Khả năng tán xạ ngược của gói tin với chiều dài hữu hạn trong truyền thông UAV

Khả năng tán xạ ngược của gói tin với chiều dài hữu
hạn trong truyền thông UAV
Chu Tiến Dũng, Trần Mạnh Hồng, Thiều Hữu Cường
Trường Đại học Thơng tin Liên lạc

Tóm tắt: Bài báo đưa ra biểu thức thông lượng và BLER của thiết bị bay không người lái (UAV) hỗ trợ hệ thống truyền thông tán xạ
ngược dựa trên khối dữ liệu với chiều dài hữu hạn. Mô phỏng Monte carlo được sử dụng để kiểm chứng các kết quả phân tích đã trình
bày và đánh giá phẩm chất hệ thống đề xuất.
Từ khóa: Thiết bị khơng người lái (UAV), tán xạ ngược, chiều dài gói tin hữu hạn.

I. GIỚI THIỆU
Ngày nay, truyền thông chiều dài khối dữ liệu hữu hạn, thiết bị không người lái (UAV) và liên lạc tán xạ ngược đang là các
kỹ thuật đầy hứa hẹn được triển khai cho công nghệ không dây 5G và 6G [1, 2]. Do đó, các nghiên cứu dựa trên các kỹ thuật này
đã phát triển rất nhanh trong thời gian gần đây. Tuy nhiên , hầu hết các nghiên cứu này đang xem xét liên lạc với khối dữ liệu độ
dài lớn phục vụ người dùng mặt đất trong hệ thống truyền thơng khơng dây. Trong khi đó , liên lạc tán xạ ngược do hai vị trí chỉ
phù hợp cho hệ thống truyền gói tin ngắn. Kết nghiên cứu trong [3] đã chỉ ra khoảng cách truyền tán xạ ngược có thể đạt 2.8 km.
Vì vậy, các thiết bị tán xạ ngược có thể được sử dụng để thu thập dữ liệu cho hệ thống điều khiển từ xa với hỗ trợ của UAV hay
hệ thống các cảm biến. Tuy nhiên, việc kết hợp liên lạc tán xạ ngược, gói tin ngắn và UAV chưa được khảo sát.
Từ vấn đề trên đã thúc đẩy chúng tôi xây dựng mơ hình truyền thơng dựa trên gói tin độ dài hữu hạn có sự hỗ trơ UAV với
khả năng tán xạ ngược. Bằng các phân tích tốn học, chúng tơi đưa ra biểu thức tỉ lệ lỗi chiều dài gói tin trung bình (BLER) của
mơ hình đề xuất cho việc đánh giá chất lượng hệ thống.

II. MƠ HÌNH HỆ THỐNG

Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống

Mơ hình hệ thống bao gồm: một trạm điều khiển mặt đất, một UAV và các người dùng BDn . Cụ thể, tọa độ UAV khi bay
được thể hiện ở tọa độ (r sin  , r cos  , H ) . BDn hoạt động như thiết bị tán xạ ngược bố trí tại ( xDn , yDn ,0) . Quá trình liên lạc
được chia làm 3 giai đoạn: đầu tiên, UAV truyền tín hiệu vơ tuyến đến các BDn . Thứ hai, tín hiệu bị tán xạ ngược từ BDn đến
UAV. Thứ 3, tín hiệu được truyền từ UAV đến GS. Tín hiệu nhận được tại BDn trong giai đoạn đầu là:

yBDn  PV g n ,1 s1  z BDn ,

133

(1)


Trong đó n {1,
theo

tham

chiếu

, N} và gn,1   hn,1 / dVUn là hệ số kênh truyền từ UAV đến BDn đã được tính từ cơng suất kênh truyền
với

khoảng

cách

1

m

,

hn,1

là

fading

quy

mơ

nhỏ

có

phân

bố

Nakagami.

dVU n  ( xDn  r sin  ) 2  ( yDn  r cos  ) 2  H 2 là khoảng cách giữa UAV đến BDn ,  là góc nâng của UAV, S1 là tín hiệu

truyền của UAV, z BDn ~ C

(0,  n2 ) là tạp âm Gauss tại BDn . Trong giai đoạn 2, tín hiệu được phản xạ với hệ số  B từ BDn

đến UAV. Vì vậy, tín hiệu nhận được tại UAV thông qua đa truy cập phân chia theo thời gian được xác định như sau:

yUAV   B PV g n ,1 g n ,2 s1 sn,2   B g n,2 z BDn  zUAV ,

(2)

Trong đó gn,2   hn,2 / dVUn là hệ số kênh truyền từ BDn đến UAV. sn,2 tín hiệu truyền từ BDn . zUAV ~ C

(0,  n2 ) là tạp

âm Gauss tại UAV. Xác suất xảy ra đường truyền thẳng (LOS) giữa UAV và BDn phụ thuộc vào môi trường

 H
180o
1
arcsin 
và PNLoS  1  PLoS trong đó a và b là hằng số , n 
 dVU
1  a.exp  b(n  a) 

 n
được viết lại như:
PLoS 

n 

 B PV | g n,1 |2 | g n,2 |2
,
 B | g n,2 |2  U2AV


 . Từ (2), SNR tại UAV



(3)

III. PHÂN TÍCH THƠNG LƯỢNG VÀ BLER
Khi chiều dài của gói dữ liệu là đủ lớn, ( m  100 ) , BLER tại UAV của hệ thống xem xét được cho từ Hàm Q phân bố
Gauss [4] do đó:

 n  Q((C ( n )  Rn ) / V ( n ) / m ).

(4)

Trong đó C( n )  log2 (1   n ) là dung lượng shanon. V ( n )  (1  1/ (1   i )2 )(log 2 e)2 là sự phân tán kênh và Rn là tốc độ
truyền của hệ thống. Sau một số bước biến đổi, BLER trung bình được tính tốn:
n

( )   n 

H

L

Trong đó F n | ( x | ) là điều kiện hàm CDF

F n | ( x |  )dx,

(5)

của  n , n  [2 (22 Rn  1) / m]1/2 ,  n  2Rn  1, L   n  1/ (2n ) và

H   n  1/ (2n ). Chú ý rằng,  hệ số suy hao thêm vì kết nối LOS và NLOS . Cụ thể,   1 cho truyền lan LOS và
0    1 cho truyền lan NLOS. Sau đó, chúng tơi đưa ra BLER tại UAV ở hệ thống đề xuất là:
n

Trong đó

n ,LoS

và

()  PLoS

n,LoS

 PNLoS

n,NLoS

,

(2)

n ,NLoS

m1 1

 1 

n , LoS

j 0

j

m1

 m2 n 
1  m1   m2 n 
 exp  

  
j !  1    2 B PV 
  2 B PV 

 j  2  m2 n 
  


i  i   ( m1 )   B PV m1 
j

m1 1

n ,NLoS

 1 
j 0

K m1  j  i

(7)

 n m1m2
 2 1 B PV

j

m1


m2 n 
1  m1   m2 n 
 exp  


 
j !  1    2 B PV 
  2 B PV 

 j  2  m2 n 
  


i  i   ( m1 )   B PV m1 
j

m1  j  i
2

m1  j  i
2

K m1  j  i

134

 n m1m2
.
 2 12 B PV

(8)


Thay thế (7) và (8) vào (6) chúng tôi đưa ra biểu thức BLER tại UAV. Ngồi ra, thơng lượng của liên lạc chiều dài gói tin
hữu hạn ở hệ thống UAV tán xạ ngược được tính tốn khi số lượng gói tin có thể được giải mã thành cơng. Mơ hình tốn học
thơng lượng của tán xạ ngược tại UAV và BDn được cho bởi:
N

b
(1  n ( )),
n 1 Nm

 (b)  

(9)

Trong đó m  mi  me , b  be  bi . Trong đó, mi và me lần lượt kênh sử dụng cho huấn luyện và truyền dữ liệu. be và bi
lần lượt là số lượng bit huấn luyện và số bit truyền dữ liệu.
IV. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Từ các biểu thức toán học được đưa ra từ các phần trên, chúng tôi sẽ đánh giá BLER và thông lượng của chiều dài khối dữ
liệu hữu hạn trong hệ thống truyền thông tán xạ ngược có hộ trợ UAV. Mơ phỏng Monte Carlo chứng minh cho các biểu thức đã
đưa ra thông qua việc sử dụng MATLAB. Các tham số sử dụng cho mô phỏng được thiết lập như sau: Số lượng bit truyền dữ
kiệu là 128, r  50m, H  100m, và   20 dB.

Hình 2. BLER trung bình so với SNR của UAV và

BDn

Hình 2 minh họa BLER của BDn trong hệ thống tán xạ ngược với sự hỗ trợ UAV trong đó số kênh truyền được thay đổi.
Các đường cong lý thuyết được đưa ra theo công thức số 6. Trong khi đó có biểu tượng minh họa cho kết quả mơ phỏng monte
carlo. Chúng ta có thể quan sát được BLER là nhỏ hơn khi tốc độ truyền b / m thì giảm. Hơn nữa, tăng m chỉ cải thiện mã hóa
đạt được nhưng độ phân tán thì khơng được cải thiện. Do đó, tất cả các đường cong dường như song song trên tồn bộ SNR.

Hình 3. Thơng lượng so với số lượng gói tin truyền của hệ thơng khi xem xét có sự hỗ trợ của UAV.

135


Hình 3 thể hiện thơng lượng của hệ thống đề suất khi số lượng bit huấn luyện thay đổi và tổng số bit truyền dữ liệu là cố
định. Hình này minh họa rằng số lượng bit huấn luyện lớn hơn thì có thơng lượng nhỏ hơn. Ngun nhân của điều này vì sẽ có
ít bit dữ liệu được truyền hơn khi tăng bit huấn luyện. Mặt khác, thông lượng đạt giá trị lớn nhất và sau đó giảm khi số lượng
gói tin truyền dẫn tăng
V. KẾT LUẬN
Bằng việc áp dụng các phân tích tốn học, chúng tơi đưa ra biểu thức thông lượng và BLER của hệ thống liên lạc độ dài gói
tin hữu hạn có sự hỗ trợ của UAV tán xạ ngược. Từ đó, ảnh hưởng của số lượng gói tin truyền dẫn lên phẩm chất hệ thống được
khảo sát. Hệ thống này có thể tìm thấy trong các hệ thống điều khiển từ xa và cảm biến.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

S. Yang, Y. Deng, X. Tang, Y. Ding, and J. Zhou, "Energy Efficiency Optimization for UAV-assisted Backscatter Communications," IEEE
Communications Letters, 2019.

[2]

N. Agrawal, A. Bansal, K. Singh, C.-P. Li, and S. Mumtaz, "Finite Block Length Analysis of RIS-Assisted UAV-Based Multiuser IoT Communication
System with Non-Linear EH," IEEE Transactions on Communications, 2022.

[3]

V. Talla, M. Hessar, B. Kellogg, A. Najafi, J. R. Smith, and S. Gollakota, "Lora backscatter: Enabling the vision of ubiquitous connectivity," Proceedings
of the ACM on interactive, mobile, wearable and ubiquitous technologies, vol. 1, no. 3, pp. 1-24, 2017.

[4]

N. H. Tu and K. Lee, "Performance analysis and optimization of multihop MIMO relay networks in short-packet communications," IEEE Transactions
on Wireless Communications, 2021.

136