệu đã được xử lý đến hai nút mạng trong khe thời gian thứ hai. Sử dụng hai khe thời gian trong trao đổi dữ liệu làm tăng hiệu suất sử dụng băng thông hơn nhiều. Bản chất của truyền thông chuyển tiếp hai chiều là, để giải mã dữ liệu từ các nút mạng khác, mỗi nút mạng loại bỏ tín hiệu của chính nó trong tín hiệu mà nó nhận được từ nút chuyển tiếp. 1.2. Mô hình hệ thống [10] Hình 1.2.1 biễu diễn mô hình kênh chuyển tiếp hai chiều với các biến của kênh như sau: Wi ∈ {1, ..., 2nRi }: các bản tin của nút mạng i Xi = [Xi1 , ..., Xin ]T : các từ mã của nút mạng i YR = [YR1 , ..., YRn ]T : kênh lối ra của nút chuyển tiếp XR = [XR1 , ..., XRn ]T : các từ mã của nút chuyển tiếp Yi = [Yi1 , ..., Yin ]T : các kênh ra tại nút mạng i Ŵi ∈ {1, ..., 2nRi }: các bản tin ước lượng được tại nút mạng i với i = 1, 2 và Ri là tốc độ thông tin của nút mạng i, i=1,2. Nút mạng i truyền ký hiệu của nó Xik đến nút chuyển tiếp qua kênh đường lên không nhớ xác định bởi p(yR |x1 , x2 ). Hình 1.2.1: Mô hình kênh truyền chuyển tiếp hai chiều Từ mã Xik là một hàm giữa bản tin Wi và các kênh ra quá khứ Yik−1 = Yi1 , ..., Yik−1 , tức là Xik = fik (Wi , Yik−1 ). Tại cùng một thời điểm, nút chuyển tiếp truyền ký tự XRk đến nút mạng 1 và 2 qua kênh đường xuống không nhớ xác định bởi p(x1 , x2 |yR ) . Vì nút chuyển tiếp không có bản tin của nó, nên XRk là hàm của các ngõ ra kênh trong quá khứ YRk−1 = YR1 , ..., YRk−1 , tức là XRk = fRk (YRk−1 ). 11 Tại nút mạng 1, bản tin ước lượng Ŵ2 có dạng Ŵ2 = g1 (W1 , Y1 ). Việc giải mã ở nút mạng 2 xảy ra tương tự. Ta thấy rằng, trong một mạng chuyển tiếp hai chiều, hai nút mạng trao đổi thông tin cho nhau trên một kênh truyền qua trung gian một hoặc nhiều nút chuyển tiếp. Điều này xảy ra trên thực tế như ở các trường hợp 2 nút đặt xa nhau về khoảng cách và công suất hạn chế nên không thể trao đổi trực tiếp thông tin với nhau. Một ví dụ cụ thể là các máy trạm di động hoặc trong môi trường trao đổi thông tin qua đường truyền vệ tinh. Mạng chuyển tiếp hai chiều được chia làm 2 loại là loại DF và loại AF. Việc hiểu các kỹ thuật của mạng chuyển tiếp hai chiều đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu các kỹ thuật như mã mạng để tăng hiệu suất sử dụng nhằm tiếp cận các giới hạn về dung lượng của mạng. 12 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU KẾT HỢP Cơ chế truyền dữ liệu chuyển tiếp hai chiều trong mạng vô tuyến có được