Nghiên cứu các thuật toán chuyển tiếp đa chặng sử dụng bề mặt phản xạ thông minh

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

LÊ TẤN PHONG

NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN CHUYỂN TIẾP
ĐA CHẶNG SỬ DỤNG BỀ MẶT PHẢN XẠ THÔNG MINH

ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023


HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

LÊ TẤN PHONG

NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN CHUYỂN TIẾP
ĐA CHẶNG SỬ DỤNG BỀ MẶT PHẢN XẠ THƠNG MINH

Chun ngành: Hệ thống thơng tin
Mã số: 8.48.01.04

ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. TRẦN TRUNG DUY

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng đề án tốt nghiệp thạc sĩ:“ Nghiên cứu các thuật toán
chuyển tiếp đa chặng sử dụng bề mặt phản xạ thông minh“ là công trình nghiên
cứu của chính tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong đề án tốt nghiệp là trung thực và chưa từng được
ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tp. HCM, ngày 17 tháng 08 năm 2023
Học viên thực hiện đề án

Lê Tấn Phong


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc đến
Thầy PGS.TS. Trần Trung Duy, người Thầy đã hết lòng hỗ trợ, định hướng và tận
tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện Đề án. Thầy là người truyền đạt cho
em nhiều kinh nghiệm và kiến thức quý giá, giúp em thêm tự tin trên con đường
nghiên cứu, học tập của mình.
Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc, Phòng đào tạo sau đại học và
quý Thầy Cơ đã quan tâm, hết lịng hỗ trợ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho chúng
em trong suốt thời gian học tập tại trường và trong thời gian hoàn thành Đề án tốt
nghiệp.
Nhân dịp này, em cũng xin cám ơn Quỹ Nafosted đã hỗ trợ trong suốt thời

gian em thực hiện Đề án, thông qua Đề tài “Nâng cao độ tin cậy truyền tin và bảo mật
thông tin cho các mạng vô tuyến quảng bá sử dụng mã Fountain“ với mã số 102.042021.57.
Trong quyển đề án tốt nghiệp này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những hạn
chế và thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của q thầy cơ và
q bạn đọc để đề án này được hoàn thiện hơn.

Tp. HCM, ngày 17 tháng 08 năm 2023
Học viên thực hiện đề án

Lê Tấn Phong


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ............................................ v
DANH SÁCH BẢNG ..............................................................................................vii
DANH SÁCH HÌNH VẼ ....................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 1
Mục đích nghiên cứu ........................................................................................ 1
Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 2
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM TỔNG QUAN ............................................................ 1
1.1. Hệ thống thông tin vô tuyến .................................................................... 1
1.1.1. Lịch sử phát triển ................................................................................. 1
1.1.2. Mô hình truyền thơng vơ tuyến cơ bản ................................................ 2
1.2. Kênh truyền vơ tuyến............................................................................... 3

1.2.1. Mơ hình truyền tín hiệu........................................................................ 5
1.2.2. Hiệu năng mạng vô tuyến .................................................................... 6
1.2.3. Mô phỏng Monte Carlo ........................................................................ 7
1.3. Tổng quan về mạng chuyển tiếp ............................................................. 8
1.4. Bề mặt phản xạ thông minh .................................................................. 14
1.5. Kết luận Chương 1 ................................................................................. 18
Khảo sát các nghiên cứu liên quan ............................................................... 18
CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HỆ THỐNG ................................................................. 19
2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................. 19
2.2. Mơ hình kênh truyền ............................................................................. 20
2.3. Các thuật toán chuyển tiếp đa chặng ................................................... 21


iv

2.3.1 Chuyển tiếp không sử dụng IRS ......................................................... 21
2.3.2 Chuyển tiếp sử dụng IRS theo từng chặng ......................................... 22
2.3.3 Chuyển tiếp nhảy chặng sử dụng IRS ................................................. 25
2.4. Kết luận Chương 2 ................................................................................. 29

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG ................................................. 30
3.1. OP của thuật toán Non-IRS .................................................................. 30
3.2. OP của thuật toán IRS-1........................................................................ 30
3.3. OP của thuật toán IRS-2........................................................................ 33
3.4. Kết luận Chương 3 ................................................................................. 35

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .......................... 36
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................. 41
5.1. Kết luận ................................................................................................... 41
5.1.1 Về mặt lý thuyết .................................................................................. 41

5.1.2 Về mặt thực tiễn .................................................................................. 41
5.2. Hướng phát triển đề tài ......................................................................... 43

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 44


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
AF
AWGN
BER
BS
CDF

CDMA

Tiếng Anh
Amplify and Forward

Tiếng Việt
Khuếch đại và chuyển tiếp

Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng Gaussian
Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

Base Station

Trạm gốc

Cumulative Distribution

Hàm phân phối tích lũy

Function
Code Division Multiple Access

Phân chia đa người dùng theo
mã

Clear to Send

Sẵn sàng gửi

D

Destination

Đích đến

DF

Decode and Forward

Giải mã và chuyển tiếp

EC

Ergodic Capacity

Dung lượng kênh trung bình

Global System for Mobile

Hệ thống di động toàn cầu

CTS

GSM
LOS
LTE
MIMO
MU
NOMA

IoTs

Communications
Line of Sight

Đường truyền nhìn thấy

Long-Term Evolution

Cơng nghệ mạng di động tiên
tiến

Multiple Input Multiple Output

Đa đường vào đa đường ra

Mobile User

Người dùng di động

Non-Orthogonal Multiple

Truy cập đa điểm không chồng

Access

chéo

Internet of Things

Mạng lưới vạn vật kết nối
Internet

IRS

Intelligent Reflect Surface

Bề mặt phản xạ thông minh

OP

Outage Probability

Xác suất dừng


vi

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PLS

Physical Layer Security

Bảo mật lớp vật lý

Radio Frequency Energy

Thu thập năng lượng từ tần số

Harvesting

sóng vơ tuyến

Reconfigurable Intelligent

Bề mặt thơng minh tự cấu hình

RF-EH

RIS
RTS
S
SNR
US
V2V

Surfaces
Request to Send

Yêu cầu gửi

Source

Nguồn phát

Signal-to-Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu và nhiễu

User

Người dùng

Vehicle to Vehicle

Xe tới xe

vii

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 4.1: Tóm tắt các thơng số hệ thống. .................................................................37


viii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mơ hình truyền thơng vơ tuyến cơ bản .......................................................2
Hình 1.2: Fading đa đường .........................................................................................3
Hình 1.3: Kênh truyền fading Rayleigh ......................................................................4
Hình 1.4: Sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh ..............................................5
Hình 1.5: Ứng dụng chuyển tiếp trong mạng thơng tin di động .................................9
Hình 1.6: Ứng dụng chuyển tiếp trong mạng cảm biến vơ tuyến .............................10
Hình 1.7: Mơ hình chuyển tiếp cơ bản ......................................................................10
Hình 1.8: Giải mã và chuyển tiếp (DF) .....................................................................11
Hình 1.9: Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) ...............................................................12
Hình 1.10: Chuyển tiếp đa chặng ..............................................................................13
Hình 1.11: Ứng dụng của bề mặt phản xạ thơng minh .............................................15
Hình 1.12: Mơ hình chuyển tiếp sử dụng RIS ..........................................................16
Hình 2.1: Mơ hình nghiên cứu ..................................................................................19
Hình 2.2: Chuyển tiếp đa chặng khơng dùng IRS (Non-IRS) ..................................21
Hình 2.3: Sử dụng IRS ở chặng thứ k trong thuật tốn IRS-1 ..................................23
Hình 2.4: Sử dụng IRS để nhảy chặng trong thuật tốn IRS-2 .................................25
Hình 2.5: Chuyển tiếp trong thuật toán IRS-2 với số chặng chẵn (K=4) ..................27
Hình 2.6: Chuyển tiếp trong thuật tốn IRS-2 với số chặng lẻ (K=5) ......................27
Hình 4.1: OP vẽ theo  (dB) với K = 4 , ( xT , yT ) = ( 0.5,0.75) ................................37
Hình 4.2: OP vẽ theo  (dB) với K = 5 , xT = 0.5, L = 3 ........................................38

Hình 4.3: OP vẽ theo K với  = 5 (dB), ( xT , yT ) = ( 0.5,0.7 ) , L = 3 .......................39
Hình 4.4: OP vẽ theo L với  = 5 (dB), K = 3 .......................................................40


1

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, mạng truyền thông vô tuyến (wireless communication networks)
ngày càng phát triển và đem lại nhiều lợi ích thiết thực cho con người trong hầu hết
các lĩnh vực trong đời sống. Các công nghệ mới nổi trong mạng truyền thông vô tuyến
như mạng đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multiple Input Multiple Output)/Massive
MIMO, đa truy nhập phi trực giao NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access), bảo
mật lớp vật lý PLS (Physical Layer Security), thu thập năng lượng sóng vơ tuyến RFEH (Radio Frequency Energy Harvesting), chuyển tiếp bán song công (Half
Duplex)/song công (Full Duplex), chuyển tiếp sử dụng bề mặt phản xạ cấu hình lại
RIS (Reconfigurable Intelligent Surface) hay bề mặt phản xạ thông minh IRS
(Intelligent Reflecting Surface) đã được đề xuất nhằm nâng cao tốc độ truyền, giảm
tỷ lệ lỗi, đạt được độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh, đạt được hiệu quả bảo mật, và
hiệu quả năng lượng.
Mạng chuyển tiếp sử dụng bề mặt phản xạ thông minh IRS đang là chủ đề
nghiên cứu mới, thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài
nước. Khác với phương pháp chuyển tiếp thông thường, sử dụng các nút mạng làm
thiết bị chuyển tiếp, chuyển tiếp sử dụng IRS sẽ lắp đặt những bề mặt phản xạ có khả
năng cấu hình các thơng số nhằm phản xạ một cách thông minh các tia tới từ một
nguồn, nhằm đạt được chất lượng tín hiệu tốt nhận được tại nút đích.
Đề án nghiên cứu chủ đề chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relaying) với sự hỗ
trợ của bề mặt phản xạ thông minh IRS. Đề án sẽ đề xuất các thuật toán chuyển tiếp
kết hợp giữa chuyển tiếp thông thường và sự giúp đỡ của bề mặt IRS. Các thuật toán
đề xuất trong Đề án nhằm nâng cao độ tin cậy của việc truyền dữ liệu và giảm số lần
truyền dữ liệu giữa nguồn và đích.

Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề án bao gồm:
- Nghiên cứu mơ hình chuyển tiếp đa chặng


2

- Nghiên cứu mơ hình chuyển tiếp sử dụng bề mặt IRS
- Đề xuất các thuật toán chuyển tiếp kết hợp giữa chuyển tiếp thông thường
và sử dụng IRS
- Đánh giá hiệu năng xác suất dừng của mơ hình bằng các biểu thức tốn học
- Thực hiện mơ phỏng Monte Carlo để kiểm chứng các biểu thức toán học
đưa ra
- Thông qua các kết quả đạt được, đề án đưa ra các giải pháp thiết kế và tối
ưu hiệu năng mạng.

Phương pháp nghiên cứu
- Học viên sẽ khảo sát các cơng trình liên quan đến đề án, đặc biệt các cơng
trình về mạng chuyển tiếp đa chặng và bề mặt phản xạ thông minh
- Sau khi thực hiện khảo sát, Học viên đề xuất mơ hình chuyển tiếp đa chặng
sử dụng IRS
- Tiếp theo, Học viên đề xuất các thuật toán chuyển tiếp với sự hỗ trợ của
IRS nhằm nâng cao hiệu năng OP, đồng thời có thể giảm số lần truyền dữ liệu
- Học viên sử dụng các công cụ toán học để đánh giá hiệu năng OP của các
mơ hình trên kênh fading Rayleigh.
- Học viên sử dụng phương pháp Monte Carlo để kiểm chứng tính chính xác
của các biểu thức xác suất dừng đã đưa ra
- Học viên chọn các kết quả mô tả đặc trưng hiệu năng của hệ thống, đồng
thời đưa ra các giải pháp thiết kế và tối ưu hiệu năng hệ thống.

1

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM TỔNG QUAN
1.1.

Hệ thống thông tin vô tuyến

1.1.1. Lịch sử phát triển
Hệ thống thông tin vô tuyến (Radio communication system) là một phần quan
trọng của công nghệ vô tuyến và đã trải qua một lịch sử phát triển dài. Dưới đây là
một số sự kiện quan trọng trong lịch sử hệ thống thông tin vô tuyến:
Năm 1895: Guglielmo Marconi phát triển công nghệ truyền thông không dây
đầu tiên và thực hiện truyền tín hiệu vơ tuyến qua khoảng cách 1,5 dặm giữa hai tháp
phát sóng tại Anh.
Năm 1901: Marconi thành công trong việc truyền thông không dây trên khoảng
cách lên đến 2.000 dặm giữa Anh và Newfoundland, Canada.
Năm 1920: Radio Corporation of America (RCA) được thành lập và bắt đầu
phát triển các công nghệ truyền thông không dây phục vụ cho các ứng dụng quân sự
và dân sự.
Năm 1945: Các hệ thống truyền thông không dây đã được phát triển phục vụ
cho các hoạt động quân sự trong Thế chiến II, đặc biệt là trong việc giao tiếp giữa các
chiến hạm và các tàu vận tải.
Năm 1960: Hệ thống thông tin vô tuyến bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong
các ứng dụng dân sự như viễn thông, vệ tinh và các ứng dụng di động đầu tiên.
Năm 1971: Hệ thống mạng sử dụng công nghệ vô tuyến gói được tạo ra và
được đặt tên là ALOHANET tại trường đại học Hawaii. Hệ thống này cho phép các
máy tính tại các cơ sở trên các đảo kết nối với máy trung tâm tại Oahu thông qua
truyền thông vô tuyến.

Năm 1980: Các tiêu chuẩn truyền thông không dây như Bluetooth và Wi-Fi
được phát triển và trở nên phổ biến.
Năm 1990: Các loại hình mạng di động tiên tiến hơn như GSM, CDMA, và
3G được phát triển và trở nên phổ biến.


2

Năm 2000: Các ứng dụng di động như điện thoại thơng minh và máy tính bảng
được phát triển, địi hỏi các hệ thống truyền thông không dây phát triển để đáp ứng
nhu cầu.
Năm 2010: Các tiêu chuẩn truyền thông không dây tiên tiến hơn như LTE và
5G được phát triển và triển khai trên toàn cầu để cung cấp băng thông rộng hơn và
tốc độ truyền thông nhanh hơn.

1.1.2. Mô hình truyền thơng vơ tuyến cơ bản

Hình 2.1: Mơ hình truyền thơng vơ tuyến cơ bản

Hình 1.1 trình bày mơ hình truyền thơng vơ tuyến cơ bản gồm 03 thành phần,
trong đó thơng tin được truyền tải từ nguồn tin (Source) tới đích (Destination) thơng
qua một kênh truyền vơ tuyến (Channel). Các tín hiệu đầu vào (Video, âm thanh, hình
ảnh, văn bản…) sẽ được tiền xử lý trước khi truyền đi tại các bước mã hóa và điều
chế tín hiệu. Tín hiệu nhận được sau khi truyền sẽ thực hiện các bước ngược lại để
giải mã và thu về dữ liệu gốc ban đầu.
So với kênh truyền hữu tuyến, kênh truyền vơ tuyến có một số đặc điểm nổi
bật và cũng là ưu điểm chính như sau:
Tính linh động và sự tiện lợi: Người dùng có thể kết nối với bất kỳ nơi nào
trong vùng phủ sóng của kênh truyền, cả khi đang di chuyển, tín hiệu vẫn có thể được
duy trì đảm bảo mà khơng cần phải sử dụng dây cáp, có thể truyền được ở nhiều mơi

trường, khu vực địa hình phức tạp…Thiết bị hỗ trợ thu phát ngày càng được phát
triển, đa dạng và được sử dụng rộng rãi.


3

Dễ triển khai và mở rộng: So với mạng hữu tuyến, việc mở rộng mạng lưới
vô tuyến dễ, nhanh và thuận lợi hơn so. Đồng thời, chi phí để triển khai mở rộng và
lắp đặt thiết bị cũng tương đối thấp hơn.
Tuy nhiên, mạng hữu tuyến ngày nay vẫn còn đang được duy trì và cải tiến là
do mạng vơ tuyến cũng có nhiều nhược điểm:
Độ ổn định: Do mạng vô tuyến truyền trong không gian tự do nên chịu nhiều
ảnh hưởng bởi yếu tố địa hình cũng như sự thay đổi của mơi trường. Nhiễu là tác
nhân chính gây ra suy giảm tín hiệu cũng như độ tin cậy của dữ liệu và chất lượng
mạng.
Dung lượng kênh truyền: Băng thông và tốc độ của mạng vô tuyến vẫn thấp
hơn so với mạng hữu tuyến.
An tồn bảo mật: do tính chất truyền tin trong mơi trường mở, nên có nhiều
nguy cơ mất an tồn thơng tin hơn.
Vì những đặc trưng trên, hiện nay các mơ hình mạng vẫn là có sự kết hợp và
cải tiến từ mạng hữu tuyến và vơ tuyến.

1.2.

Kênh truyền vơ tuyến

Hình 2.2: Fading đa đường

Thiết bị phát vô tuyến sẽ điều chế dữ liệu số thành tín hiệu analog để gửi đi trên
kênh vơ tuyến. Do bản chất là sóng điện từ, tín hiệu bị suy hao (path-loss), bị phản

xạ (Reflection), nhiễu xạ (Diffraction) hoặc tán xạ (Scatering) khi gặp vật cản. Như
được mô tả trong Hình 1.2, thiết bị phát là một trạm gốc (BS: Base Station) muốn gửi


4

tín hiệu chứa dữ liệu đến thiết bị thu là một thiết bị điện thoại di động (MU: Mobile
User). Tín hiệu đi theo nhiều đường khác nhau từ BS đến MU. Đầu tiên là đường
nhìn thẳng giữa BS và MU hay còn gọi là LOS (Line of Sight), tiếp đến là các đường
phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Bởi vì các tín hiệu có đường đi khác nhau nên thời gian
chúng đến MU cũng khác nhau. Sự cộng dồn các tín hiệu này tại MU làm cho biên
độ của tín hiệu nhận được tại MU thay đổi theo thời gian. Hiện tượng này cịn gọi là
fading kênh truyền.

Hình 2.3: Kênh truyền fading Rayleigh

Như mơ tả trong Hình 1.3, cơng suất nhận được tại một thiết bị thu biến thiên
theo thời gian bởi vì biên độ của tín hiệu thay đổi bởi hiện tượng fading kênh truyền.
Mặc dù biên độ của tín hiệu lúc tăng lúc giảm, tuy nhiên hiện tượng này có thể gây
ra sự mất liên lạc khơng dự báo trước.
Đề án tốt nghiệp này sẽ nghiên cứu về kênh fading Rayleigh. Đặc tính của
kênh fading Rayleigh là fading đa đường như đã mô tả ở trên. Một điểm đặc biệt nữa
là kênh fading Rayleigh khơng có đường truyền LOS giữa thiết bị phát và thiết bị thu.
Kênh fading Rayleigh là kênh truyền phổ biến trong môi trường có nhiều vật cản nên
thiết bị phát và thiết bị thu bị che khuất bởi các vật cản.


5

1.2.1. Mơ hình truyền tín hiệu

hSD

S

D

Hình 2.4: Sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh

Hình 1.4 miêu tả sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh giữa nguồn S và
đích D. Tín hiệu nhận được tại nút đích D là
yD = PS hSD x + nD .

(1.1)

Trong công thức (1.1), x là tín hiệu chứa dữ liệu của nút nguồn S, PS ký hiệu
công suất phát của nút nguồn S, hSD là hệ số kênh fading Rayleigh giữa nút nguồn S
và nút đích D, nD là nhiễu Gauss trắng cộng tính (AWGN: Additive White Gaussian
Noise) tại nút đích D.
Nhiều AWGN nD được biểu diễn bằng biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss
với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là  02 , với hàm mật độ xác suất (PDF:
Probability Density Function) là:
f nD ( x ) =

1
2 02

−

e

x2
2 N0

=

 x2 
exp  − 2  ,
2 02
 2 0 
1

(1.2)

trong đó, exp(.) là ký hiệu của hàm mũ cơ số tự nhiên: exp ( a ) = ea .
Đối với hệ số kênh truyền fading hSD , đây cũng là một biến ngẫu nhiên và biên
độ | hSD | có phân phối Rayleigh với hàm mật độ xác suất là:
 x2 
f|hSD| ( x ) = 2 exp  − 2  , x  0

 2 
x

(1.3)

Hơn nữa, biên độ bình phương của hSD , cịn được gọi là độ lợi kênh | hSD |2 , sẽ
có phân phối mũ và hàm mật độ xác suất của | hSD |2 là (xem tài liệu [1]):


6

f|h

2
SD |

( x) =

 x 
exp  − 2  .
2
 2 
1

2

(1.4)

Do đó, hàm phân phối tích lũy (CDF: Cummulative Distribution Function) của
| hSD |2 được đưa ra như sau:
F|h

2
SD |

với  =

1
2 2

( x ) = 1 − exp  −

x 
2 
 2 
= 1 − exp ( − x ) ,

(1.5)

.

Trở lại với công thức (1.1), tỷ số SNR (Signal-to-noise ratio) tức thời đạt được
tại nút đích D được tính như sau:

 SD =

PS | hSD |2

 02

.

(1.6)

Tỷ số SNR trong công thức (1.6) được gọi là tỷ số SNR tức thời bởi vì tỷ số
này thay đổi theo thời gian. Tiếp đến, dung lượng kênh tức thời trên 01 đơn vị băng
thông (BW = 1) được viết như sau:
CSD

 PS | hSD |2 

= log 2 (1 +  SD ) = log 2 1 +
.
 02 


(1.7)

1.2.2. Hiệu năng mạng vô tuyến
Các hiệu năng mạng vơ tuyến có thể kể đến như xác suất dừng (OP: Outage
Probability), tỷ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate), dung lượng kênh trung bình (EC:
Ergodic Capacity). Trong đề án tốt nghiệp này, Học viên nghiên cứu hiệu năng xác
suất dừng, đó là xác suất mà dung lượng kênh CSD nhỏ hơn một ngưỡng cho trước,
ký hiệu C th . Sử dụng cơng thức (1.7), ta có xác suất dừng của đường truyền từ nguồn
S đến đích D như sau:


7

OP = Pr ( CD  Cth )

2Cth − 1 
2
= Pr  | hSD | 
.
PS /  02 


(1.8)

Ngược lại, nếu CD  Cth , giả sử nút đích D có thể giải mã thành cơng tín hiệu

nhận được từ nút nguồn S, và xác suất giải mã dữ liệu thành công là: 1-OP.
Công thức (1.8) cũng cho thấy xác suất dừng chính là xác suất mà độ lợi kênh
giữa nút nguồn S và nút đích D nhỏ hơn một ngưỡng xác định trước.
Thay công thức (1.5) vào cơng thức (1.8), ta có:

(

) .

  2Cth − 1
 2Cth − 1 
OP = F|h |2 
= 1 − exp  −
2 
SD

P
/

PS /  02
 S 0





(1.9)

1.2.3. Mô phỏng Monte Carlo
Mô phỏng Monte Carlo là một phương pháp tính tốn và mơ phỏng sử dụng các

số ngẫu nhiên để xấp xỉ giá trị hoặc đánh giá xác suất của một vấn đề. Phương pháp
này dựa trên việc tạo ra các giá trị ngẫu nhiên và áp dụng chúng vào mơ hình để xác
định kết quả mong đợi.
Phương pháp Monte Carlo thường được sử dụng để giải quyết các bài tốn có
tính ngẫu nhiên và khơng thể được giải bằng các phương pháp truyền thống. Các bước
cơ bản trong q trình mơ phỏng Monte Carlo gồm:
- Xác định mơ hình: Xác định mơ hình tốn học hoặc mơ tả các quy trình và quy
tắc của vấn đề cần giải quyết.
- Tạo dữ liệu ngẫu nhiên: Tạo ra một tập hợp các giá trị ngẫu nhiên theo một phân
phối xác định.
- Thực hiện mô phỏng: Áp dụng dữ liệu ngẫu nhiên vào mơ hình để tính tốn giá
trị hoặc đánh giá kết quả mong đợi. Quá trình này thường được lặp lại nhiều lần để tạo
ra một tập hợp lớn các kết quả mô phỏng.


8

- Xác định kết quả: Từ tập hợp các kết quả mơ phỏng, chúng ta có thể tính tốn
giá trị trung bình, phương s , tỷ lệ xác suất, hoặc các ước lượng khác để đưa ra kết luận
về vấn đề ban đầu.
Phương pháp Monte Carlo thường được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như tài
chính, vật lý, kỹ thuật, y học, xử lý ảnh và nhiều ứng dụng khác. Nó cung cấp một cách
tiếp cận linh hoạt và hiệu quả để xác định các kết quả không chắc chắn và giải quyết
các bài tốn phức tạp.
Ví dụ để kiểm chứng tính chính xác của biểu thức xác suất dừng được đưa ra
trong công thức (1.9), mô phỏng Monte Carlo được áp dụng để mô phỏng kênh truyền
fading Rayleigh. Phần mềm MATLAB [2] hỗ trợ hàm tạo ra biến ngẫu nhiên, sử dụng
cấu trúc sau:

h = 1/sqrt(2* )*(randn(1,1) + j*randn(1,1));

(1.10)

Trong công thức (1.10), randn(1,1) là hàm MATLAB tạo ra biến ngẫu nhiên
có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng 1.

1.3.

Tổng quan về mạng chuyển tiếp
Chuyển tiếp nhằm mục đích để mở rộng vùng phủ sóng khi một nút nguồn

khơng thể truyền dữ liệu đến một nút đích do khoảng cách xa giữa nguồn và đích. Vì
thế nút nguồn cần sự trợ giúp của các nút chuyển tiếp nằm giữa nguồn và đích. Trong
một số trường hợp, chuyển tiếp được sử dụng khi kênh truyền giữa nút nguồn và nút
đích đang xấu hoặc đang bị che chắn bởi các vật cản. Kỹ thuật chuyển tiếp được ứng
dụng rất nhiều trong các mạng thông tin vô tuyến, và được xem là một trong những
giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng dịch vụ.
Hình 1.5 là một ứng dụng của chuyển tiếp trong mạng di động tế bào. Trong
mạng này, trạm gốc BS (Base Station) đóng vai trị trung tâm trong kết nối để phục
vụ những người dùng US (User) xuất hiện trong tế bào. Tuy nhiên, những người dùng
nằm ở gần trạm gốc sẽ được phục vụ với chất lượng tốt, trong khi những người dùng
ở rìa tế bào sẽ nhận chất lượng phục vụ kém hơn. Để đạt được sự công bằng về chất
lượng dịch vụ cho tất cả các người dùng, các nhà nghiên cứu đề xuất triển khai các


9

trạm chuyển tiếp (Relay) bên trong mỗi tế bào. Các trạm chuyển tiếp này sẽ hỗ trợ
những người dùng cách xa trạm gốc, và như vậy nâng cao được chất lượng dịch vụ
cho những người dùng này.

Hình 2.5: Ứng dụng chuyển tiếp trong mạng thông tin di động

Khác với mạng thông tin di động tế bào, mạng cảm biến vô tuyến (WSN:
Wireless Sensor Networks), các mạng adhoc, có thể tự tổ chức mà không cần sự hỗ
trợ của cơ sở hạ tầng (hoặc chỉ hỗ trợ một phần). Như trong Hình 1.6, các thiết bị cảm
biến có thể tự giao tiếp với nhau và giúp đỡ nhau truyền dữ liệu đến nơi mong muốn.
Ví dụ, một nút cảm biến sau khi thu thập các thông tin về môi trường, sẽ gửi dữ liệu
về một trạm thu thập dữ liệu (Sink). Do nút cảm biến này ở xa nút Sink nên nó phải
nhờ các nút cảm biến khác hỗ trợ để chuyển tiếp dữ liệu về Sink. Sự chuyển tiếp dữ
liệu trong trường hợp này sử dụng chính các nút cảm biến, và khác với mơ hình trong
Hình 1.5 khi nút chuyển tiếp là các trạm chuyển tiếp được lắp đặt trong mạng. Một
cách tương tự, đối với truyền thông V2V (Vehicle-to-Vehicle) trong hệ thống xe tự
hành, các nút mạng bây giờ là những chiếc xe hơi và chúng có thể giao tiếp với nhau,
và hỗ trợ nhau chuyển tiếp thông tin.


10

Hình 2.6: Ứng dụng chuyển tiếp trong mạng cảm biến vơ tuyến

Hình 1.7 vẽ mơ hình chuyển tiếp cơ bản gồm 02 chặng và 03 nút: nút nguồn S,
nút đích D và nút chuyển tiếp R. Nút nguồn S có thể là trạm BS, nút đích D là người
dùng US và nút chuyển tiếp R là Relay, như trong Hình 1.5.

S

hSR

R

hRD

D

Hình 2.7: Mơ hình chuyển tiếp cơ bản

Giả sử nguồn S khơng thể trực tiếp gửi dữ liệu đến đích D do khoảng cách xa
hoặc do bị che khuất bởi vật cản. Đầu tiên, nguồn S sẽ truyền dữ liệu đến nút chuyển
tiếp R, sau đó, nút chuyển tiếp R sẽ xử lý dữ liệu nhận được và chuyển tiếp dữ liệu
về đích D. Sử dụng cơng thức (1.6), ta có thể đưa ra các cơng thức tính tỷ số SNR tức
thời giữa S và R, và giữa R và D lần lượt là:

 SR =

PS | hSR |2

,

(1.10)

 RD =

PR | hRD |2

.

(1.11)

 02

 02

Có hai kỹ thuật chuyển tiếp cơ bản đó là giải mã chuyển tiếp DF (Decode and
forward) và khuếch đại chuyển tiếp AF (Amplify and Forward).


11

Hình 2.8: Giải mã và chuyển tiếp (DF)

Trong kỹ thuật DF [3], [4], [5], nút chuyển tiếp R sẽ phải giải mã tín hiệu nhận
được từ nguồn S (xem Hình 1.8). Sau đó, nút R tiến hành mã hóa lại và thực hiện điều
chế để gửi tín hiệu chứa dữ liệu của S đến nút đích D. Tuy nhiên, nếu nút R giải mã
không thành công dữ liệu nhận được từ nguồn S thì nút R sẽ khơng chuyển tiếp dữ
liệu đến đích D. Do đó, tỷ số SNR từ nguồn đến đích hay cịn gọi là tỷ số SNR tồn
trình (e2e: from end to end) được đưa ra bằng công thức sau:
DF
 e2e
= min ( SR , RD ) .

(1.12)

Hàm “min” trong cơng thức (1.12) có nghĩa rằng chặng nào kém hơn sẽ quyết
định toàn bộ hiệu năng của tồn trình. Giả sử kênh truyền giữa nguồn S và nút chuyển
tiếp R là rất tốt ( SR rất lớn) nhưng kênh truyền giữa nút chuyển tiếp R và nút đích D
là rất xấu ( RD rất thấp). Trong trường hợp này, dữ liệu truyền từ S đến R luôn thành
công, tuy nhiên dữ liệu truyền từ R đến D khơng thành cơng. Do đó, đích D khơng
nhận được dữ liệu từ nguồn S.
Trong kỹ thuật AF [6], [7], nút R chỉ cần khuếch đại tín hiệu nhận được từ nguồn

S, rồi chuyển tiếp tín hiệu đã khuếch đại đến đích D (xem Hình 1.9). Như đã chứng
minh trong [8], tỷ số SNR tồn trình được tính bằng biểu thức sau:
AF
 e2e
=

 SR RD
.
 SR +  RD + 1

(1.13)


12

Hình 2.9: Khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

So sánh giữa DF và AF: kỹ thuật chuyển tiếp DF phức tạp hơn AF do yêu cầu
nút chuyển tiếp R phải giải mã tín hiệu nhận được từ nguồn. Hoạt động giải mã và
mã hóa lại cũng tiêu tốn nhiều thời gian và năng lượng hơn. Tuy nhiên, kỹ thuật DF
đạt được tỷ số SNR tồn trình cao hơn AF. Ngun nhân là vì trong q trình khuếch
đại tín hiệu nhận được từ nguồn S, nút chuyển tiếp R đồng thời cũng khuếch đại
nhiễu. Do đó, nhiễu sẽ được tích lũy tại nút đích D và vì thế tỷ số SNR tồn trình thấp
DF
AF
hơn kỹ thuật DF. Từ các cơng thức (1.12) và (1.13), ta có thể chứng minh  e2e
  e2e

như sau:

 SR RD
 
 SR RD
 SR +  RD + 1  SR +  RD
 SR RD
DF

= min ( SR , RD ) =  e2e
.
max ( SR , RD )

AF
 e2e
=

(1.14)

Bởi vì sự truyền dữ liệu thực hiện trên hai khe thời gian trực giao, nên dung
lượng kênh tức thời tồn trình đạt được trong kỹ thuật DF và AF lần lượt được viết
ra như sau:
1
1
DF
DF
AF
AF
Ce2e
= log 2 (1 +  e2e
, Ce2e
= log 2 (1 +  e2e

)
).
2
2

(1.15)

Chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relaying)
Xét trường hợp tổng quát , nút nguồn T0 gửi dữ liệu đến nút đích TK thơng
qua một tuyến có K chặng như trong Hình 1.10. Các nút chuyển tiếp trung gian được


13

ký hiệu là T1 , T2 , …, TK −1 . Trong trường hợp K = 2 , ta có mơ hình chuyển tiếp hai
chặng như trong Hình 1.9.

T0

hT0T1

hT1T2

T1

T2

TK −1

hTK −1TK

TK

Hình 2.10: Chuyển tiếp đa chặng

Tương tự như chuyển tiếp hai chặng, các nút chuyển tiếp T1 , T2 , …, TK −1 có
thể sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp DF hoặc AF tại mỗi chặng. Trong kỹ thuật DF, tỷ
số SNR tồn trình trong chuyển tiếp đa chặng sẽ là:
DF
 e2e
= min ( T

k −1Tk

k =1,2,..., K

),

(1.16)

với  Tk −1Tk là tỷ số SNR tức thời đạt được ở chặng thứ k:

T

k −1Tk

=

PTk −1 | hTk −1Tk |2

 02

(1.17)

.

Trong kỹ thuật AF, tỷ số SNR tồn trình trong mơ hình chuyển tiếp đa chặng sẽ
được tính như sau (xem chứng minh trong tài liệu [9]):
K



AF
e2e

=


k =1

 (1 + 
K

k =1

Tk −1Tk

Tk −1Tk

) − 

k =1

(1.18)

.

K

Tk −1Tk

Do số chặng giữa nguồn và đích là K nên dung lượng kênh tồn trình tức thời
trong các mơ hình DF và AF sẽ lần lượt là:

AF
e2e

C

(

(

))

1
1
DF
log 2 (1 +  e2e
= log 2 1 + min  Tk −1Tk
)

k =1,2,..., K
K
K
K

 Tk −1Tk


1
1
AF
k =1
= log 2 (1 +  e2e ) = log 2 1 + K
K
K
K

1
+

−
 Tk −1Tk

Tk −1Tk
 
k =1
k =1


DF

Ce2e
=

(

)



.




(1.19)