Luận văn Ðánh giá ảnh hưởng của nhiễu phần cứng ðến hiệu năng mạng vô tuyến hợp tác (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Ðánh giá ảnh hưởng của nhiễu phần cứng ðến hiệu năng mạng vô tuyến hợp tác (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HẢI ÐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU PHẦN CỨNG ÐẾN HIỆU NĂNG MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 0 5 0 5 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN HẢI ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU PHẦN CỨNG ĐẾN HIỆU NĂNG MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60520203 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2016 1
3. CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Đình Thuấn (Ghi rõ họ, tên, chứcdanh khoa học, học vị và chữ kí) Cán bộ hướng chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ kí) Cán bộ hướng chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ kí) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT Ngày 23 tháng 4 năm 2016 2
4. MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6 DANH MỤC CÁC HÌNH 8 CHƯƠNG 1 9 TỔNG QUAN 9 1.1. GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 9 1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 9 1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 10 1.4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 10 1.5. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 10 1.6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11 1.7. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN 11 CHƯƠNG 2 13 TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 13 2.1. GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT MẠNG HỢP TÁC 13 Hình 2.1. Mạng hợp tác 13 2.2. TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 14 2.2.1. Phân bổ nguồn và lựa chọn chuyển tiếp 14 Hình 2.2: Truyền dẫn chuyển tiếp theo hai hướng giai đoạn 1 16 Hình 2.3:Truyền dẫn chuyển tiếp theo hai hướng giai đoạn 2 16 2.2.2. Giao thức chuyển tiếp năng lượng 17 2.3. TRUYỀN THÔNG TRONG NHIỄU 18 Hình 2.4: Nhiễu trong mạng không dây 18 Hình 2.5: Mạng chuyển tiếp hai chặng trong sự hiện diện của nhiễu với sự đa dạng liên kết 20 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 21 CHƯƠNG 3 23 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC CÓ ẢNH HƯỞNG NHIỄU PHẦN CỨNG 23 3.1. MÔ HÌNH HỆ THỐNG 23 Hình 3.1: Mô hình hệ thống cho bộ chuyển tiếp bị hạn chế năng lượng hỗ trợ thông tin liên lạc giữa một nguồn và một nút đích 23 Hình 3.2: Minh họa các thông số quan trọng trong giao thức TSR cho thu nhậpnăng lượng và xử lý thông tin tại các relay 23 3
5. Hình 3.3. Sơ đồ khối của các máy thu chuyển tiếp trong giao thức TSR 24 3.2. NHIỄU DO KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ, TUYẾN HỢP TÁC 24 3.2.1. Suy hao 24 Hình 3.4. Biểu đồ suy hao tín hiệu do môi trường truyền dẫn 25 3.2.2. Nhiễu trắng (White noise) 25 Hình 3.5. Nhiễu trắng 26 3.2.3. Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference) 26 3.2.4. Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference) 26 Hình 3.6. Nhiễu xuyên kênh giữa hai sóng mang kề nhau 26 3.2.5. Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference) 27 3.2.6. Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference) 27 3.2.7. Hiện tượng fading đa đường (Multipath-Fading) 28 Hình 3.7. Các hiện tượng xảy r trong quá trình truyền sóng 28 Hình 3.8. Tín hiệu tới phía thu theo L đường 29 Hình 3.9. Sơ đồ khối của nút chuyển tiếp trong pha đầu tiên 29 3.3. NHIỄU DO PHẦN CỨNG 30 3.3.1. Nhiễu do chất lượng thiết kế bo mạch in 30 3.3.2. Nhiễu do nguồn cung cấp 30 3.3.3. Nhiễu do chuyển mạch 30 3.3.4. Nhiễu do điều chế 30 Hình 3.10. IQI tại Relay trong chuyển tiếp AF 31 3.4. MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG 32 3.4.1. Thu thập năng lượng 32 3.4.2. Truyền dẫn năng lượng 33 3.4.3. Phân tích thông lượng 35 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 42 CHƯƠNG 4 43 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 43 Hình 4.1. Lưu đồ thuật toán trường hợp xét không nhiễu phần cứng (t=0) và có nhiễu phần cứng (t=0.05 và t=0.1) 43 Hình 4.2: Thông lượng nhận được theo α với trường hợp:Không nhiễu phần cứng (τ =0), Ps=1dB/10dB/20dB,R=3,l1=l2=1) 44 4