lợi ích về thông lượng truyền thông qua: - Kết hợp hai luồng dữ liệu với nhau sử dụng mã mạng. - Sử dụng thông tin đã biết để bỏ bớt tín hiệu dư và tách tín hiệu mong muốn. Dựa trên nguyên tắc này, tác giả đã đề xuất các cơ chế khác nhằm cải thiện thêm thông lượng trong mạng vô tuyến, ở đó truyền dữ liệu chuyển tiếp hoặc trực tiếp dưới dạng truyền kết hợp sẽ được xem xét. Kết quả phân tích sẽ cho thấy truyền kiểu kết hợp sẽ cải thiện được thông lượng tương tự các cơ chế truyền chuyển tiếp. Các nghiên cứu gần đây tập trung nhiều các vấn đề như mở rộng độ bao phủ và tăng độ phân tập của mạng vô tuyến. Nhiều kỹ thuật truyền dữ liệu chuyển tiếp được giới thiệu và phổ biến như AF và DF ở chương trước. Các kỹ thuật này được áp dụng trong các kiểu truyền dữ liệu chuyển tiếp một chiều hoặc hai chiều. Nghiên cứu này giới thiệu một số phương pháp chuyển tiếp hai chiều khác để tăng thông lượng truyền. Các phương pháp này liên quan đến việc hệ thống vô tuyến kết hợp cả việc truyền trực tiếp và chuyển tiếp theo chiều lên và xuống. Nghiên cứu đưa ra hai cơ chế kết hợp truyền trực tiếp và chuyển tiếp để nút Base Station - trạm cơ sở (BS) có thể sử dụng thông tin biết được phục vụ cho việc hủy nhiễu xen. Chúng ta gọi cơ chế này là cơ chế truyền coordinated direct/relay - kết hợp trực tiếp và chuyển tiếp (CDR). Chương này được trình bày như sau: Phần 2.1 sẽ mô tả mô hình hệ thống và cơ chế truyền. Phần 2.2 phân tích so sánh giữa mô hình 3 khe thời gian và mô hình 2 khe thời gian về hai yếu tố tốc độ tổng (sum-rate) và thông lượng tổng (sum-throughput). Phần 2.3 là tóm tắt các kết quả đạt được về mặt phân tích. Phần mô phỏng được trình bày ở 2.4. 2.1. Mô hình hệ thống và cơ chế truyền dữ liệu [1] Cơ chế truyền CDR cơ bản bao gồm một trạm gốc BS, một nút chuyển tiếp (RS) và hai nút đầu cuối U và V, như ở hình 2.1.1(a). Các nút có công suất phát 1 đơn vị và băng thông chuẩn hóa 1 Hz. Mỗi kênh truyền phức hi , i ∈ {1, 2, 3, 4, 5} có tính đối xứng, được biết tại các đầu thu, có phân bố Rayleigh với E[|hi |2 ] = 1. Ký hiệu xi là một gói hoặc ký tự. Trong mô hình 2.1.1a, gói tin trạm phát BS muốn gửi đến U là x1 , tuy nhiên tín hiệu nhận được sẽ có dạng y = hx1 + z, z chính là nhiễu. Tương tự V muốn gửi gói tin x2 đến BS. Trong mô hình 2.1.1b, U muốn gửi gói tin x3 cho BS và BS muốn gửi gói tin x4 cho V. 13 Hình 2.1.1: Mô hình mạng . Các ký hiệu chỉ số kênh và khe thời