Đồ án Đánh giá sự cân bằng mạng song công hợp tác khuếch đại và chuyển tiếp (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Đánh giá sự cân bằng mạng song công hợp tác khuếch đại và chuyển tiếp (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ SỰ CÂN BẰNG MẠNG SONG CÔNG HỢP TÁC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP GVHD : TS. PHẠM NGỌC SƠN SVTH : LỀU THỊ THU HÀ MSSV : 13147213 SVTH : LÊ NHỰT HÀO MSSV : 13110042 Khoá : 2013-2017 S K L 0 0 4 9 7 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2017
2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐÁNH GIÁ SỰ CÂN BẰNG MẠNG SONG CÔNG HỢP TÁC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Sinh viên: LỀU THỊ THU HÀ MSSV: 13147213 LÊ NHỰT HÀO MSSV: 13110042 Hướng dẫn: TS. PHẠM NGỌC SƠN
3. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐÁNH GIÁ SỰ CÂN BẰNG MẠNG SONG CÔNG HỢP TÁC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG Sinh viên: LỀU THỊ THU HÀ MSSV: 13147213 LÊ NHỰT HÀO MSSV: 13110042 TP.HỒ CHÍ MINH – 7/2017
4. LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài nghiên cứu này, lời đầu tiên nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và các thầy cô trong Khoa Chất Lƣợng Cao nói riêng, những ngƣời đã dạy dỗ, trang bị cho nhóm thực hiện đề tài những kiến thức nền tảng và chuyên ngành bổ ích, giúp nhóm thực hiện có đƣợc cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ nhóm trong quá trình học tập. Đặc biệt, nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Ngọc Sơn đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, đƣa ra những định hƣớng nghiên cứu cũng nhƣ hƣớng giải quyết một số vấn đề cho nhóm thực hiện trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài. Trong thời gian làm việc với thầy, nhóm không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là điều rất cần thiết trong quá trình học tập và công tác sau này. Đồng thời nhóm thực hiện cũng gởi lời cảm ơn tới bạn bè, các anh chị trong Khoa Chất Lƣợng Cao đã góp ý, chia sẽ kinh nghiệm, hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài tốt nghiệp. Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 10 tháng 7 năm 2017 Nhóm thực hiện đề tài LỀU THỊ THU HÀ LÊ NHỰT HÀO I
5. TÓM TẮT Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu đánh giá về nâng cao dung lƣợng và mở rộng phạm vi phủ sóng trong mạng truyền thông đang đƣợc rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học nhằm cải thiện nhƣợc điểm và phát huy những lợi ích mà nó mang lại. Relay song công lý tƣởng tăng gấp đôi tỷ lệ dữ liệu có thể thu đƣợc so với relay bán song công. Tuy nhiên, trong thực tế, sự tự gây nhiễu và sự xử lý trễ tạo ra một kênh ISI giữa node nguồn và đích. Bài báo sẽ nghiên cứu hiệu suất bị gián đoạn của một mạng chuyển tiếp song công với nguyên tắc khuếch đại và chuyển tiếp. Ngƣợc lại với công việc trƣớc, bài báo bao gồm các liên kết trực tiếp từ nguồn đến đích, và phân tích sự phân bố tỷ số tín hiệu-đến-nhiễu cuối-cuối (SNR) với bộ cân bằng phản hồi bình phƣơng tối thiểu (MMSE-DFE). Trong bài báo nhận thấy rằng các liên kết trực tiếp cung cấp một hệ số khuếch đại SNR có nghĩa, và nó đặc biệt quan trọng cho chống lại việc tự gây nhiễu tại máy thu. II
6. DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Mô hình mạng truyền thông truyền thống. Hình 2.2:Mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp. Hình 2.3:Mô hình chuyển tiếp đa chặng. Hình 2.4:Sơ đồ hệ thống và chuyển tiếp. Hình 2.5:Sơ đồ khối giao thức khuếch đại và chuyển tiếp(AF). Hình 2.6:Sơ đồ hệ thống giải mã và chuyển tiếp (DF). Hình 2.7:Sơ đồ khối giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF). Hình 2.8:Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp bán song công một chiều. Hình 2.9 :Hệ thống song công với sự ảnh hƣởng của tự can nhiễu tại nút chuyển tiếp Hình 2.10:Kiến trúc chuyển mạch thời gian. Hình 2.11:Kiến trúc chia công suất. Hình 2.12:Hình vẽ minh hoạ mô hình kênh Gaussian và phân bố của r(t). Hình 2.13:Fading Rayleyleigh khi thiết bị di động di chuyển(ở tần số 900Mhz). Hình 2.14:Hình vẽ minh hoạ mô hình kênh Rayleigh và phân bố của r(t). Hình 2.15:Hình vẽ minh hoạ mô hình kênh Rician và phân bố của r(t). Hình 2.16: Mô hình kênh AWGN. Hình 2.17: Mô phỏng Monte-Carlo. Hình 2.18: Khoảng tin cậy của ƣớc tính. Hình 3.1: Mô hình hệ thống. Hình 4.1: Mô phỏng xác suất dừng. Hình 4.2: Thông lƣợng trung bình. Hình 4.3: So sánh dung lƣợng trung bình. Hình 4.4:xác suất dừng cân bằng có đƣờng trực tiếp. Hình 4.5Xác suất dừng với mức độ tự nhiễu. Hình 4.6Dung lƣợng trung bình với mức độ tự nhiễu. III
7. CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Giải thích AF Amplify and forward Khuếch đại và chuyển tiếp DF Decode and forward Giải mã và chuyển tiếp Giải mã, khuếch đại và ADF Decode, Amplify and Forward chuyển tiếp Kỹ thuật sử dụng nhiều MIMO Multi Input Multi Output ăng-ten phát và nhiều ăng- ten thu SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy HD Half duplex Bán song công FD Full duplex Song công LoS Light of Sight Tầm nhìn thẳng HDR Half duplex relay Bán song công chuyển tiếp FDR Full duplex relay Song công chuyển tiếp BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit SER Symbol Error Rate Tốc độ lỗi ký hiệu TSR Time switching-based relaying chuyển mạch thời gian PSR Power splitting-based relaying Kiến trúc chia công suất CDF Cumulative Density Function Hàm phân phối tích lũy ISI Inter symboy interference Nhiễu liên kí tự RSI residual self-interference Sự tự can nhiễu Signal to Interference plus Noise SINR Tín hiệu tới kèm nhiễu Ratio IV
8. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii DANH MỤC HÌNH iii CÁC TỪ VIẾT TẮT iv CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1 1.1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 2 1.3. NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 2 1.3.1. NHIỆM VỤ 2 1.3.2. GIỚI HẠN 2 1.4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2 1.5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI 3 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 4 2.1. GIỚI THIỆU MẠNG CHUYỂN TIÉP 4 2.1.1. TRUYỀN THÔNG TRUYỀN THỐNG: 4 2.1.2. TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP: 5 2.2. CÁC GIAO THỨC CHUYỂN TIẾP 8 2.2.1. KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP (AF) 8 2.2.2. GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP (DF) 9 2.3. CÁC KỸ THUẬT CHỌN LỰA NÚT CHUYỂN TIẾP 10 2.3.1. PHƢƠNG PHÁP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN BÁN SONG CÔNG 10 2.3.2. PHƢƠNG PHÁP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP SONG CÔNG 11 V