6. Hình 4.3: Thông lượng nhận được theo α với trường hợp:Không nhiễu phần cứng (τ =0) và Có nhiễu phần cứng(τ =0.05 và τ =0.1) ,Ps=1dB,R=3,l1=l2=1) 45 CHƯƠNG 5 46 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46 5.1. KẾT LUẬN 46 5.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 5
7. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Giải thích AF Amplify and forward Khuếch đại và chuyển tiếp AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BEP Bit error probability Xác suất lỗi bít CDF Cumulative distribution function Hàm phân phối tích lũy CF Compress and forward Giải mã và chuyển tiếp CSI Channel state information Thông tin trạng thái kênh DF Decode and forward Giải mã và chuyển tiếp DMT Diversity multiplexing tradeoff Ghép kênh đa dạng cân băng Independent and non identically i.n.i.d Phân bố độc lập và giống nhau distributed Institute of electrical and IEEE Viện công nghệ điện và điện tử electronics engineers LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ MGF Moment generating function Hàm khởi tạo Moment MIMO Multiple input multiple output Đa ngõ vào đa ngõ ra MRC Maximal ratio combining Tỷ số kết hợp cực đại OP Outage probability Xác suất dừng PDF Probability density function Hàm mật độ xác suất Chuyển tiếp dựa trên phân chia PSR Power splitting-based relaying công suất QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ RCEE Random coding error exponent Lũy thừa lỗi mã hóa ngẫu nhiên Đường truyền bộ chuyển tiếp đến R-D Relay to destination link đích SEP Symbol error probability Xác suất lỗi kí tự Signal to interference plus noise Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu + tạp âm SINR ratio gauss SNR Signal to noise ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu 6
8. Đường truyền từ nguồn đến bộ S-R Source to relay link chuyển tiếp STBC Space- time block code Mã hóa không gian thời gian Chuyển tiếp dựa trên chuyển TSR Time switching-based relaying mạch theo thời gian ULSI Ultra-large-scale integration Tích hợp quy mô siêu lớn VLSI Very Large Scale Integrated Tích hợp quy mô cực lớn WLAN Wireless local area network Mạng cụ bộ không dây 7
9. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1. Mạng hợp tác 13 Hình 2.2: Truyền dẫn chuyển tiếp theo hai hướng giai đoạn 1 16 Hình 2.3:Truyền dẫn chuyển tiếp theo hai hướng giai đoạn 2 16 Hình 2.4: Nhiễu trong mạng không dây 18 Hình 2.5: Mạng chuyển tiếp hai chặng trong sự hiện diện của nhiễu với sự đa dạng liên kết 20 Hình 3.1: Mô hình hệ thống cho bộ chuyển tiếp bị hạn chế năng lượng hỗ trợ thông tin liên lạc giữa một nguồn và một nút đích 23 Hình 3.2: Minh họa các thông số quan trọng trong giao thức TSR cho thu nhậpnăng lượng và xử lý thông tin tại các relay 23 Hình 3.3. Sơ đồ khối của các máy thu chuyển tiếp trong giao thức TSR 24 Hình 3.4. Biểu đồ suy hao tín hiệu do môi trường truyền dẫn 25 Hình 3.5. Nhiễu trắng 26 Hình 3.6. Nhiễu xuyên kênh giữa hai sóng mang kề nhau 26 Hình 3.7. Các hiện tượng xảy r trong quá trình truyền sóng 28 Hình 3.8. Tín hiệu tới phía thu theo L đường 29 Hình 3.9. Sơ đồ khối của nút chuyển tiếp trong pha đầu tiên 29 Hình 3.10. IQI tại Relay trong chuyển tiếp AF 31 Hình 4.1. Lưu đồ thuật toán trường hợp xét có nhiễu phần cứng (t=0) và không có nhiễu phần cứng (t=0.05 và t=0.1) 43 Hình 4.2: Thông lượng nhận được theo α với trường hợp:Không nhiễu phần cứng (τ =0), Ps=1dB/10dB/20dB,R=3,l1=l2=1) Error! Bookmark not defined. Hình 4.3: Thông lượng nhận được theo α với trường hợp:Không nhiễu phần cứng (τ =0) và Có nhiễu phần cứng(τ =0.05 và τ =0.1) ,Ps=1dB,R=3,l1=l2=1) 44 8
10. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY Từ những năm đầu thế kỷ 20, sự phát triển ấn tượng trong công nghệ truyền thông không dây đã thay đổi đáng kể cách thức chúng ta sống và giao tiếp. Sự tiến bộ này sẽ tiếp tục trong nhiều năm nữa trong tương lai khi nhu cầu về kết nối không dây với các hệ thống và các thiết bị đang tăng lên từng ngày. Tuy nhiên với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị không dây ngày nay, từ mạng 2G lên 3G hay hạ tầng mạng 4G đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng của nó. Một trong những hạn chế của hạ tầng mạng hiện nay chính là dung lượng và vùng phủ sóng. Để hạn chế nhược điểm đó, tăng khoảng cách vùng phủ sóng với một chi phí hợp lý và ứng dụng các công nghệ mới vào mạng viễn thông người ta sử dụng mạng truyền thông hợp tác. Trong những năm gần đây, truyền thông hợp tác đang là một trong những chủ đề nóng trong các hội nghị và nghiên cứu về hạ tầng mạng viễn thông, mỗi tháng có hơn 3000 bài báo nghiên cứu về mạng truyền thông hợp tác trên thế giới và vấn đề về nhiễu phát sinh do phần cứng không hoàn hảo cũng đã được nhắc đến trong nhiều nghiên cứu trước đó. 1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong thập kỷ qua, sự phát triển của nhiều hệ thống ănten có lẽ là thành quả nghiên cứu quan trọng nhất để đáp ứng những thách thức tốc độ dữ liệu trong tương lai. Những công nghệ được giới thiệu ở phần trước đáp ứng phần nào nhu cầu kết nối dữ liệu của con người. Nhưng xã hội ngày càng phát triển đòi hỏi phải có những công nghệ đáp ứng nhu cầu sử dụng dung lượng của con người truyền thông hợp tác là một trong những công nghệ đó. Hệ thống MIMO được thực hiện đầu tiên trong các mạng cục bộ không dây (WLAN) trong tiêu chuẩn IEEE 802.11n và sau đó trong các mạng di động 4G. Tuy nhiên, việc thực hiện hệ thống MIMO trong các thiết bị di động nhỏ gọn là không dễ dàng. Đặc biệt, một nửa bước sóng tối thiểu của ănten tách được yêu cầu (tùy thuộc vào kế hoạch thực hiện) để thực hiện đầy đủ những lợi ích của MIMO. Để giải quyết vấn đề này, một kỹ thuật khác đã phát triển, trong đó một mảng anten ảo được tạo ra trong không gian thay vì với các thiết bị chính nó. Kênh không dây được phát sóng trong tự nhiên, ví dụ như các thiết bị không dây phát sóng thông tin của họ để người lân cận sử dụng. Bằng cách sử dụng hiện tượng phát sóng này, một kế hoạch 9
11. truyền thông hợp tác được giới thiệu mà có thể đảm bảo chất lượng dịch vụ cao hơn (thông lượng cao hơn, lỗi thấp hoặc bị xác suất dừng) trong các mạng không dây. Trong mạng lưới hợp tác, các thiết bị có thể giúp đỡ lẫn nhau bằng cách khuếch đại và phát lại tín hiệu. Mạng không dây độc lập, chẳng hạn như ad-hoc và mạng cảm biến không dây cũng có thể sử dụng chiến lược hợp tác sử dụng để tăng độ tin cậy của việc truyền dữ liệu. Ngoài hợp tác của các thiết bị, các nút chuyển tiếp chuyên dụng có thể được sử dụng để chuyển tiếp dữ liệu tốt. Đó là vấn đề của mạng vô tuyến hợp tác nói chung, ở đây sẽ có một điểm mới nữa là nhiễu do phần cứng không hoàn hảo. Trong đó, ảnh hưởng của hiện tượng tranh chấp kênh và tác động nhiễu giữa các truyền dẫn đồng thời tới chất lượng liên kết là một trong các nguyên nhân chính gây ra sự suy giảm hiệu năng. Tiếp cận phân tích hiệu năng bằng mô hình giải tích cho thấy tính khả thi cao và thông dụng do khả năng phản ánh tốt các thông số vật lý và độ phức tạp tính toán thấp. Vì vậy, nghiên cứu này phát triển một mô hình giải tích mới phản ánh chất lượng liên kết nhằm cải thiện thông số hiệu năng. 1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN Nêu ra và hiểu được về mạng vô tuyến hợp tác, giao thức chuyển đổi thời gian TSR (Time switching-based relaying) cũng như mô phỏng được, phân tích được ảnh hưởng của nhiễu phần cứng đối với mạng vô tuyến hợp tác nhằm cải thiện các thông số hiệu năng chính của mạng cụ thể như: thông lượng, độ trễ và tỷ lệ tổn thất gói tin. Tính đúng đắn và hiệu quả của đề xuất được xác định qua các phân tích lý thuyết, tính toán số học và mô phỏng để chứng minh. 1.4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU Để đạt được mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã nêu ở trên, nhiệm vụ nghiên cứu được tập trung vào các vấn đề sau: Các đặc tính cơ bản ảnh hưởng tới hiệu năng mạng vô tuyến hợp tác; phân tích, tính toán bài toán phức tạp khi có tác động của nhiễu để suy ra các công thức đơn giản; mô phỏng được bài toán vừa tính để suy ra tính đúng đắn và hiệu quả. 1.5. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Mạng vô tuyến hợp tác (mạng không dây), truyền thông đa chặng, truyền thông trong môi trường có nhiễu. 10
12. - Giao thức chuyển tiếp năng lượng (có hai giao thức là TSR và PSR nhưng chỉ dừng lại ở nghiên cứu giao thức TSR với trường hợp trậm trễ có giới hạn). - Vẽ lưu đồ thuật toán và sử dụng ứng dụng Matlab để mô phỏng. 1.6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trên cơ sở các nhiệm vụ nghiên cứu đã nêu ở trên, học viên dựa trên các công cụ toán học như lý thuyết xác suất, nhiễu, các phương pháp tính để xác minh tính đúng đắn về mặt lý thuyết. Công cụ mô phỏng sự kiện rời rạc được sử dụng trong luận án nhằm để kiểm chứng tính hợp lý của đề xuất: - Thu thập tài liệu, chọn lọc và phân tích các thông tin liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài. - Nguyên cứu lý thuyết về kỹ thuật chuyển tiếp. - Sử dụng Matlab để mô phỏng đánh giá các thông số mạng chuyển tiếp hợp tác có nhiễu phần cứng và không có nhiễu phần cứng. 1.7. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Các kết quả nghiên cứu và đóng góp mới của luận văn sẽ được trình bày trong các chương, mục theo cấu trúc sau: Chương 1: Tổng quan. Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về tình hình nghiêncứu hiện nay, tính cấp thiết của đề tài: mục tiêu, nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi, phương ph́áp nghiên cứu, bố cục của đồ án. Chương 2: Tổng quan lý thuyết. Nội dung chương này sẽ trình bày về truyền thông hợp tác, bao gồm: truyền thông chuyển tiếp dòng đa chặng, truyền thông chuyển tiếp đa nhánh đa chặng và cơ hội chuyển tiếp trong truyền thông chuyển tiếp đa bước .Giới thiệu về truyền thông trong môi trường có nhiễu. Chương 3: Giới thiệu mạng chuyển tiếp hợp tác. Trong chương này giới thiệu một mạng hợp tác cơ bản là mạng hợp tác hai chặng, cho biết các cấu trúc cơ bản nhất của các mạng hợp tác được giới thiệu. Tập trung nghiên cứu về mã hóa ngẫu nhiên lũy thừa lỗi (RCEE). Kết quả cơ bản về xác suất lỗi và xác suất dừng cho mạng hợp tác tương tự như mạng chuyển tiếp hai chặng cũng sẽ được trình bày. Cuối cùng, chúng ta có thể lấy được kết quả công suất ergodic của một mạng sử dụng các biểu thức lũy thừa lỗi để thiết lập công thức về thông lượng thu được của mạng vô tuyến hợp tác sự dụng giao thức TSR. Chương 4: Giới thiệu về sơ đồ khối và tính toán công thức. 11
13. Chương 5: Lưu đồ thuật toán và kết quả mô phỏng. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. 12
14. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 2.1. GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT MẠNG HỢP TÁC Kỹ thuật chuyển tiếp đã được sử dụng trong các hệ thống không dây sóng cực ngắn để truyền tín hiệu vô tuyến trên một khoảng cách dài từ giữa thế kỷ 20. Tuy nhiên,nghiên cứu gần đây cho thấy rằng việc chuyển tiếp strategies, khi được sử dụng theo một cách hoàn toàn khác trong việc chuyển tiếp sóng truyền thống, có thể cải thiện độ tin cậy của không dây hệ thống đang bị nhiễu loạn bởi tác động fading đa đường và nhiễu trên kênh truyền thông. Nó đã được chứng minh rằng một kỹ thuật truyền thông hợp tác có thể giảm thiểu tác động hiệu ứng fading đáng kể trong giao tiếp kênh. Trong truyền thông hợp tác, sử dụng các nút chuyển tiếp chuyên dụng thu thập các tín hiệu khác và sau đó cố gắng truyền lại các tín hiệu đến nơi nhận bằng cách sử dụng một chiến lược chuyển tiếp. Hình. 2.1 cho thấy một chiến lược hợp tác như vậy, nơi hai người dùng U1 và U2 đang cố gắng liên lạc với các địa chỉ thu D1 và D2 tương ứng.Do tính chất sóng của mạng không dây trung bình, người dùng 2, U2 đã nhận được tín hiệu truyền từ U1, sau