gian của cơ chế truyền 3 khe thời gian (chỉ số phía trên) và cơ chế 2 khe thời gian (chỉ số phía dưới). Hai mô hình truyền (a) và (b) Tín hiệu thu và nhiễu Gauss tại BS,RS,U và V trong khe thời gian j ký hiệu là yij và zik ∼ CN (0, N0 ), i = {B, R, U, V } j = {1, 2, 3}.Tỷ số Signal noise ratio - tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cho kênh truyền i được ký hiệu là γi = |hi |2 /N0 và dung lượng kênh được ký hiệu là C(γi ) = log2 (1 + γi ). Kênh trực tiếp BS-U giả sử là yếu và U chỉ nhận tín hiệu thông qua nút chuyển tiếp RS để giải mã dữ liệu từ trạm BS. Tại RS, tín hiệu nhận được điều chỉnh tỷ lệ để phù hợp điều kiện truyền. • Trong cơ chế 3 khe thời gian ở mô hình 2.1.1a (thứ tự các khe thời gian được biểu thị bởi các nhãn màu đỏ hay nhãn phía trên ở hình 2.1.1a), trước hết, BS gửi x1 đến RS, thứ hai, RS nhận và khuếch đại/chuyển tiếp ký tự vừa nhận đến U, thứ ba, V gửi x2 đến BS. • Trong cơ chế 3 khe thời gian ở mô hình 2.1.1b (biểu thị bởi các nhãn màu đỏ hay nhãn phía trên ở hình 2.1.1b), trước tiên U gửi x3 đến RS, thứ hai RS chuyển ký tự nhận đến BS, thứ ba BS gửi x4 đến V. Trong các cơ chế 2 khe thời gian, thông lượng mạng tăng lên khi việc truyền dữ liệu sử dụng ít khe thời gian hơn. Thứ tự truyền của các cơ chế đề nghị được biểu thị bởi các nhãn màu xanh hay nhãn phía dưới ở hình 2.1.1. 14 • Mô hình ở 2.1.1a, tại khe thời gian thứ nhất, BS gửi x1 đến RS. Khe thời gian thứ 2, RS khuếch đại và chuyển tiếp ký tự nhận đến U, trong khi V gửi x2 đến BS. Việc nhận x2 tại BS sẽ bị xen bởi tín hiệu đã được khuếch đại x1 từ RS, tuy nhiên BS đã biết được x1 nên nó có thể loại bỏ thành phần xen vào đó để tách x2 . • Mô hình ở 2.1.1b, tại khe thời gian thứ nhất, U gửi x3 đến RS và BS gửi x4 đến V. RS nhận cả 2 tín hiệu xen nhau x3 và x4 , sẽ được khuếch đại và chuyển tiếp trong khe thời gian thứ 2. BS đã biết được x4 nên nó có thể loại bỏ thành phần x4 để tách x3 . V kết hợp các tín hiệu nhận trong hai khe thời gian để giãi mã x4 . Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ phân tích các mô hình này. 2.2. Phân tích mô hình [1] 2.2.1. Tính toán dung năng truyền Với mỗi cơ chế trong mỗi mô hình trong phần này ta phân tích lại các kết quả mà tác giả đã đưa ra về tốc độ tổng của chiều truyền xuống và lên trong điều kiện giả sử tất cả các nút phát đều biết tỉ số SNR tức thời tại bộ thu. 2.2.1.1. Mô hình 1 (2.1.1a) Cơ chế truyền 