9. 2.4. GIAO THỨC MẠNG TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP THU THẬP NĂNG LƢỢNG 11 2.4.1. KIẾN TRÚC CHUYỂN MẠCH THỜI GIAN (TSR) 11 2.4.2. KIẾN TRÚC CHIA CÔNG SUẤT (PSR) 12 2.5. FADING 12 2.6. PHÂN LOẠI KÊNH 13 2.6.1. KÊNH GAUSSIAN 13 2.6.2. KÊNH FADING RAYLEIGH 14 2.6.3. KÊNH RICIAN 16 2.6.4. MÔ HÌNH KÊNH NAKAGAMI 16 2.7. MÔ HÌNH KÊNH AWGN 17 2.8. PHƢƠNG PHÁP MONTE-CARLO 19 2.9.HÀM PHÂN PHỐI XÁC SUẤT TÍCH LŨY VÀ HÀM MẬT ĐỘ XÁC SUẤTCỦA BIẾN NGẪU NHIÊN 23 CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG TÍN HIỆU VÀ PHÂN TÍCH 25 3.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG 25 3.2.MÔ HÌNH TÍN HIỆU 26 3.3. XEM RSI NHƢ NHIỄU 27 3.4. CÂN BẰNG NHIỄU 28 3.4.1. KHÔNG CÓ ĐƢỜNG TRỰC TIẾP 28 3.4.2. CÓ ĐƢỜNG TRỰC TIẾP 29 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 31 4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 34 4.1.1 MÔ PHỎNG XÁC XUẤT DỪNG 34 4.1.2. DUNG LƢỢNG TRUNG BÌNH 35 4.1.3 SO SÁNH DUNG LƢƠNG TRUNG BÌNH 36 VI
10. 4.1.4 XÁC SUẤT DỪNG VỚI MỨC ĐỘ NHIỄU. 38 4.1.5. DUNG LƢỢNG TRUNG BÌNH VỚI MỨC ĐỘ NHIỄU 39 4.2. NHẬN XÉT 39 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 40 5.1. KẾT LUẬN 40 5.2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 40 VII
11. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Hiện nay khi khoa học ngày càng phát triển con ngƣời sử dụng càng nhiều các thiết bị điện tử và hệ thống không dây, trong lĩnh vực truyền thông di động thì nhu cầu của con ngƣời cũng ngày càng đƣợc nâng cao để thích ứng, vấn đề đặt ra làm sao để duy trì nguồn năng lƣợng cho thiết bị, bảo vệ mạng kết nối. Từ đó đã nổi lên những nghiên cứu về hiệu suất của mạng song công hợp tác khuếch đại và chuyển tiếp. Truyền song công là một cách sinh lợi gấp đôi tỷ lệ đạt đƣợc so với chuyển tiếp bán song công. Đã có nhiều nghiên cứu về các chuyển tiếp song công lý tƣởng, có thể truyền và nhận ở cùng một tần số và cùng thời gian. Tuy nhiên, các node full-duplex hiện tại [1], [2] vẫn chƣa lý tƣởng.Trong khi các hệ thống xử lí hiện tại đạt đƣợc mức độ triệt tiêu gần 80-100 dB, vì sự không tối ƣu của mạch analog và RF, tín hiệu truyền không thể bị hủy hoàn toàn và gây nhiễu vào tín hiệu nhận đƣợc. Nhiễu này từ tín hiệu truyền riêng của node chuyển tiếp-relay đƣợc gọi là sự tự gây nhiễu (RSI). Chuyển tiếp song không lý tƣởng thì phức tạp hơn chuyển tiếp song công lý tƣởng do sự tự gây nhiễu.Nhiễu gây ra bao gồm một kênh ISI, do đó làm giảm tín hiệu trên nhiễu (SNR) [3]. Phỏng đoán rằng liên kết trực tiếp từ nguồn tới đích có thể giúp cải thiện hiệu quả SINR. Luận văn phân tích một mạng song côngtruyền chuyển tiếp qua một node với một liên kết trực tiếp nguồn – đích. Lựa chọn chế độ giữa các nút song công và các nút bán song công đã đƣợc xem xét trong [4] với giao thức khuếch đại và chuyển tiếp. Tính toán cân bằng giữa tự gây nhiễu bằng cách sử dụng tự gây nhiễu cho phép tối đa (so với hiệu suất của một HDR). Các mạng chuyển tiếp song công với giao thức giải mã và truyền đƣợc xem xét trong [5]. Tuy nhiên, việc triệt tiêu tự gây nhiễu tức thời đƣợc giả định, điều này không đúng trong thực tế. xử lý trễ đƣợc bao gồm dẫn đến một kênh ISI khi FDR đƣợc sử dụng. Cân bằng MMSE-DFE đƣợc sử dụng để loại bỏ ISI. Tuy nhiên, liên kết trực tiếp không cần cân bằng. Hai cách chuyển tiếp song công với tối ƣu công suất phân phối đƣợc xem xét trong [6], nơi nguồn, relay và đích đƣợc giả định là các node song công. Luận văn nghiên cứu một mạng chuyển tiếp song công với xử lý trễ bằng liên kết trực tiếp. Do sự xử lý trễ tại node chuyển tiếp và nhiễu tự gây, kênh tƣơng đƣơng giữa nguồn và đích đƣợc cho thấy là một kênh ISI. Trong luận văn thu đƣợc đƣợc sự phân bố chính xác của SNR hiệu quả ở ngƣời nhận khi ISI đƣợc coi là nhiễu. Chúng ta cũng có đƣợc giới hạn về phân phối SNR với bộ cân bằng MMSE-DFE. 1
12. 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Trong đề tài này chúng ta cùng đi tìm hiểu về mạng song công hợp tác khuếch đại và chuyển tiếp, qua đó phân tích hệ thống để rút ra đƣợc công thức tính toán cho hiệu suất cân bằng giữa một mạng chuyển tiếp với một node chuyển tiếpsong công không lý tƣởng và một liên kết trực tiếp nguồn- đích. Với kết mô phỏng quả đạt đƣợc đó chúng ta cùng đƣa ra nhận xét và có đánh giá để hoàn thiện hệ thống hơn. Qua đề tài này chúng ta có thể tự xây dựng và phân tích một mô hình hệ thống truyền thông, có thể mô phỏng và đánh giá chất lƣợng của hệ thống và đƣa ra những giải pháp khắc phục nhƣợc điểm phát triển ƣu điểm và tối ƣu hệ thống. 1.3. NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.3.1. NHIỆM VỤ - Tìm hiểu về mạng chuyển tiếp trong truyền thông và các giao thức của nút chuyển tiếp. - Tìm hiểu về mạng song công hợp tác khuếch đại và chuyển tiếp. - Phân tích thông lƣợng đạt đƣợc của hệ thống. - Mô phỏng và so sánh chất lƣợng giữa môt mạng truyền chuyển tiếp qua một node cùng với một liên kết trực tiếp nguồn-đích. - Cân bằng hệ thống. 1.3.2. GIỚI HẠN Trong đề tài này, xem xét hệ thống hai chặng ba nút gồm nút nguồn, nút đích, nút chuyển tiếp trong hai trƣờng hợp truyền trực tiếp nguồn – đích và truyền chuyển tiếp với một nút. Qua đó phân tích kỹ thuật thu thập năng lƣợng, truyền đồng thời thông tin và năng lƣợng, đánh giá thông lƣợng của hệ thống. 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Việc nghiên cứu trong lĩnh vực đề tài này chúng ta có một số phƣơng pháp nhiên cứu sau: - Tìm kiếm tài liệu, các bài báo, tạp chí khoa học liên quan trong nƣớc 2
13. và quốc tế. - Phân tích tài liệu, phân tích vấn đề đƣợc đặt ra trong các tài liệu trên. - Phân tích phƣơng pháp thiết kế hệ thống, phƣơng pháp phân tích, phƣơng pháp đánh giá kiểm tra và phƣơng hƣớng phát triển của đề tài. - Tiến hành xây dựng hệ thống, phân tích hệ thống. - Tiến hành kiểm tra đánh giá hệ thống qua việc mô phỏng kết quả đã phân tích với việc sử dụng phƣơng pháp thống kê Monte Carlo. 1.5. BỐ CỤC ĐỀ TÀI - Chương 1: Giới thiệu. Trong chƣơng này chúng tôi trình bày khái quát về mạng song công hợp tác khuếch đại và chuyển tiếp; tình hình nghiên cứu gần đây của các tác giả khác. Ngoài ra, chúng tôi còn trình bày mục tiêu cũng nhƣ giới hạn đề tài. - Chương 2: Lý thuyết tổng quan Trong chƣơng sẽ nêu nội dung về các kỹ thuật, giao thức và các phƣơng pháp có liên quan đến đề tài nhƣ Truyền thông cộng tác ,kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp, kỹ thuật giải mã chuyển tiến, truyền thông cộng tác tăng cƣờng , - Chương 3: Mô hình hệ thống tín hiệu và phân tích Nội dung trong chƣơng này là phần trình bày về mô phỏng các biểu thức phân tích lý thuyết và quá trình kiểm chứng qua mô phỏng. - Chương 4: Kết quả mô phỏng và nhận xét. Đƣa ra kết quả của dung lƣợng và ảnh hƣởng của khoảng cách truyền, tốc độ truyền, tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), hệ số tự nhiễu tại nút chuyển tiếp. Từ kết quả đó, so sánh chất lƣợng giữa mô hình truyền song công và bán song công, cân bằng và không cân bằng. - Chương 5:Kết luận và hướng phát triển. Trình bày nhũng kết quả mà luận văn đạt đƣợc, nêu ra một số hƣớng nghiên cứu và một hƣớng hát triển. Phần cuối của đồ án là danh mục các tài liệu tham khảo và phụ lục. 3
14. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 2.1. GIỚI THIỆU MẠNG CHUYỂN TIÉP 2.1.1.TRUYỀN THÔNG TRUYỀN THỐNG: Một mô hình truyền thông thƣờng có dạng nhƣ hình 2.1. Trong mạng truyền thông này các kết nối có dạng điểm điểm, tức là tín hiệu đƣợc truyền thẳng từ nguồn phát đến thiết bị nhận hay còn gọi là truyền thông Light of Sight (LoS). Vì thế mà nó có một số nhƣợc điểm lớn là: không đảm bào đƣợc kênh truyền nếu tầm nhìn thẳng từ nguồn đến đích hạn chế. Vì thế, một số kỹ thuật đã đƣợc sử dụng nhƣ mạng macro Diversity, micro diversity đƣợc ứng dụng để cải thiện chất lƣợng truyền thông. Gần đây kỹ thuật MIMO với những ƣu điểm vƣợt trội đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng nhiều trong các mạng truyền thông. Tuy nhiên việc triển khai các mạng truyền thông nêu trên khá phức tạp và tốn kém. Vì thế một mạng truyền thông cũng đƣợc đề xuất và nghiên cứu khá nhiều là mạng truyền thông hợp tác. Mạng truyền thông hợp tác sử dụng các thiết bị riêng lẻ để tạo ra một mô hình phân tập ảo. Trong đó các thiết bị tạo thành một mạng hợp tác để thu tín hiệu và truyền thông qua lại giúp cải thiện đáng kể chất lƣợng nhƣng ít tốn kém hơn. Gần đây, một kỹ thuật mới cũng mạng lại sự cải thiện chất lƣợng hệ thống đáng kể nhƣng ít tốn kém hơn là mạng truyền thông chuyển tiếp. Trong mạng truyền thông này, tín hiệu đƣợc đƣợc tái truyền lại bởi một nút chuyển tiếp vì thế kênh truyền thông sẽ đƣợc cải thiện hơn dẫn đến chất lƣợng tốt hơn. Sau đây chúng ta cùng tìm hiểu hệ thống này. 4
15. Hình 2.1: Mô hình mạng truyền thông truyền thống. 2.1.2. TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP: Với mạng truyền thông, việc tăng cƣờng dung lƣợng, mở rộng phạm vi phủ sóng và giảm chi phí vận hành là mục tiêu của các nhà quản lý mạng viễn thông. Một số kỹ thuật để nâng cao dung lƣợng và mở rộng phạm vi phủ sóng đã đƣợc giới thiệu nhƣ giải pháp đa anten MIMO, truyền dẫn đa điểm phối hợp. Kỹ thuật chuyển tiếp đƣợc giới thiệu là một công nghệ tiên tiến đáp ứng và thỏa mãn đƣợc những yêu cầu này. Mạng chuyển tiếp gồm một nút nguồn một hay nhiều nút chuyển tiếp và một nút đích, mô hình chuyển tiếp có thể chia thành nhiều dạng trên nhiều khía cạnh khác nhau nhƣ: theo số chuyển tiếp gồm mạng đơn chuyển tiếp nhƣ hình 2.2 và mạng đa chuyển tiếp nhƣ hình 2.3; theo chức năng gồm mạng cải thiện chất lƣợng và mạng mở rộng phạm vi hoạt động nhƣ mô tả chuyển tiếp trong hình 2.2, Trong mạng truyền thông chuyển tiếp, tín hiệu từ nguồn sẽ đƣợc truyền đến đích thông qua các nút chuyển tiếp. Nút chuyển tiếp có nhiệm vụ thu tín hiệu từ nguồn, sau đó xử lý và chuyển tín hiệu đã xử lý đến đích. Nhờ vào nguyên lý hoạt động nhƣ vậy mà mạng truyền thông chuyển tiếp có một số ƣu nhƣợc điểm 5
16. Hình 2.2: Mô hình mạngtruyền thông chuyển tiếp. Hình 2.3: Mô hình chuyển tiếp đa chặng Ưu điểm: • Lợi ích về hiệu suất: lợi ích hiệu suất trong hệ thống lớn, có thể đạt đƣợc bởi độ lợi suy hao đƣờng truyền cũng nhƣ sự phân tập và độ lợi ghép kênh. Điều đó dẫn đến năng lƣợng truyền dẫn giảm xuống, dung lƣợng cao hơn hoặc vùng phủ sóng tốt hơn. • Chất lƣợng cân bằng của dịch vụ: trong mạng truyền thông thông thƣờng, chất lƣợng tại các rìa hay những khu vực bị che khuất có thể bị suy giảm. Nhƣng với sự chuyển tiếp cho phép cân bằng chất lƣợng nhƣ nhau tại mọi nơi. • Ít tổn hao về việc triển khai cơ sở hạ tầng: việc triển khai các nút chuyển tiếp cho phép mở rộng phạm vi hay chất lƣợng tín hiệu mà không cần đầu tƣ các 6
17. trang thiết bị truyền thông mắc tiền. • Chi phí giảm: để đạt đƣợc một mức chất lƣợng dịch vụ thì việc xây dụng một hệ thống chuyển tiếp đƣợc xem đỡ tốn kém hơn là xây dựng một hệ thống truyền thông đầy đủ và chi phí cho việc bảo trì và vận hành nó cũng thấp hơn. Nhược điểm: một số nhƣợc điểm chính của việc sử dụng chuyển tiếp đƣợc đƣa ra nhƣ sau: • Việc lập lịch trình phức tạp: việc bảo dƣỡng trong một hệ thống gồm nhiều nút chuyển tiếp và nhiều ngƣời dùng thách thức việc lập lịch trình cho việc chuyển tiếp phức tạp hơn rất nhiều. Không chỉ về lƣu lƣợng của ngƣời dùng khác nhau mà còn về lƣu lƣợng chuyển tiếp. Bất kỳ lợi ích do việc chuyển tiếp lớp vật lý mang lại đều bị lãng phí nếu không có xử lý đúng tại lớp mạng và lớp truy cập trung bình. • Chi phí phụ gia tăng: sự vận hành một hệ thống hoàn chỉnh thì yêu cầu về chuyển giao, đồng bộ hóa, bảo mật điều này dẫn đến một chi phí phụ tăng thêm so với một hệ thống không sử dụng giao thức chuyển tiếp. • Việc lựa chọn đối tác: để quyết định việc chuyển tiếp tối ƣu và đối tác để hợp tác là một công việc khá phức tạp. • Nhiễu gia tăng: việc sử dụng các nút chuyển tiếp chắc chắn sẽ tạo ra một lƣợng nhiễu thêm vào tại các nút, điều này sẽ làm hiệu suất hệ thống giảm đi. • Thời gian chờ điểm- điểm gia tăng:việc chuyển tiếp thƣờng liên quan đến việc nhận và giải mã của toàn bộ dữ liệu gói trƣớc khi nó có thể đƣợc tái truyền lại. vì thế mà thời gian chờ cũng tăng lên. Để loại bỏ thời gian trễ này thì phƣơng pháp truyền đơn giản hay phƣơng pháp giải mã cần đƣợc sử dụng. • Đồng bộ hóa phức tạp: việc đồng bộ hóa chặt chẽ nhìn chung cần đƣợc duy trì để thúc đẩy việc hợp tác. Điều này lần lƣợt cần có những phần cứng đắt tiền và chi phí phụ về kỹ thuật lớn vì các nút chuyển tiếp cần đƣợc đồng bọ thƣờng xuyên bằng cách sử dụng một số hình thức của việc báo hiệu hoặc những kỹ thuật khả thi khác. • Ƣớc tính kênh truyền nhiều hơn: việc sử dụng các nút chuyển tiếp làm tăng hiệu quả số lƣợng của các kênh truyền vô tuyến. Điều này đòi hỏi việc ƣớc tính 7
18. cho nhiều hệ số kênh truyền hơn và vì vậy nhiều ký tự thí điểm cần phải đƣợc cung cấp nếu nhƣ việc điều chế nhất quán đƣợc sử dụng. 2.2.CÁC GIAO THỨC 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 giao thức chuyển tiếp phổ biến thƣờng đƣợc sử dụng nhiều trong các hệ thống truyền thông hợp tác gồm khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward - AF) và giải mà và chuyển tiếp (Decode and Forward - DF) sau đây chúng ta cùng làm rõ hai giao thức này. 2.2.1. KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP (AF) Việc truyền thông chuyển tiếp đơn giản là sử dụng phƣơng pháp khuếch đại và chuyển tiếp (AF). Mỗi nút relay trong phƣơng pháp này nhận phiên bản bị nhiễu của tín hiệu đã đƣợc truyền bởi đối tác của nó rồi sau đó khuếch đại tín hiệu thu đƣợc và chuyển tiếp nó đến nơi nhận. Theo nhƣ mô tả trongHình 2.4, thì nút relay sau khi khuếch đại và truyền phiên bản nhiễu này tới nút đích. Nút đích sẽ kết hợp thông tin đƣợc gửi bởi nút relay và nó sẽ đƣa ra quyết định cuối cùng về bit đã đƣợc truyền đi. Mặc dù nhiễu của tín hiệu cũng đƣợc khuếch đại bởi phƣơng thức hợp tác (AF) nhƣng nút đích chỉ nhận phiên bản của tín hiệu bị fading độc lập và nó có thể đƣa ra quyết định tốt hơn về việc phát hiện thông tin[7]. Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống khuếch đại và chuyển tiếp Giả sử rằng, trong phƣơng pháp khuếch đại và chuyển tiếp, nút đích biết đƣợc hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút relay để thực hiện việc mã hóa tối 8
19. ƣu, vì vậy cơ cấu trao đổi hoặc đánh giá thông tin này phải đƣợc kết hợp vào bất kỳ việc thực thi nào. Một thách thức lớn khác là việc lấy mẫu, khuếch đại và truyền lại giá trị tƣơng tự là rất quan trọng trong kỹ thuật. Do đó phƣơng pháp khuếch đại và chuyển tiếp là một phƣơng pháp đơn giản mà cho phép mƣợn chính nó để phân tích. Vì vậy nó đã rất hữu ích trong việc đẩy mạnh quan điểm của chúng ta về mạng hợp tác thu thập năng lƣợng[7]. Hình 2.5:Sơ đồ khối giao thức khuếch đại và chuyển tiếp 2.2.2. GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP (DF) Một kỹ thuật xử lý khác tại nút chuyển tiếp đƣợc mô tả trong Hình 2.6là nút chuyển tiếp giải mã tín hiệu nhận đƣợc, tái mã hóa nó, sau đó truyền lại nó cho máy thu. Loại chuyển tiếp này đƣợc gọi là giải mã và chuyển tiếp (DF) cố định, nó thƣờng đƣợc gọi đơn giản là DF. Lƣu ý rằng tín hiệu đƣợc giải mã tại relay có thể không đúng. Vì vây, nếu một tín hiệu đƣợc giải mã không chính xác ở nút relay mà đƣợc chuyển tiếp đến nút đích thì dẫn đến việc giải mã ở đích là vô nghĩa. Rõ ràng rằng cơ chế này, sự phân tập đạt đƣợc chỉ là một, bởi vì hiệu suất của hệ thống đƣợc giới hạn bởi các liên kết xấu nhất từ nguồn-nút chuyển tiếp và nguồn-đích. Điều này sẽ đƣợc minh họa sau đây Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống giải mã và chuyển tiếp (DF) Mặc dù chuyển tiếp DF cố định có lợi thế hơn chuyển tiếp AF trong việc làm giảm các ảnh hƣởng của nhiễu thêm vào tại nút chuyển tiếp, nhƣng nó đòi hỏi 9
20. khảnăng chuyển tiếp tín hiệu lỗi đƣợc phát hiện đến đích, gây ra truyền lỗi cái mà có thể làm giảm bớt hiệu suất của hệ thống[7]. Hình 2.7:Sơ đồ khối giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF) 2.3. CÁC KỸ THUẬT CHỌN LỰA NÚT CHUYỂN TIẾP Kỹ thuật chuyển tiếp của nút chuyển tiếp là khả năng nhận và truyền tín hiệu đi của nút chuyển tiếp đƣợc đề suất và phân tích trong [8]. Các kỹ thuật này gồm chuyển tiếp bán song công (Half Duplex- HD) và chuyển tiếp song công (Full Duplex- FD). 2.3.1.PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN BÁN SONG CÔNG Trong kỹ thuật này, tại nút chuyển tiếp sự truyền thông đƣợc thực hiện theo từng pha, ví dụ nhƣ tại pha thứ nhất nguồn truyền tín hiệu đến nút chuyên tiếp, tại đây tín hiệu đƣợc xử lý và tại pha tiếp theo tín hiệu đƣợc truyền từ nút chuyển tiếp đến đích. Một điểm quan trọng trong kỹ thuật này là nút chuyển tiếp chỉ có thể thực hiện hoặc thu tín hiệu hoặc truyền tín hiệu trong cùng một khoảng thời gian. Vì thế trong kỹ thuật này, nút chuyển tiếp đƣợc trang bị một anten cho việc truyền hoặc nhận tín hiệu. Pha 1 Pha 2 NÚT NGUỒN CHUYỂN ĐÍCH TIẾP Hình 2.8: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp bán song công một chiều. 10
21. Trong kỹ thuật này, chúng ta có thể thấy đƣợc tín hiệu chỉ có thể đƣợc truyền đi hoặc thu về trong một thời điểm nên sự tối ƣu hiệu suất phổ chƣa cao, tuy nhiên nó có một ƣu điểm đó là sựchuyển tiếp của nút chuyển tiếp không bị ảnh hƣởng của sự tự nhiễu. Mô hình kỹ thuật này đƣợc mô tả trong hình 2.8 2.3.2. PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP SONG CÔNG Trong kỹ thuật này, tại nút chuyển tiếp sự truyền thông đƣợc thực hiện đồng thời nhận và truyền tín hiệu sử dụng các phƣơng pháp đã trình bày ở phần trên. Trong kỹ thuật này, nút chuyển tiếp đƣợc trang bị hai anten, có chức năng truyền và nhận tín hiệu trong cùng một thời điểm, trong một dải tần số vì thế mà chúng bị ảnh hƣởng của sự can nhiễu, để khắc phục vấn đền này nhiều phƣơng pháp đã đƣợc đề xuất. Tuy nhiêu can nhiễu vần tồn tại và hạn chế chất lƣợng hệ thống. NÚT NGUỒN CHUYỂN ĐÍCH TIẾP Hình 2.9 :hệ thống song công với sự ảnh hƣởng của tự can nhiễu tại nút chuyển tiếp. 2.4. GIAO THỨC MẠNG TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP THU THẬP NĂNG LƯỢNG 2.4.1.KIẾN TRÚC CHUYỂN MẠCH THỜI GIAN (TSR) Hình 2.10:Kiến trúc chuyển mạch thời gian. Hình 2.8 mô tả các thông số trong giao thức TSR cho thu thập năng lƣợng và xử lý thông tin tại relay. T là tổng thời gian mà thông tin đƣợc nhận từ nút 11
22. S K L 0 0 2 1 5 4