đó sử dụng một giao thức chuyển tiếp được xác định trước U2 sẽ truyền lại tín hiệu về U1. U1 D1 Hình 2.1. Mạng hợp tác Sự hợp tác này giữa người sử dụng (hoặc bằng cách U1 DD12 chuyển tiếp) tạo ra nhiều nguồn ảo độc lập truyền các thông tin tương tự như nút nguồn, do đó làm giảm xác suất lỗi khi thực hiện giải quyết về các bit thông tin ở người nhận. Trong luận án này, nó được giả định rằng tất cả các nút hợp tác là các nút chuyển tiếp chuyên dụng theo mặc định. Tùy thuộc vào cấu hình mạng và các nguồn lực sẵn có, ba phương pháp chuyển tiếp chính đã được đề xuất trong các mạng hợp tác: khuếch đại và chuyển tiếp (AF), giải mã và chuyển tiếp (DF), nén và chuyển tiếp (CF) [6,7]. Tuy nhiên, khuếch đại và 13
15. chuyển tiếp và giải mã và chuyển tiếp là giao thức được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế. 2.2. TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC Các kênh chuyển tiếp cổ điển đầu tiên được giới thiệu bởi Van der Meulen trong luận án tiến sĩ của ông vào năm 1971 [8,9]. Cover và Gamal mở rộng thêm ba mô hình thiết bị đầu cuối của Van der Meulen cho bộ nhớ rời rạc và các kênh chuyển tiếp Gaussian suy thoái giả định [18]. Mạng chuyển tiếp hai chặng là cấu trúc cơ bản trong việc chuyển tiếp kỹ thuật, có thể được xem như là một thông tin liên lạc vệ tinh cong giữa hai nút. 2.2.1. Phân bổ nguồn và lựa chọn chuyển tiếp Giao thức phân bổ nguồn đã được nghiên cứu và thể hiện là một công cụ rất hiệu quả để tối ưu hóa hiệu suất mạng và chất lượng dịch vụ (QOS) trong mạng hợp tác. Nó có thể đảm bảo tuổi thọ mạng lâu hơn và giữ được mức nhiễu thấp trong mạng. Tuy nhiên, theo đuổi một giao thức tối ưu hóa không phải là cách duy nhất để tối ưu hóa hiệu suất mạng; chiến lược khác như chọn nút chuyển tiếp tốt nhất và việc sử dụng các kỹ thuật tạo chùm sóng có thể giúp mạng hoạt động với hiệu suất tối ưu. Tùy thuộc vào CSI có sẵn tại nút chuyển tiếp, hoặc bằng cách sử dụng một nút tập trung phối hợp với mạng lưới tổng CSI, đề án lựa chọn bộ chuyển tiếp có thể thực hiện tốt hơn trên các mạng sử dụng một chương trình tối ưu hóa tài nguyên. Tuy nhiên, hai chiến lược này không loại trừ lẫn nhau và có thể được sử dụng cùng nhau trong một mạng. Những phương án lựa chọn chuyển tiếp được quan tâm .Một trong những lựa chọ được quan tâm nhất sẽ được thảo luận, Bletsas đề xuất ý tưởng lựa chọn chuyển tiếp phân bố hoàn toàn, tức là mạng không đòi hỏi phải tập trung CSI để chọn bộ chuyển tiếp tốt nhất. Bộ chuyển tiếp chỉ cần để ước lượng kênh trước và sau của chúng. Ý tưởng này là thực tế hơn so phân bổ nguồn và phương án tạo chùm sóng nơi một CSI đầy đủ của các tổng mạng là điều cần thiết để thực hiện các giao thức. Trong công việc sau này, Bletsas cho thấy một cơ hội chuyển tiếp như vậy (lựa chọn bộ chuyển tiếp tốt nhất). Đề án có thể cung cấp hiệu suất dừng tối ưu trên nhiều chương trình hoạt động chuyển tiếp. Trong một nghiên cứu so sánh lựa chọn chuyển tiếp với chiến lược phân bổ nguồn, các tác giả đã chỉ ra rằng lựa chọn chuyển tiếp đề án tốt hơn chiến lược phân bổ công suất tối ưu về thông lượng hệ thống và xác suất dừng. Giả sử rằng các thông tin trạng thái kênh chuyển tiếp về phía trước không có sẵn tại các nút chuyển tiếp, một 14
16. đề án lựa chọn tiếp một phần được đề xuất, nơi bộ chuyển tiếp tốt nhất được lựa chọn tùy thuộc vào các kênh chuyển tiếp sau của mạng. CSI hỗ trợ chuyển tiếp giả định được sử dụng với kênh fading Rayleigh, trong khi [8] và [9] sử dụng bộ chuyển tiếp AF bán mù giả định kênh fading Rayleigh và Nakagami-m tương ứng. Trong [14], tác giả lấy được xấp xỉ SNR cao cho xác suất lỗi của một mạng hợp tác chuyển tiếp AF hai chặng cho lựa chọn bộ chuyển tiếp tốt nhất và phương án lựa chọn chuyển tiếp một phần trong sự hiện diện của tiếng ồn và nhiễu. Tất cả các kênh trong mạng (chính và các kênh nhiễu) được giả định là độc lập và phân bố kênh fading Rayleigh không giống nhau. Một thuật toán phân bổ công suất tối ưu cũng đề xuất giảm thiểu tiệm cận xác suất lỗi dưới tổng công suất hạn chế. Một chiến lược lựa chọn tập hợp con bộ chuyển tiếp cũng được thảo luận cho thấy rằng lựa chọn tập con bộ chuyển tiếp cho phép giảm đáng kể trong phản hồi tín hiệu trên không với một chi phí hoạt động ít. Kết quả thu được cho thấy những lợi ích đa dạng của các lựa chọn bộchuyển tiếp tốt nhất và lựa chọn chuyển tiếp một phần độc lập với các loại nhiễu nhưng mức tăng SNR của chúng phụ thuộc vào loại tiếng ồn. So với lựa chọn chuyển tiếp và phân bổ nguồn, chiến lược tạo chùm sóng nghiên cứu có những đặc điểm và chức năng khá khác nhau. Beamforming cho phép truyền tải đồng thời ở nhiều mạng chuyển tiếp mà không tạo ra nhiễu và do đó có thể giảm tổng công suất sử dụng trong mạng. Trong thực tế, nếu các thông tin trạng thái kênh của các kênh phía trước đã được biết đến, đề án beamforming có thể được thực hiện cùng với việc phân bổ nguồn hoặc chiến lược lựa chọn chuyển tiếp để tiếp tục tối ưu hóa mạng [12]. Đề án Beamforming thường yêu cầu ngay lập tức biết kênh phía trước để áp dụng các trọng số beamforming tại các nút truyền, và trong thực tế, các mạng với nhiều nút ăng-ten có thể rất hiệu quả nếu họ thực hiện một chiến lược beamforming [13,15]. Trong một số nghiên cứu khác một vector beamforming được áp dụng tại nút nguồn duy nhất trong một hệ thống ănten nhiều nguồn-đích với một bộ chuyển tiếp ănten đơn. Các máy thu kết hợp các tín hiệu sử dụng thông số MRC ở người nhận. Biểu thức thức đóng cho xác suất dừng, MGF và những trường hợp tổng quát của SNR end-to-end được lấy. Các biểu thức chỉ được áp dụng cho tình huống tổng quát với các thông số Nakagami-mfading khác nhau và SNRs trung bình giữa các chặng. Trong [13], các tác giả đã nghiên cứu một nguồn nhiều ănten, máy thu và hệ thống chuyển tiếp AF sử dụng một vector beamforming Grassmannian. Nguồn và vectơ beamforming chuyển tiếp tối ưu được lấy tối đa hóa bộ 15
17. nhận SNR. Trong [15], các tác giả đã sử dụng một nguồn nhiều ănten với nhiều bộ chuyển tiếp AF đa ănten và một máy thu có1anten duy nhất. NT (số anten truyền) vector beamforming nguồn không gian vàma trận beamforming giúp tối ưucho từng bộ chuyển tiếp Afcó công suất hạn chế. Về vấn đề làm thế nào để tối ưu hóa sự thông lượng và đa dạng bộ chuyển tiếp, một số nhà nghiên cứu đã áp dụng ý tưởng của khối mã hóa không - thời gian (STBC) trong hệ thống phân phối. Mã STBC đầu tiên được giới thiệu bởi Alamouti trong một máy phát đa ănten đơn chặngvà hệ thống thu có duy nhất 1 ănten. Ý tưởng khá tốt và đạt được truyền đa dạng trong một hệ thống mà không đòi hỏi kiến thức về CSI ở phía máy phát. Các máy phát, trong thực tế, truyền một mã được thiết kế đặc biệt được tách trực giao trong không gian và thời gian. Một máy thu với đầy đủ hiểu biết về CSI có thể kết hợp tín hiệu này và đạt được bằng sự đa dạng số anten phát, mặc dù hệ thống sẽ mất hiệu quả quang phổ do việc sử dụng nhiều khe thời gian để truyền các ma trận mã. Trong một mạng hợp tác, nơi bộ chuyển tiếp thực hiện nhiều hệ thống ănten trong kiểu phân bố, có một số thách thức đáng kể trong việc thực hiện. Thứ nhất, một STBC đòi hỏi một bộ ănten truyền để truyền cột mã của nó vào chỉ số thời gian khác nhau. Vì vậy, các hệ thống phân bố sẽ cần phải đảm bảo rằng một số cố định của các nút truyền sẽ tham gia trong việc chuyển tiếp. R h h 1 2 S D Hình 2.1: Truyền dẫn chuyển tiếp theo hai hướng giai đoạn 1 R h 3 h 4 S D Hình 2.2:Truyền dẫn chuyển tiếp theo hai hướng giai đoạn 2 16
18. Thứ hai, vấn đề đồng bộ hóa tại máy thu; như các nút chuyển tiếp không nằm trong khu vực duy nhất, đồng bộ hóa các tín hiệu nhận được từ khối mã tương tự là một vấn đề thách thức. Trong một số bài viết các tác giả sử dụng mã không gian - thời gian phân bố tuyến tính tại các nút chuyển tiếp để đạt được sự đa dạng đầy đủ trong kênh fading Rayleigh. Một giao thức chuyển tiếp rất hấp dẫn "chuyển tiếp hai chiều" bằng cách sử dụng giao tiếp song công một nửa đã được nghiên cứu và được sự hỗ trợ đáng kể trong cộng đồng nghiên cứu. Ý tưởng về giao tiếp hai chiều lần đầu tiên được giới thiệu bởi Shannon. Bằng cách khai thác tính chất sóng của các mạng không dây và cách truyền tin của thiết bị đầu cuối, sự trao đổi thông tin giữa các giai đoạn chuyển tiếp và các nút nguồn có thể được giảm một nửa. Hình 2.2 và 2.3 cho thấy các kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều. Trong giai đoạn truyền 1, cả hai nguồn và đích truyền tải thông tin của họ đồng thời để chuyển tiếp, và trong giai đoạn 2 bộ chuyển tiếp khuếch đại các tín hiệu nhận được và phát thông tin. 2.2.2. Giao thức chuyển tiếp năng lượng Một giải pháp mới nổi để kéo dài thời gian tồn tại của năng lượng tại các nút chuyển tiếp trong các mạng không dây là tận dụng các môi trường xung quanh có tín hiệu tần số vô tuyến (RF) và thu nhập năng lượng đồng thời xử lí thông tin. Trong luận văn này, bộ khuếch đại và bộ chuyển tiếp mạng (AF) được coi là nơi một nút chuyển tiếp năng lượng thu nhập năng lượng từ tín hiệu RF nhận được và sử dụng năng lượng thu được để chuyển tiếp các thông tin nguồn đến đích. Căn cứ vào thời gian chuyển đổi và cấu trúc phân chia năng lượng nhận được, hai giao thức chuyển tiếp cụ thể là: - Giao thức chuyển tiếp dựa trên chuyển đổi thời gian (TSR) : time switching- based relaying (TSR) protocol. - Giao thức chuyển tiếp dựa trên phân chia năng lượng (PSR) : power splitting- based relaying (PSR) protocol Hai giao thức chuyển tiếp được đề xuất để cho phép thu năng lượng và xử lý thông tin tại bộ chuyển tiếp. Để xác định ta thông qua biểu thức giải tíchxác suất dừng và công suất ergodic được bắt nguồn cho các phương thức truyền dẫn chậm trễ giới hạn và chậm trễ có thể chấp nhận được tương ứng. Ở đây ta chỉ đi sâu tìm hiểu phương thức TSR sẽ được trình bày ở chương 3. 17
19. 2.3. TRUYỀN THÔNG TRONG NHIỄU Các mạng không dây với bản chất của chúng sẽ sinh ra nhiễu do truyền đa đường. Như vậy sẽ tạo ra nhiều bản sao của cùng một tín hiệu tại máy thu, và một máy thu cũng được thiết kế có thể thu tất cả các tín hiệu đa đường. Tuy nhiên, thuật ngữ nhiễu thường được sử dụng cho các tín hiệu đáng lo ngại được tạo ra bởi thiết bị khác hoạt động tại các kênh truyền thông tương tự. Trong thực tế, thiết bị trong mạng đa thiết bị khá thường xuyên chia sẻ cùng một kênh với những thiết bị khác và máy thu thông minh phân tách các tín hiệu. Ngoài ra, các mạng như WiFi và Bluetooth có thể đưa ra nhiễu với nhau cũng như các mạng trong các hệ thống truyền thông băng rộng hoạt động trong cùng khu vực. Xem xét các tác động thực tế, mô hình nhiễu trong các đồng kênh, phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố vật lý, chẳng hạn như sự phân bố không gian của các nhiễu, nhiễu kênh fading và công suất của các nhiễu. Một khuôn khổ toán học nói chung đã được phát triển trong đó xem xét một mạng mà trong đó các nút nhiễu nằm rải rác theo một quá trình Poisson và hoạt động không đồng bộ trong môi trường không dây (hình.2.8). Một đặc tính xác suất của nhiễu trong một mạng được tạo ra bởi các nút khác đã được phát triển. Ở đó cũng nghiên cứu các mô hình nhiễu cho các mạng vô tuyến nhận thức, đặc trưng phân bố thống kê của nhiễu mạng được tạo ra bởi thiết bị thứ cấp và phân tích tác động của các đặc tính truyền sóng không dây trên phân bố như thế. Tx Rx Hình 2.4: Nhiễu trong mạng không dây Tx và Rx là máy phát và máy thu tương ứng và tất cả các nút khác trên mặt phẳng là các nút nhiễu. Các nhiễu bên trong vòng tròn chỉ là các nhiễu hoạt động với công suất truyền đủ lớn để góp phần nhiễu tới máy thu Rx. 18
20. Cuối cùng phân bố thống kê của nhiễu băng tần siêu rộng tổng hợp tại vị trí bất kỳ trong mặt phẳng hai chiều được đầu tư để phân tích xác suất lỗi trên một hệ thống băng hẹp chịu nhiễu UWB (công nghệ mạng không dây siêu băng rộng) tổng hợp. Các mô hình thống kê được phát triển cho mạng một nguồn - đích. Một mô hình hiệu quả cho một mạng lưới đơn chặng tương tự như trong hình.2.4 đã được phát triển trong sự hiện diện của nhiễu. Tác giả trình bày một khuôn khổ toán học, nơi các nhiễu nằm rải rác ngẫu nhiên theo một quá trình Poisson theo không gian. Xác suất lỗi và xác suất dừngđã được đưa ra để nhiễu được tổng hợp như là một hàm của máy thu SNR và tỉ lệ nhiễu trên tiếng ồn (INR), suy hao đường số mũ, và mật độ không gian của nhiễu. Trong [16], các tác giả trình bày về phân tích công suất của các đối tượng mạng bao gồm cả nhiễu và tiếng ồn. Mật độ phổ công suất của nhiễu tổng hợp của mạng cũng được trình bày. Mô hình thống kê cho mạng nhiễu đã được thực hiện cho mô hình kênh SIMO.Các mô hình thống kê cho máy thu cuối SNR hoặc SINR đã được phát triển cho các hệ thống sử dụng một máy thu kết hợp tỷ số cực đại(MRC) . Những mô hình toán học cho hệ thống thu đa anten có thể cung cấp một hàm phân tích cơ bản áp dụng cho các mạng hợp tác. Tuy nhiên, không giống như mạng SIMO, mạng hợp tác cố gắng tránh các vấn đề nhiễu bằng cách giả định phân bổ kênh trực giao với các nút hợp tác. Mạng hợp tác bị nhiễu sóng đã được nghiên cứu rộng rãi. Máy thu kết hợp tỷ số cực đại thường thực hiện tốt nhất trong AWGN hoặc kênh fading, tuy nhiên, trong các mạng nhiễu hiệu suất tối ưu thu được so với máy thu kết hợp tối ưu. Trong khi thực hiện kết hợp tối ưu đòi hỏi phải có kiến thức CSI của nhiễu, MRC có thể được sử dụng bởi đơn giản chỉ là ước lượng kênh tín hiệu. Trong một nghiên cứu, các tác giả đã lấy được PDF và CDF của tín hiệu nhận để tỷ lệ nhiễu (SIR) của một hệ thống hạn chế nhiễu cho MRC với kênh fading Rayleigh và Rician phân bố độc lập và giống nhau (iid). Kết quả sau đó so với trường hợp kết hợp tối ưu. Xác suất dừng được bắt nguồn khi hệ thống nhiễu dưới mối tương quan giữa kênh fading Rayleigh giả định cân bằng và công suất nhiễu không cân bằng tương ứng trong hệ thống nhiễu hạn chế. Fading ảnh hưởng đến mỗi thiết bị được giả định là có tương quan với ma trận hệ số tương quan giống hệt nhau. Việc thực xác suất hiện lỗi và xác suất dừng trong mạng lưới công suất nhiễu cân bằng trên các kênh fading Nakagami - m được nghiên cứu. Hệ thống sử dụng một sự kết hợp tối ưu thu đã được nghiên cứu. Winters et. al. nghiên cứu việc thực hiện xác suất lỗi trong kênh fading Rayleigh bằng 19
21. cách sử dụng tối ưu máy thu kết hợp, các tác giả cho rằng một hệ thống hạn chế nhiễu nơi mà lượng công suất nhiễu bằng nhau là lớn hơn so với lượng anten thu là chấp nhận được và nguồn gốc các xác suất lỗi bit (BEP) của các mạng. Một kết quả SEP chính xác là đưa ra một số bất kỳ ănten thu và nhiễu trong kênh fading Rayleigh, nhiễu giả định có công suất bằng nhau. .X I R S D Hình 2.5: Mạng chuyển tiếp hai chặng trong sự hiện diện của nhiễu với sự đa dạng liên kết Trong một nghiên cứu khác, các tác giả đã phân tích một mạng lưới hợp tác trong nhiễu cho một mạng ănten có nguồn - đích duy nhất chuyển tiếp thông qua bộ chuyển tiếp DF. Tất cả các kênh fading (SR và RD và các kênh nhiễu) là độc lập và phân bố giống nhau (iid). Các CDF của tín hiệu nhận được đến tỷ lệ nhiễu (SIR) được bắt nguồn từ giả định một mạng hạn chế nhiễu. Các tác giả đã kết luận nghiên cứu của họ với các đánh giá bằng số của hiệu ứng nhiễu trên mạng chuyển tiếp. Một phân tích hiệu suất thực nghiệm tương tự đã được thực hiện tại .Tỷ lệ lỗi bit (BER) thực hiện đã được nghiên cứu cho một mạng truy cập chuyển tiếp nhiều nơi mà tất cả các nút được trang bị với nhiều ănten. Một STBC đã được sử dụng tại các nút chuyển tiếp để chuyển tiếp các tín hiệu. Hơn nữa, một chiến lược truyền dẫn khác có tên là "IC- Relay-TDMA" đã được đề xuất để loại bỏ nhiễu tại nút chuyển tiếp. Nghiên cứu tác động của sự hợp tác trong một hệ thống nhiễu hạn chế sử dụng các giao thức chuyển tiếp DF trong kênh fading Rayleigh. Nó chia các nút hợp tác sang các khu vực hợp tác khác nhau và định lượng mối quan hệ giữa bán kính khu vực hợp tác và mức độ nhiễu. Chiến lược lựa chọn chuyển tiếp đã được thảo luận cho các mạng nhiễu hợp tác. Khi một mạng lưới hợp tác có CSI có sẵn tại nguồn và tại các nút chuyển tiếp, một chiến 20
22. S K L 0 0 2 1 5 4