3 khe thời gian: RS, U và BS nhận các tín hiệu tương ứng yR1 = h1 x1 + zR1 √ yU 2 = h2 g1 yR1 + zU 2 , yB3 = h3 x2 + zB3 với g1 = 1/(|h1 |2 + N0 ) (2.2.1) (2.2.2) Dung năng truyền V-BS và từ BS-U: Cγ3 , CγE1U - Tính γ3 : Từ yB3 = h3 x2 + zB3 ta có γ3 = |h3 |2 /N0 . - Tính γE1U : Thay yR1 vào biểu thức yU 2 , ta được: √ √ √ yU 2 = h2 g1 (h1 x1 + zR1 ) + zU 2 = h2 g1 h1 x1 + (h2 g1 zR1 + zU 2 ) (2.2.3) √ Thành phần nhiễu của yU 2 có phân phối (h2 g1 zR1 + zU 2 ) ∼ CN (0, ((|h2 |2 g1 + 1)N0 ). γE1U = |h1 |2 |h2 |2 g1 |h1 |2 |h2 |2 = (|h2 |2 g1 + 1)N0 (|h2 |2 + 1/g1 )N0 Từ γ1 = |h1 |2 /N0 , γ2 = |h2 |2 /N0 , g1 = 1/(|h1 |2 + N0 ), suy ra: |h1 |2 = γ1 N0 , |h2 |2 = γ2 N0 , g1 = 1/[(1 + γ1 )N0 ]. Thay vào ta được: (2.2.4) 15 γE1U = γ1 N0 γ2 N0 γ1 γ2 = (γ2 N0 + (1 + γ1 )N0 )N0 γ1 + γ2 + 1 (2.2.5) Do mô hình truyền 3 khe thời gian của cơ chế 1 cần 3 khe thời gian nên dung lượng tổng sẽ là: 1 CE1 = [C(γE1U ) + C(γ3 )] 3 (2.2.6) Cơ chế truyền 2 khe thời gian: Trong mô hình 2 khe thời gian, khe thời gian thứ 1 BS gửi gói tin đến RS: yR1 = h1 x1 + zR1 (2.2.7) Khe thời gian thứ hai, RS gửi gói tin đến U, V gửi gói tin đến BS. Do ảnh hưởng kênh truyền nên tín hiệu nhận tại U và BS tương ứng là (chú ý lúc này nút chuyển √ tiếp RS có điều chỉnh lại công suất phát với hệ số g1 với g1 = 1/(|h1 |2 + N0 ): √ √ √ yU 2 = h2 g1 yR1 + h4 x2 + zU 2 = h2 g1 h1 x1 + h4 x2 + h2 g1 zR1 + zU 2 √ yB2 = h1 g1 yR1 + h3 x2 + zB2 (2.2.8) (2.2.9) Trạm BS đã biết thành phần x1 nên nó sẽ loại bỏ thành phần đó và được tín hiệu: √ yeB2 = h3 x2 + h1 g1 zR1 + zB2 (2.2.10) SNR của yU 2 và yeB2 ký hiệu là: γP 1U và γP 1V Tính γP 1U (chú ý tín hiệu thu mong muốn của U là x1 chứ không phải x2 ): γP 1U |h2 |2 g1 |h1 |2 = |h4 |2 + (|h2 |2 g1 + 1)N0 (2.2.11) Thay |h1 |2 = γ1 N0 , |h2 |2 = γ2 N0 , |h4 |2 = γ4 N0 , g1 = 1/[(1 + γ1 )N0 ] ta được: γP 1U = = γ4 N0 + γ 1 N0 γ 2 N0 (1+γ1 )N0 γ 1 N0 ( (1+γ 1 )N0 + 1)N0 = γ1 γ2 γ4 (1 + γ1 ) + γ2 + (1 + γ1 ) γ1 γ2 γ1 + γ2 + γ4 + γ1 γ4 + 1 Tính γP 1V : √ Thành phần nhiễu của yeB2 có phân bố (h1 g1 zR1 + zB2 ) ∼ CN (0, ((|h1 |2 g1 + 1)N0 ). 