nghiên cứu kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ trong hệ thống truyền thông hợp tác

Lời cam đoan

i

Lời cam đoan
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ
án hoặc công trình đã có từ trước. Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷ luật của
Khoa.
Sinh viên thực hiện



Phân chia công việc trong nhóm

ii

Phân chia công việc trong nhóm

Nhóm đồ án: 1/ ……………………….
2/ ……………………….

Sinh Viên
Chương





Chương 1
-Tổng quan về truyền thông
hợp tác (khác với sinh viên

Nguyễn Thế Tín)
-Tổng quan về truyền thông
hợp tác (khác với sinh viên
Nguyễn Thanh Nhàn)

Chương 2
-Nghiên cứu phần phân loại
các kỹ thuật phân tập kết hợp.
- Nghiên cứu phần các kỹ
thuật phân tập kết hợp thường
sử dụng trong truyền thông
hợp tác.

Chương 3
- Nghiên cứu phần hiệu năng
của hệ thống SR và hệ thống
IRSR.
- Nghiên cứu hiệu năng của
kỹ thuật DSSC trong hệ thống
SR.

Chương 4

2 Sinh viên cùng thực hiện.

Mục lục

iii

Mục lục

Lời cam đoan i
Phân chia công việc trong nhóm ii
Mục lục iii
Các từ viết tắt vi
Lời nói đầu viii
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 1
1.1 Giới thiệu chương 1
1.2 Tổng quan về truyền thông hợp tác (Cooperative Communication) 1
1.2.1 Nhu cầu phát triển của truyền thông vô tuyến 1
1.2.2 Kỹ thuật MIMO – Multi Input Multi Output 2
1.2.3 Truyền thông hợp tác – Cooperative Communication 3
1.3 Mô hình kênh chuyển tiếp và các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp 5
1.3.1 Mô hình kênh chuyển tiếp và ứng dụng trong truyền thông hợp tác 5
1.3.2 Các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp 8
1.3.2.1 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward: DF) 8
1.3.2.2 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward: AF) 10
1.3.2.3 Các kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi 12
1.3.2.4 Hợp tác mã hóa (Coded Cooperative: CC) 14
1.4 Ưu nhược điểm của truyền thông hợp tác 16
1.4.1 Ưu điểm 16
1.4.2 Nhược điểm 17
1.5 Kết luận chương 18
Chương 2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP KẾT HỢP 19
2.1 Giới thiệu chương 19
2.2 Kỹ thuật phân tập kết hợp 19
2.3 Phân loại các kỹ thuật phân tập kết hợp 20
Mục lục

iv

2.3.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC) 20
2.3.2 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp (Switched Combining) 21
2.3.3 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC) 22
2.3.4 Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining: EGC) 23
2.3.5 Một số dạng kỹ thuật phân tập kết hợp “lai ghép” khác 23
2.4 Các kỹ thuật phân tập kết hợp thường sử dụng trong hệ thống truyền thông hợp tác
23
2.4.1 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa phân bố (Distributed Maximal Ratio Coombining:
DMRC) 24
2.4.2 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn phân bố (Distributed SelectionCombining: DSC) 25
2.4.3 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ (Distributed Switch-and-Stay Combining:
DSSC) 27
2.5 Nhận xét sơ lược về các kỹ thuật phân tập kết hợp ứng dụng trong truyền thông hợp
tác 27
2.6 Kết luận chương 28
Chương 3: KỸ THUẬT KẾT HỢP CHUYỂN TIẾP VÀ GIỮ TRONG HỆ THỐNG
TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 29
3.1 Giới thiệu chương 29
3.2 Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp (Switched Combining) 29
3.3 Kỹ thuật SSC trong hệ thống truyền thông hợp tác 30
3.4 Mô hình cơ bản và nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật DSSC 31
3.4.1. Điều kiện xảy ra quá trình chuyển nhánh thu 31
3.4.2. Xác suất được lựa chọn của mỗi nhánh thu 32
3.4.3. Hiệu năng của hệ thống sử dụng kỹ thuật DSSC 34
3.4.3.1 Xác suất lỗi bit 34
3.4.3.2 Xác suất dừng 35
3.4.3.3 Hiệu suất sử dụng phổ 35
3.5 Ứng dụng kỹ thuật DSSC vào hệ thống lựa chọn chuyển tiếp 36
Mục lục

v

3.5.1 Hiệu năng của hệ thống Selection relaying network-SR (mạng lựa chon chuyển
tiếp) 37
3.5.2 Mô hình hệ thống 37
3.5.3 Đánh giá hiệu năng 40
3.5.3.1 Kỹ thuật DSSC cho hệ thống SR 42
3.5.3.2 Kỹ thuật truyền gia tăng cho hệ thông SR 47
3.6 Kết luận chương 49
Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 50
4.1 Giới thiệu chương 50
4.2 Kỹ thuật DSSC ứng dụng cho hệ thống lựa chọn chuyển tiếp 50
4.3 Kết luận chương 57
Kết luận và hướng phát triển đề tài 58
Tài liệu tham khảo 59
Phụ lục A: Ý nghĩa ký hiệu 61
Phụ lục B: Một số code mô phỏng chủ yếu được sử dụng trong đồ án. 63
Các từ viết tắt

vi

Các từ viết tắt

AF Amplify-and-Forword: Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp
BEP Bit Error Probability: Xác suất lỗi bit
BER Bit Error Rate: Tỉ số lỗi bit
CC Coded Cooperative: Kỹ thuật hợp tác mã hóa
cdf Comulative Distribution Function: Hàm phân phối tích lũy
CSI Channel State Informaition: Thông tin trạng thái kênh truyền
DF Decode-and-Forword: Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp

DRPRS Dual-hop Partial Relay Selection: Hệ thống lựa chọn chuyển tiếp theo chặng
DSC Distribution Selection Combining: Kỹ thuật kết hợp lựa chọn phân bố
DSSC Distribution Switch-and-Stay Combining: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ
phân bố
IRSR Incremental Relaying for Selection Relaying network: Kỹ thuật truyền gia tăng
sử dụng cho hệ thống lựa chọn chuyển tiếp
M-QAM Multi Quadrature Amplitude Modulation: Điều chế biên độ cầu phương
nhiều mức
MIMO Multi Input Multi Output: Kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và thu
MRC Maximal Ratio Combining: Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa.
Các từ viết tắt

vii


OFDM Orthogonal Frequency Divition Multiplexing: Kỹ thuật ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao
pdf Probability Density Function: Hàm mật độ xác suất
QoS Quality Of Service: Chất lượng dịch vụ
SC Selection Combining: kỹ thuật kết hợp lựa chọn
SEC Switch and Examine Combining: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và kiểm tra
SER Symbol Error Rate: Tỉ số lỗi kí hiệu
SNR Signal-to-Noise Ratio: Tỉ sô tín hiệu trên nhiễu
SSC Switch and Stay Combining: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ
SSCSR Switch and Stay Combining for Selection relaying network: Kỹ thuật kết hợp
chuyển tiếp và giữ sử dụng cho hệ thống lựa chọn chuyển tiếp
Lời nói đầu

viii

Lời nói đầu

Truyền thông liên lạc là một nhu cầu thiết yếu của bất kì một xã hội phát triển nào.
Trong đó truyền thông vô tuyến đóng một vai trò rất quan trọng. Trong suốt 20 năm
gần đây, truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc và được dự đoán
sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa. Với sự triển khai các dịch vụ như truyền thông di
động, ứng dụng truyền hình di động…, chúng ta đang chứng kiến nhu cầu ngày càng
tăng về tộc độ dữ liệu trong hệ thống di động tế bào thế hệ thứ 3 (3G) và điều này tạo
nên xu hướng tiến lên các thế hệ tiếp theo. Công nghệ “truyền thông hợp tác” trong
những năm gần đây đã được những nhà nghiên cứu quan tâm và đã có những phương
án triển khai cho công nghệ mới mẻ này trong tương lai gần. Cùng với các công nghệ
mới như “vô tuyến thông minh”, truyền thông hợp tác sẽ là những cơ sở tốt để các nhà
sản xuất lựa chọn phương thức truyền thông cho công nghệ 5G trong tương lai.
Đồ án này sẽ đưa ra cái nhìn sơ lược về hệ thống truyền thông hợp tác, kỹ thuật
phân tập kết hợp và phần trọng tâm sẽ là đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật kết hợp “chuyển
tiếp và giữ” ứng dụng rong hệ thống truyền thông hợp tác.
Nội dung đồ án gồm có 4 chương:
 Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông hợp tác
 Chương 2: Tổng quan kỹ thuật phân tập kết hợp
 Chương 3: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ trong truyền thông hợp tác
 Chương 4: Mô phỏng và đánh giá hệ thống
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

1.1 Giới thiệu chương
Chương đầu tiên của đồ án này sẽ đưa ra cái nhìn tổng quát về các khái niệm
“truyền thông hợp tác”, “nút chuyển tiếp relay”, “kênh chuyển tiếp”, cũng như các giao

thức, kỹ thuật hoạt động phổ biến của nút chuyển tiếp, một số ưu nhược điểm của
truyền thông hợp tác cũng sẽ được nêu lên một cách tóm tắt.
1.2 Tổng quan về truyền thông hợp tác (Cooperative Communication)
1.2.1 Nhu cầu phát triển của truyền thông vô tuyến
Truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc trong suốt 20 năm gần
đây và được dự đoán sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa. Với sự triển khai các dịch vụ
như truyền thông di động, ứng dụng truyền hình di động… Chúng ta đang chứng kiến
nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ dữ liệu trong hệ thống di động tế bào thế hệ thứ 3
(3G) và điều này tạo nên xu hướng tiến lên các thế hệ tiếp theo.
Mặt khác, hiệu năng truyền dẫn của các dịch vụ có nhu cầu về băng thông kể trên
phải đối mặt với những hạn chế cơ bản do sự suy yếu tín hiệu gây ra bởi kênh truyền
vô tuyến. Đặc biệt, khi tín hiệu đi từ phía phát đến phía thu, sự truyền sóng điện từ phải
chịu ảnh hưởng của các yếu tố như phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Thêm vào đó, truyền
đa đường gây nên những sự thăng giáng nhanh chóng của biên độ, pha làm trễ và
thường dẫn đến hiện tượng fading. Những sự suy yếu trên có thể bù đắp bằng nhiều
cách như tăng công suất phát, mở rộng băng thông hay sử dụng các loại mã hóa sửa sai
ECC (Error Control Coding). Tuy nhiên, công suất và băng thông là những tài nguyên
vô tuyến có giới hạn và khá “đắt đỏ”. Trong khi đó, việc sử dụng các loại mã hóa sửa
sai sẽ làm hạn chế tốc độ truyền dẫn. Vì thế, việc có được một luồng truyền dữ liệu tốc
độ cao và đáng tin cậy qua những kênh truyền vô tuyến nhạy với lỗi là một thách thức
lớn đối với việc thiết kế các hệ thống vô tuyến.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 2

Đạt được tốc độ truyền cao hơn, độ tin cậy truyền dẫn cao hơn, đó là hai nhu cầu
chính trong sự phát triển của truyền thông vô tuyến. Có thể đạt được hai yếu tố trên mà
không cần phải nâng công suất truyền hay băng thông cần thiết, đó là nhờ áp dụng độ
lợi phân tập (diversity gain) và độ lợi ghép kênh (multiplexing gain) bằng cách sử dụng
các kỹ thuật phân tập như thời gian, tần số, không gian… Trong đó, phân tập không

gian có thể đạt được cả độ lợi phân tập và ghép kênh. Ứng dụng tiêu biểu chính là kỹ
thuật MIMO.
1.2.2 Kỹ thuật MIMO – Multi Input Multi Output
MIMO được xây dựng dựa trên chuẩn 802.11g và 802.11n của Viện kỹ thuật Điện
và Điện tử (Institute of Electrical and Electronic Engineers - IEEE), thường được sử
dụng kết hợp với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal
Frequency Division multiplexing - OFDM). Các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông
hiện đã và đang tiêu chuẩn hóa MIMO để đưa vào sử dụng trong các chuẩn của mạng
3G như HSDPA (High Speed Downlink Packet Access).
Với hệ thống MIMO, nhiều anten được sử dụng tại hai đầu thu phát của đường
truyền vô tuyến, có thể nâng cao đáng kể tốc độ dữ liệu và độ tin cậy của mạng vô
tuyến. Việc sử dụng nhiều anten thu ở phía phát và thu cho phép tín hiệu truyền có thể
đi theo các đường truyền độc lập nhau. Do đó, nhiều bản sao của cùng một tín hiệu sẽ
cùng đến phía thu. Các phiên bản này sẽ được kết hợp để xác định tín hiệu nguyên thủy
đã truyền đi và góp phần chống lại ảnh hưởng của fading. Khác với phân tập thời gian
hay tần số, hiệu suất sử dụng băng thông không bị ảnh hưởng, năng lượng được chia sẻ
trên các anten truyền. Dung lượng hệ thống được cải thiện bằng độ lợi ghép kênh
không gian.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 3


Hình 1.1: Hệ thống MIMO
Mặt dù MIMO có những lợi ích to lớn như trên, những sẽ là rất khó khăn khi triển
khai kỹ thuật này trên các thiết bị di động cầm tay. Do kích thước giới hạn của những
thiết bị này (chúng ta biết răng để đạt được phân tập không gian giữa các anten phải có
một khoản cách tối thiểu nhất định để đảm bảo tính độc lập giữa các kênh truyền.
khoảng cách này càng lớn nếu sử dụng tần số nhỏ và trong môi trường chịu ảnh hưởng
nghiêm trọng của tán sắc). Ngoài ra còn các vấn đề về chi phí và sự phức tạp về phần

cứng. vì vậy việc triển khai nhiều anten trên chúng là bất khả thi và không có tính thực
tiễn.
1.2.3 Truyền thông hợp tác – Cooperative Communication
Ta biết rằng, mỗi thiết bị di động thường chỉ có một anten và vì thế không thể riêng
rẽ tạo thành phân tập không gian. Tuy vậy, nếu giả sử một thiết bị di động có thể nhận
dữ liệu từ các thiết bị di động khác, và truyền dữ liệu đó cùng với dữ liệu của chính bản
thân nó. Và bởi kênh truyền fading đối với các thiết bị di động khác nhau là độc lập
thống kê với nhau, nên việc đạt được phân tập không gian là hoàn toàn khả thi. Việc
truyền đi nhiều tín hiệu sẽ góp phần tạo nên phân tập, góp phần chống lại ảnh hưởng
của fading.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 4

Đó chính là ý tưởng chính của khái niệm truyền thông hợp tác (Cooperative
Communication), tạo nên phân tập không gian bằng một phương thức mới hay còn gọi
là hệ thống các anten phân tập không gian “ảo” (hay hệ thống MIMO ảo). Có nghĩa là
các thiết bị di động chỉ có một anten, nhưng chúng có thể “chia sẻ” anten của mình với
các thiết bị khác để tạo thành hệ thống anten phân tập không gian. Khi đó, dữ liệu của
mỗi người dùng (user) được truyền không chỉ bởi chính thiết bị của người đó mà còn
được truyền bởi những thiết bị di động khác. Vì thế đương nhiên là trên quan điểm
thống kê thì việc nhận diện tín hiệu truyền đi ở phía thu sẽ trở nên đáng tin cậy hơn. Và
quan trọng là nếu so với MIMO truyền thông hợp tác không cần phải quan tâm đến vấn
đề tích hợp nhiều anten vào các thiết bị di động, vốn là một vấn đề đòi hỏi chi phí, kích
thước thiết bị và sự phức tạp về công nghệ và phần cứng. Nhờ vậy, các ứng dụng của
truyền thông hợp tác vào các mạng vô tuyến như mạng thông tin di động [2] là cực kì
hứa hẹn.


Hình 1.2: Truyền thông hợp tác

Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 5

1.3 Mô hình kênh chuyển tiếp và các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp
1.3.1 Mô hình kênh chuyển tiếp và ứng dụng trong truyền thông hợp tác

Hình 1.3: Mô hình kênh chuyển tiếp ba đầu cuối.
Được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1971 bởi Van der Meulen, kênh chuyển tiếp
(relay channel) và các đầu cuối của nó là những cơ sở của việc nghiên cứu về truyền
thông hợp tác. Kênh chuyển tiếp cổ điển là một kênh truyền thông với ba đầu cuối. Đặc
điểm dễ nhận ra của kênh chuyển tiếp là sự xuất hiện của thành phần đầu cuối gọi là
nút chuyển tiếp (node relay). Với vai trò tiếp nhận, xử lý và truyền đi các tín hiệu mang
thông tin để cải thiện hiệu năng của hệ thống. Đối với mô hình kênh chuyển tiếp cổ
điển, nút chuyển tiếp chỉ đơn thuần có nhiệm vụ duy nhất là trợ giúp cho đường truyền
trực tiếp giữa nút nguồn và nút đích. Tuy nhiên, khái niệm nút chuyển tiếp trong truyền
thông hợp tác đã được mở rộng hơn:
► Đó có thể là những đầu cuối cố định, không có thông tin của riêng nó để truyền
đi (hay còn gọi là chuyển tiếp hợp tác).
► Hoặc có thể là những đầu cuối vừa có chức năng phát thông tin của chính nó,
vừa có chức năng như một đầu cuối “hợp tác” để truyền thông tin của các đầu cuối
“đối tác” của nó hay còn gọi là hợp tác người dùng (User Cooperation).
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 6

Trong hai loại hình nút chuyển tiếp trên, chuyển tiếp hợp tác có ý nghĩa thực tiễn

hơn do nút thực hiện chuyển tiếp là cố định. Vì thế, điều kiện kênh truyền giữa nó và
nút đích (Trạm gốc trong thông tin di động chẳng hạn) là tương đối ổn định hơn so với
trường hợp còn lại. Thêm vào đó, khi thực hiện chức năng chuyển tiếp thì nút chuyển
tiếp phải có các bước xử lý với các dữ liệu nhận được từ các nút khác vì thế sẽ tiêu tốn
nhiều năng lượng hơn. Và đây lại là một lợi thế của nút chuyển tiếp cố định so với nút
chuyển tiếp là một thiết bị di động. Mặt khác, nếu sử dụng hình thức hợp tác người
dung sẽ này sinh một số vấn đề phức tạp cần phải giải quyết như: tính bất thường về số
lượng, vị trí và tính cân bằng của các thuê bao di động.
Ngoài ra, dựa vào số chặng (Hop) giữa nút nguồn và nút đích ta có thể phân loại kỹ
thuật chuyển tiếp hợp tác làm hai loại: chuyển tiếp hai chặng (Two-hop relaying) và
chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relaying). Từ tên gọi trên, ta có thể thấy rõ rang về
đặc điểm của chúng.
► Chuyển tiếp hai chặng: chỉ có một nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu
người dùng về nút đích.
► Chuyển tiếp đa chặng: số nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu người
dùng về nút đích là từ hai trở lên. Do quan hệ phi tuyến giữa khoản cách và suy hao
truyền, suy hao tín hiệu có thể giảm đáng kể khi sử dụng chuyển tiếp đa chặng nếu so
với truyền trực tiếp hay chuyển tiếp 2 chặng.
Ngoài ra, có thể phân loại kỹ thuật chuyển tiếp thành: chuyển tiếp đơn hướng (One-
way Relay) và chuyển tiếp song hướng (Two-way Relay).
► Chuyển tiếp đơn hướng: hệ thống đơn giản chỉ có một nút nguồn S, nút đích D
và nút chuyển tiếp R. Do sự giới hạn về hiệu suất sử dụng phổ nên nút chuyển tiếp chỉ
có thể hoạt động ở chế độ bán song công. Nghĩa là tại một thời điểm, nút chuyển tiếp
chỉ có thể truyền hoặc nhận.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 7

► Chuyển tiếp song hướng: hệ thống này được xem xét ở [6] khi có hai nút nguồn
S1 và S2 cùng truyền đồng thời đến cho nút chuyển tiếp R ở khe thời gian truyền đầu

tiên. Ở khe thời gian truyền thứ hai, R sẽ chuyển tín hiệu nhân được đến cả S1 và S2.
Chuyển tiếp song hướng giúp giải quyết vần đề suy giảm hiệu suất sử dụng phổ khi sử
dụng nút chuyển tiếp.
Ta xét ví dụ đơn giản về trường hợp sử dụng nút chuyển tiếp là một đầu cuối cố
định: nêu hai đầu cuối (là nút nguồn và nút đích) muốn liên lạc với nhau nhưng đường
truyền giữa chúng có chất lượng thấp thì đầu cuối thứ ba sẽ được xem như là một nút
chuyển tiếp để hỗ trợ cho đường truyền trực tiếp (direct communication) giữa hai đầu
cuối kia. Nút nguồn sẽ truyền quảng bá (broadcasd) bản tin tới cho tất cả các nút đích
và nút chuyển tiếp. Còn nút chuyển tiếp sẽ xử lý theo một phương thức nhất định và
chuyển tiếp thông tin nhận được (đã qua xử lý) từ nút nguồn tới nút đích qua đường
truyền chuyển tiếp (Relaying Transmission).
Thực tế là các nút chuyển tiếp không thể thu và phát cùng lúc do sự không thể tránh
khỏi của hiệu ứng coupling giữa mạch phát và mạch thu. Điều này dẫn đến giới hạn
half-duplex, và đây chính là nguyên nhân chính mà sự truyền dẫn từ nút nguồn qua nút
chuyển tiếp đến nút đích trong truyền thông hợp tác được chia thành hai pha thời gian
truyền. Nghĩa là chúng chỉ có thể hoạt động ở chế độ bán song công, chủ yếu thực hiện
qua hai giai đoạn truyền:
► Ở giai đoạn thứ nhất, mỗi nút gửi thông tin về nút đích và đồng thời thông tin
này cũng được những người dùng khác tiếp nhận. Đây là nhờ tính chất quảng bá của
kênh vô tuyến.
► Ở giai đoạn thứ hai, các nút chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp thông tin mà nó nhận
được từ các nút khác tới nút đích.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 8

Mỗi nút có thể giải mã thông tin nhận được và chuyển tiếp đi, đây là kỹ thuật giải
mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward, viết tắt là DF). Hoặc đơn giản là khuếch đại
và truyền đi, đây là kỹ thuật khuếch đại-và-chuyển tiếp (Amplify and Forward, viết tắt
là AF). Và như vậy, truyền thông hợp tác chịu một sự suy giảm trong hiệu suất sử dụng

phổ tổng quát với hệ số ½ khi so sánh với truyền thông điểm-điểm truyền thống.
1.3.2 Các giao thức hoạt động của nút 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 kỹ thuật chuyển tiếp phổ biến thường được sử dụng
nhiều trong các hệ thống truyền thông hợp tác:
► Kỹ thuật giải mã-và-chuyển tiếp (Decode-and-Forward hay DF).
► Kỹ thuật khuếch đại-và-chuyển tiếp (Amplify and Forward hay AF).
1.3.2.1 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward: DF)
Kỹ thuật chuyển tiếp này còn được biết đến như là kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo, cơ
bản nó thực hiện những phương thức xử lý số tín hiệu. Ở mô hình này, nút chuyển tiếp
hoạt động như là một trạm lặp (repeater) thông minh và giải mã/ giải điều chế tín hiệu
nhận được từ nút nguồn ở khe thời gian truyền thứ nhất hay ở pha truyền thứ nhất. Quá
trình này sẽ loại bỏ sự hiện diện của nhiễu. Cụ thể về cách thức hoạt động của kỹ thuật
DF như sau:
► Ở pha thời gian truyền thứ nhất, nút đích dựa vào bản chất quảng bá của kênh
truyền vô tuyến để truyền bản tin đến nút nguồn và cá nút chuyển tiếp.
 Tín hiệu thu 

ở nút đích: 

=



ℎ
,
 + 
,
,

 Tín hiệu thu 

ở nút chuyển tiếp: 

=



ℎ
,
 + 
,
.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 9

► Ở pha thời gian truyền thứ hai, nút chuyển tiếp thưc hiện giải mã bản tin nhận
được từ nút nguồn. Sau đó tái giải mã và chuyển tiếp về phía nút đích. Tín hiệu thu 


ở nút đích:

,
=

ℎ
,
+ 
,

► Ở nút đích, máy thu sẽ tổng hợp các phiên bản của cùng một tín hiệu và cố gắng
xác định lại tín hiệu gốc đã được phát ra bởi nút nguồn.
► Với:
  là bản tin phát,
 

, 

là công suất phát của nút nguồn và nút chuyển tiếp,
 ℎ
,
, ℎ
,
, ℎ
,
tương ứng là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích,
nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích.
 
,
, 
,
, 
,
tương ứng là nhiễu trên các kênh truyền giữa nút nguồn và
nút đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích.
Tuy nhiên, quá trình xử lý số ở nút chuyển tiếp chịu ảnh hưởng nhiều của hiệu năng
truyền dẫn ở hướng nút nguồn – nút chuyển tiếp. Nếu mã CRC không được sử dụng
việc giải mã tín hiệu thu từ nút nguồn sẽ không đạt hiệu quả tốt nhất. Sẽ là rất khó để
nút chuyển tiếp có thể giải mã tín hiệu mà không xảy ra lỗi và lỗi sẽ được tích lũy nếu

qua nhiều chặng, ảnh hưởng hiệu năng của kỹ thuật chuyển tiếp và độ lợi phân tập.
Để giải quyết vấn đề kể trên, người ta đã xem xét giải pháp là nút chuyển tiếp chỉ
nên trợ giúp hợp tác với nút nguồn nếu nó có khả năng giải mã hoàn hảo tín hiệu mà nó
nhận được từ nút nguồn. Số lượng lỗi có thể được kiểm tra tại nút chuyển tiếp, sử dụng
mã kiểm tra CRC. Giải pháp này được gọi là giao thức DF thích nghi. Nói cách khác,
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 10

tín hiệu được truyền đến nút đích chỉ bằng những nút chuyển tiếp mà đáp ứng được yêu
cầu rằng tỉ số SNR của tín hiệu nó nhận từ nút nguồn phải đạt trên 1 ngưỡng nhất định.
Bởi vì có nhiều nút chuyển tiếp trong mạng, chỉ nên lựa chọn những nút chuyển tiếp
cho hiệu quả truyền tốt nhất.

Hình 1.4: Kỹ thuật DF
1.3.2.2 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward: AF)
Ở mô hình này nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại những gì nó nhận được từ
nút nguồn. Quá trình khuếch đại tương ứng với 1 biến đổi tuyến tính xảy ra tại nút
chuyển tiếp. AF còn được gọi là mô hình chuyển tiếp không tái tạo và cơ bản là nó
thực hiện những phương thức xử lý tương tự cho tín hiệu. Cụ thể về cách thức hoạt
động của kỹ thuật AF như sau:
► Ở pha thời gian truyền thứ nhất, nút đích dựa vào bản chất quảng bá của kênh
truyền vô tuyến để truyền bản tin đến nút nguồn và các nút chuyển tiếp.
 Tín hiệu thu 

ở nút đích: 

=




ℎ
,
 + 
,
,
 Tín hiệu thu 

ở nút chuyển tiếp: 

=



ℎ
,
 + 
,
.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 11

► Ở pha thời gian truyền thứ hai, nút chuyển tiếp thực hiện khuếch đại bản tin nhận
được từ nút nguồn (với hệ số khuếch đại G) và chuyển tiếp về phía nút đích. Tín hiệu
thu 

ở nút đích:

,

=

ℎ
,
+ 
,

► Ở nút đích máy thu sẽ tổng hợp các phiên bản của cùng một tín hiệu và cố gắng
xác định lại tín hiệu gốc đã được phát ra bởi nút nguồn.
► Với:
  là bản tin phát,
 

, 

là công suất phát của nút nguồn và nút chuyển tiếp,
 ℎ
,
, ℎ
,
, ℎ
,
tương ứng là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích,
nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích.
 
,
, 
,
, 
,

tương ứng là nhiễu trên các kênh truyền giữa nút nguồn và nút
đích, nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích.
Khi so sánh với những phương thức chuyển tiếp khác, AF là phương thức đơn giản
nhất. Tuy nhiên, AF là mô hình chịu nhiều ảnh hưởng của nhiễu truyền hơn cả . Do ở
quá trình nút chuyển tiếp thực hiện khuếch đại ngay cả nhiễu cũng được khuếch đại
theo.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 12


Hình 1.5: Kỹ thuật AF
1.3.2.3 Các kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi
Các kỹ thuật AF và DF đơn thuần được gọi là các kỹ thuật chuyển tiếp cố định
(fixed relaying). Bởi vì nút thực hiện chức năng chuyển tiếp luôn luôn tham gia vào
quá trình truyền thông hợp tác cho dù điều kiện kênh truyền có ra sao đi nữa. Thực tế
là không phải lúc nào quá trình truyền thông hợp tác cũng mang lại lợi ích. Ví dụ như
do ảnh hưởng của chế độ truyền bán song công. Tốc độ truyền dữ liệu và việc sử dụng
DOF (degree of freedom) sẽ bị giảm sút. Điều này nói lên rằng, xác định khi nào nên
sử dụng truyền thông hợp tác là một điều quan trọng.
Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng chế độ lựa chọn (Selection Mode), hoặc
chế độ truyền gia tăng (Incremental Mode) cho các nút chuyển tiếp.
► Chế độ lựa chọn: so sánh các đặc tính truyền dẫn của kênh truyền giữa nút nguồn
– nút chuyển tiếp với một ngưỡng cho trước. Chỉ khi các đặc tính kênh truyền đạt yêu
cầu (tốt hơn ngưỡng đã cho) thì mới ứng dụng truyền thông hợp tác với nút chuyển tiếp
này. Chìa khóa quan trọng của chế độ lựa chọn chính là chất lượng của kênh truyền
giữa nút nguồn – nút chuyển tiếp. Tương ứng với chế độ này, ta có:
 AF chế độ lựa chọn (SAF),
 DF chế độ lựa chọn (SDF).
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 13

Tuy vậy, chế độ lựa chọn phù hợp với mô hình DF hơn. Bởi vì chế độ lựa chọn chỉ
chú ý đến chất lượng kênh truyền giữa nút nguồn – nút chuyển tiếp. Nhưng đối với mô
hình AF, kênh truyền giữa nút nguồn – nút chuyển tiếp và nút chuyển tiếp – nút đích
đều quan trọng bởi vì nút chuyển tiếp chỉ thực hiện quá trình khuếch đại chứ không
phải giải mã.
► Chế độ chuyển tiếp gia tăng: thông tin phản hồi từ nút đích sẽ cho biết chất
lượng của đường truyền từ nút nguồn đến nút đích. Nếu chất lượng đường truyền
không tốt, nút chuyển tiếp sẽ tham gia vào quá trình truyền để hình thành quá trình
truyền hợp tác. Chìa khóa của quá trình này chính là chất lượng của kênh truyền giữa
nút nguồn và nút đích. Trong khi đó, chế độ lựa chọn chỉ chú ý đến chất lượng kênh
truyền giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp. Nhưng trong mô hình DF, lỗi sẽ bị tích lũy
và sẽ gây ảnh hưởng xấu đến hệ thống nếu kênh truyền giữa nút nguồn và nút chuyển
tiếp không được đảm bảo. Ở những mô hình cố định và ở chế độ lựa chọn, nút chuyển
tiếp lặp lại việc chuyển tiếp bản tin nhận từ nút nguồn, việc này có thể dẫn đến suy
giảm việc sử dụng DOF (Degree Of Freedom), trong khi ở chế độ truyền gia tăng,
truyền thông hợp tác chỉ được sử dụng khi cần thiết, tuy nhiên đòi hỏi phải có kênh
truyền riêng biệt cho quá trình hồi tiếp thông tin từ nút đích. Tương ứng với chế độ
này, ta có:
 AF chế độ chuyển tiếp gia tăng (IAF),
 DF chế độ chuyển tiếp gia tăng (IDF).
Tuy vậy, chế độ lựa chọn phù hợp với mô hình AF hơn.
Xét về khía cạnh độ tin cậy và hiệu năng, IAF cho kết quả tốt nhất. Về khía cạnh
phức tạp của thuật toán, AF là đơn giản nhất và có thể đạt được đầy đủ độ lợi phân tập,
SDF cũng có thể làm được như vậy nhưng nó phức tạp hơn so với AF.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 14

1.3.2.4 Hợp tác mã hóa (Coded Cooperative: CC)
Mô hình này sẽ tích hợp quá trình “hợp tác” vào quá trình mã hóa kênh. Các phần
khác nhau của những từ mã của mỗi nút được gửi đi trên những kênh fading khác nhau.
Mỗi nút thực hiện giải mã chính xác thông tin mà nó nhận được từ nút mà nó hợp tác,
sau đó thực hiện tái mã hóa rồi chuyển tiếp đi. Với những bít thông tin được truyền lặp
đi lặp lại trên những kênh truyền khác nhau thì hiệu năng của hệ thống sẽ được nâng
cao. Nếu một nút không thể thực hiện giải mã được thông tin mà nó nhận được từ nút
khác nó sẽ chuyển về chế độ không hợp tác.
Ở hình 1.6, thiết bị di động sẽ mã hóa thông tin cần truyền dùng mã CRC. Trong
suốt quá tình truyền hợp tác, các bit thông tin đã được mã hóa sẽ được chia thành 2
phần chứa các bit thông tin N1 và N2 (độ dài của từ mã nguyên thủy là N1+N2 bit) và
sử dụng 2 khe thời gian để truyền đi N1 và N2.

Hình 1.6: Kỹ thuật CC
 Ở khe thời gian truyền thứ nhất, mỗi thiết bị di động sẽ truyền đi các bít
N1 của riêng chúng và cố gắng thực hiện việc giải mã cá bít thông tin
được truyền đi bởi “đối tác” của chúng.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 15

 Nếu quá trình giải mã ở trên thành công (được kiểm tra bởi CRC), thiết bị
di động sẽ truyền đi các bit thông tin N2 của “đối tác” ở khe thời gian
truyền thứ 2. Nếu thiết bị di động không thể giải mã chính các thông tin
từ “đối tác” nó sẽ truyền đi các bit thông tin N2 của riêng nó, nghĩa là
truyền ở chế độ không hợp tác.
Nói chung, bằng cách này mỗi thiết bị di động luôn truyền đi bản tin gồm N1 + N2
bit ở 2 khe thời gian truyền. Cuối cùng, ở phía thu sẽ tiến hành giải mã khối thông tin
mà nó nhận được. Ngoài các mô hình chuyển tiếp phổ biến kể trên còn có các kỹ thuật

chuyển tiếp khác:
► Nén và chuyển tiếp (Compress-and-Forward: CF): nút chuyển tiếp sẽ thực hiệu
nén tín hiệu nhận được từ nút nguồn và chuyển tiếp về phía nút đích. Mã Wyner-Ziv
thường được dùng để tối ưu hóa việc quá trình nén (Wyner-Ziv là một dạng mã hóa
nguồn phân tán – distributed source coding).
► Hợp tác mã hóa không gian – thời gian (space-time coded Cooperative: STTC):
điểm khác biệt cơ bản giữa STTC và CC là STTC cho phép các thiết bị đầu cuối đồng
thời truyền dữ liệu trên những kênh đa truy cập của riêng nó và của “đối tác”.Trong khi
đối với kỹ thuật CC, thiết bị đầu cuối chỉ có thể truyền dữ liệu trên kênh truyền của
riêng nó.
► Hợp tác mã hóa mạng (Network-Coded Cooperative: NCC): kết hợp mã hóa
mạng (Network Coding) vào kỹ thuật CC. Mã hóa mạng là công nghê multicast, ý
tưởng cốt lõi của mã hóa mạng là một nút trung gian sẽ không còn thực hiện chức năng
lưu trữ và chuyển tiếp (store-and-forward), mà thực hiện mã hóa và chuyển tiếp thông
tin mà nó nhận được, điều này sẽ làm tăng dung lượng và độ tin cậy cho toàn mạng.
Trước đây, khái niệm này thường được dùng trong mạng hữu tuyến. Nhưng tính chất
quảng bá của kênh truyền vô tuyến rất thích hợp cho việc ứng dụng mã hóa mạng trong
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 16

mạng vô tuyến, và sự tương tác về thông tin giữa các nút vô tuyến có thể đạt được
thông tin qua mã hóa mạng. Vì vậy, việc kết hợp truyền thông hợp tác với mã hóa
mạng sẽ được cải thiện hiệu quả và hiệu năng của hệ thống truyền thông vô tuyến.
1.4 Ưu nhược điểm của truyền thông hợp tác
1.4.1 Ưu điểm
► Đạt được độ lợi phân tập kết hợp: truyền thông hợp tác khai thác phân tập không
gian và thời gian trong mạng vô tuyến để nâng cao hiệu suất của hệ thống. Lợi ích của
phân tập kết hợp có thể được liệt kê như sau:
 Giảm thiểu công suất truyền cần thiết.

 Nâng cao thông lượng
 Nâng cao độ tin cậy của truyền dẫn, nâng cao vùng phủ sóng của mạng [5].
► Cân bằng chất lượng dịch vụ QoS: đối với những hệ thống truyền thống, những
người dùng ở tại rìa vùng phủ sóng của mạng hoặc những người dùng thuộc vùng chịu
ảnh hưởng của hiện tượng shadowing sẽ phải chịu giới hạn dung lượng. Tuy nhiên,
truyền thông hợp tác có thể vượt qua được sự khác biệt về QoS và cung cấp QoS đồng
đều cho nhiều người dùng.
► Tiết kiệm cơ sở hạ tầng xây dựng mạng: truyền thông hợp tác có thể làm đơn
giản hóa việc triển khai một hệ thống khi không có đủ cơ sở hạ tầng cần thiết. Chẳng
hạn như, tại một vùng bị thiên tai, truyền thông hợp tác có thể được sử dụng cho việc
liên lạc khi mà hệ thống thông tin di động tế bào hay các hệ thống liên lạc khác không
thể hoạt động được nữa.
► Giảm thiểu chi phí: truyền thông hợp tác có thể là giải pháp giảm thiểu chi phí
xây dựng, cung cấp các dịch vụ mạng trong nhiều trường hợp. Ví dụ, trong mạng thông
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 17

tin di động tế bào, người ta đã chỉ ra rằng chi phí để cung cấp 1 mức QoS cho tất cả
người dùng sẽ được giảm thiểu nếu có sử dụng truyền thông hợp tác.
1.4.2 Nhược điểm
► Sử dụng truyền thông hợp tác sẽ tiêu tốn nhiều tài nguyên vô tuyến hơn so với
truyền trực tiếp. Cụ thể , tài nguyên vô tuyến ở đây là khe thời gian, băng tần, mã trải
hay mã không gian thời gian. Các tài nguyên này cần được chỉ định cho các lưu lượng
chuyển tiếp. Nếu không có sơ đồ phân bố năng lượng hợp lý thì đường truyền chuyển
tiếp hợp tác sẽ gây ra nhiễu, làm giảm hiệu suất của hệ thống.
► Một hệ thống truyền thông hợp tác đòi hỏi các yêu cầu cao hơn về điều khiển
truy nhập, đồng bộ, lập lịch, các biện pháp bảo mật so với các hệ thống truyền thông
truyền thống. Ngoài ra còn phải xem xét đến vấn đề truyền thông hợp tác óc thể gây
xuyên nhiễu đến đường truyền trực tiếp.

► Truyền thông hợp tác thường bao gôm bước tiếp nhận và xử lý gói tin tại nút
chuyển tiếp trước khi nó được truyền đi tiếp. Khi xét tới những dịch vụ nhạy với trễ
như thoại, những dịch vụ truyền thông đa phương tiện phổ biến hiện nay thì trễ tại các
bước xử lý ở nút chuyển tiếp rõ ràng không có lợi.
► Việc lập lịch phức tạp: trong hệ thống truyền thông hợp tác, không chỉ có lưu
lượng từ nút nguồn mà cả lưu lượng từ nút chuyển tiếp cũng cần phải được lập lịch. Vì
thế, việc lập lịch sẽ trở nên phức tạp hơn và sẽ càng phức tạp hơn nếu như có nhiều
người dùng và nhiều nút chuyển tiếp tham gia trong mạng.