16 γP 1V = |h3 |2 (|h1 |2 g1 + 1)N0 (2.2.12) Từ γ1 = |h1 |2 /N0 , γ3 = |h3 |2 /N0 , g1 = 1/(|h1 |2 +N0 ), suy ra: |h1 |2 = γ1 N0 , |h3 |2 = γ3 N0 , g1 = 1/[(1 + γ1 )N0 ]. Thay vào ta được: γP 1V = γ3 N0 γ1 N ( (1+γ1 )N + 1)N0 = γ3 (γ1 + 1) γ3 N0 (1 + γ1 )N0 = (2γ1 N0 + N0 )N0 2γ1 + 1 (2.2.13) Quá trình truyền dữ liệu xảy ra ở 2 khe thời gian nên dung lượng tổng là: 1 CP 1 = [C(γP 1U ) + C(γP 1V )] 2 2.2.1.2. (2.2.14) Mô hình 2(2.1.1b) Cơ chế truyền 3 khe thời gian: Khe thời gian thứ nhất, U gửi dữ liệu đến RS, tín hiệu RS thu được: yR1 = h2 x3 + zR1 (2.2.15) Khe thời gian thứ hai, RS gửi dữ liệu đến BS (RS có điều chỉnh hệ số công suất phát g2 = 1/(|h2 |2 + N0 ): √ √ √ yB2 = h1 g2 yR1 + zB2 = h1 g2 h2 x3 + (h1 g2 zR1 + zB2 ) (2.2.16) Khe thời gian thứ 3, BS gửi dữ liệu đến V: yV 3 = h3 x4 + zV 3 (2.2.17) SNR của yB2 , yV 3 là γE2U , γ3 (γ3 = |h3 |2 /N0 ): Hoàn toàn tương tự, ta được: γE2U = γ1 γ2 γ1 + γ2 + 1 (2.2.18) Dung năng truyền tổng: 1 CE2 = [C(γE2U ) + C(γ3 )] 3 (2.2.19) CE2 = CE1 (2.2.20) Để ý ta có Cơ chế truyền 2 khe thời gian: Trong mô hình này, ở khe thời gian thứ nhất, U truyền dữ liệu đến RS, BS truyền đến V. Tín hiệu nhận tại RS và V tương ứng là: yR1 = h2 x3 + (h1 x4 + zR1 ), yV 1 = h3 x4 + (h4 x3 + zV 1 ) (2.2.21) 17 Khe thời gian thứ hai: RS phát dữ liệu cho BS,V (RS điều chỉnh công suất phát g3 = 1/(|h1 |2 + |h2 |2 + N0 ). Tín hiệu thu tại BS và V: √ yB2 = h1 g3 yR1 + zB2 , √ yV 2 = h5 g3 yR1 + zV 2 (2.2.22) √ √ √ yV 2 = h5 g3 h2 x3 + h5 g3 h1 x4 + h5 g3 zR1 + zV 2 (2.2.23) BS đã biết x4 , do đó nó sẽ loại bỏ thành phần x4 của yB2 và được tín hiệu: √ √ ỹB2 = h1 g3 h2 x3 + (h1 g3 zR1 + zB2 ) (2.2.24) SNR của ỹB2 là γP 2U : γ 1 N0 γ 2 N0 γP 2U γ1 γ2 |h1 |2 g3 |h2 |2 γ1 N0 +γ2 N0 +N0 = = = γ N (|h1 |2 g3 + 1)N0 2γ1 + γ2 + 1 ( γ1 N0 +γ1 2 N0 0 +N0 + 1)N0 (2.2.25) Nút V có thể chọn lựa tách x4 từ yV 1 hoặc yV 2 tùy theo gieo giá trị SNR của 2 tín hiệu đó: SNR của yV 1 và yV 2 tương ứng là γV 1 và γV 2 . Ta có: |h3 |2 γ3 N0 γ3 γV 1 = = = (2.2.26) 2 |h4 | + N0 γ4 N0 + N0 γ4 + 1 γV 2 |h5 |2 g3 |h1 |2 = = |h5 |2 g3 |h2 |2 + |h5 |2 g3 N0 + N0 γ5 γ1 = γ5 γ2 + γ5 + γ1 + γ2 + 1 γ5 N0 γ1 N0 γ1 N0 +γ2 N0 +N0 γ 5 N0 γ 2 N0 γ5 N0 N0 γ1 N0 +γ2 N0 +N0 + γ1 N0 +γ2 N0 +N0 + N0 Đặt γP 2V = max(γV 1 , γV 2 ), ta có dung năng tổng của quá trình truyền qua 2 khe thời gian: 1 CP 2 = [C(γP 2U ) + C(γP 2V )] 2 (2.2.27) Chú ý là dung năng kênh truyền trong khe thời gian thứ hai CP 2U không phụ thuộc vào kênh truyền giữa 2 đầu cuối U và V. Một số trường hợp: - Nếu bỏ qua kênh truyền U-V và V chỉ nhận dữ liệu từ trạm BS trong khe thời gian thứ nhất, lúc đó: 1 CP 2 = [C(γP 2U ) + C(γ3 )] 2 (2.2.28) - Nếu kênh truyền BS-RS là lý tưởng, tức γ1 → ∞, lúc đó γV 2 = γ5 , do đó: