KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP (AMPLIFY AND FORWARD) CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG





ĐỖ THỊ MINH QUẾ



KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP (AMPLIFY AND
FORWARD) CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG
ĐA CHẶNG


CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 60.52.02.08


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ




HÀ NỘI - NĂM 2013


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH. NGUYỄN NGỌC SAN


Phản biện 1:…………………………………………….


Phản biện 2:…………………………………………….



Luận văn sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc:….giờ… ngày….tháng….năm…



Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
1

MỞ ĐẦU

Truyền thông dữ liệu qua mạng vô tuyến là một lĩnh vực đang dần nâng cao cả về
phương diện kỹ thuật và tính ứng dụng. Đây chính là mũi nhọn trong ngành thông tin và
truyền thông ở hiện tại và trong tương lai. Tuy nhiên, việc truyền dẫn thông tin qua các kênh
vô tuyến không được đảm bảo chắc chắn bởi nhiều lý do như thời tiết, địa hình. Trong thực
tế, tín hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu theo nhiều đường khác nhau gây ra hiện

tượng thăng giáng ngẫu nhiên về biên độ, pha và góc tới của tín hiệu thu được, hiện tượng
này được gọi là fading đa đường. Ảnh hưởng của fading đa đường tới chất lượng truyền tín
hiệu là rất lớn. Vấn đề này đã nhận được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu và nhiều phương
pháp khác nhau đã được đưa ra để hạn chế ảnh hưởng của fading này như sử dụng kỹ thuật
phân tập, MIMO…Tuy nhiên, với mỗi phương pháp đều có tồn tại những khuyết điểm.
Luận văn này sẽ trình bày về một phương pháp khác để làm giảm ảnh hưởng của
fading đó là kỹ thuật truyền thông đa chặng (Multi-hop Communication), đây là một kỹ
thuật khá mới. Ý tưởng chính của kỹ thuật này là sẽ chia nhỏ đường truyền giữa node nguồn
và node đích bằng cách sử dụng các node trung gian ở giữa (relay) để chuyển tiếp tín hiệu.
Node relay ngoài nhiệm vụ chuyển tiếp tín hiệu nó còn làm nhiệm vụ khuếch đại và truyền,
giải mã và truyền…để mở rộng phạm vi phủ sóng, tăng chất lượng của hệ thống. Đây cũng
là vấn đề đáng được quan tâm và nghiên cứu.
Với lý do trên và mục tiêu cập nhật những công nghệ, kỹ thuật mới nhằm phục vụ
cho việc nghiên cứu, giảng dạy nên em đã chọn đề tài Kỹ thuật chuyển tiếp (Amplify and
Forward) của hệ thống truyền thông đa chặng để làm luận văn tốt nghiệp. Tuy nhiên, do
giới hạn về mặt thời gian và còn hạn chế về mặt kiến thức nên phạm vi đề tài chỉ nghiên cứu
về một điểm trung chuyển cố định trong mạng truyền thông đa chặng.
Phƣơng pháp nghiên cứu của luận văn
- Khảo sát các nghiên cứu, tài liệu liên quan để thu thập thông tin về cơ sở lý thuyết
liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài.
- Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật chuyển tiếp
- Xây dựng mô hình hệ thống hai chặng và đa chặng, đánh giá các tham số của hệ thống.
Luận văn có một số đóng góp nổi bật nhƣ sau:
- Nghiên cứu về mạng truyền thông đa chặng và các phương pháp chuyển tiếp tín
hiệu tại node relay
2

- Xây dựng được hai mô hình: Truyền thông hai chặng và truyền thông đa chặng.
- Tính toán hệ số khuếch đại trong từng mô hình và tốc độ có thể đạt được tối đa
trong mạng chuyển tiếp AF

- Thiết lập hệ thống mô phỏng và kết quả mô phỏng bằng số
Theo những phương hướng như trên, nội dung của luận văn được chia làm ba
chương như sau:
Chƣơng 1: Tổng quát về hệ thống truyền thông đa chặng. Trong chương này, luận
văn đã đề cập tới một số yếu tố liên quan đến chất lượng đường truyền vô tuyến và tập trung
chủ yếu vào phân tích một số mô hình truyền thông đa chặng (hai chặng, ba chặng, 4
chặng). So sánh ưu nhược điểm của phương pháp này với phương pháp truyền trực tiếp
(đơn chặng).
Chƣơng 2: Kỹ thuật chuyển tiếp của hệ thống truyền thông đa chặng. Trong chương
này luận văn đã giới thiệu về kỹ thuật chuyển tiếp, các loại chuyển tiếp, yêu cầu của node
trung gian trên đường truyền. Trong chương này, luận văn cũng đã chủ yếu tập trung vào kỹ
thuật khuếch đại và chuyển tiếp tại node relay của hệ thống truyền thông hai chặng, đa
chặng.
Chƣơng 3: Kết quả mô phỏng. Trong chương này luận văn đã thiết lập hệ thống mô
phỏng (hệ thống truyền thông 2 chặng, đa chặng). Ứng với mỗi hệ thống luận văn đã đưa ra
kết quả mô phỏng (bằng số) để chứng minh ưu điểm của phương pháp khuếch đại và chuyển
tiếp trong truyền thông đa chặng.


3

CHƢƠNG I: TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG
TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG

1.1 Giới thiệu chƣơng
Truyền dẫn đa chặng là một sự kết hợp của các liên kết truyền dẫn ngắn để có thể mở
rộng phạm vi phủ sóng của mạng bằng cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp trung gian giữa
máy phát và máy thu. Việc sử dụng truyền dẫn chuyển tiếp có nhiều ưu điểm, quan trọng
nhất là công suất phát yêu cầu của cả hai phía phát và thu. Trong chương này, luận văn sẽ
phân tích ưu và nhược điểm của mạng đa chặng so với đơn chặng và một số loại mô hình

truyền dữ liệu qua một số chặng trung gian. Ngoài ra, sẽ phân tích hiệu quả của công suất
phát khi thay đổi số chặng truyền dẫn vô tuyến từ nguồn đến đích trong môi trường không
gian tự do.
1.2 Những yếu tố liên quan đến chất lƣợng đƣờng truyền
Để đánh giá khả năng hoạt động của một hệ thống thông tin vô tuyến và mô tả chính
xác kênh truyền không dây thì phải xác định được đặc tính môi trường truyền. Sau đây là
tóm tắt những yếu tố chính có liên quan đến chất lượng đường truyền.
1.2.1 Hiện tượng fading
1.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến fađinh đa đường
1.2.3 Xác suất thống kê fađinh
1.2.4 Nhiễu giao thoa liên ký tự (ISI)
1.2.5 Phân tập
- Phân tập thời gian
- Phân tập tần số:
- Phân tập không gian
Ngoài ba phương pháp phân tập cơ bản ở trên thì một giải pháp hiệu quả là sử dụng
kỹ thuật truyền thông đa chặng. Đây là một kỹ thuật mới trong truyền thông không dây, cho
phép người dùng có thể hoạt động như một trạm chuyển tiếp hỗ trợ truyền tín hiệu đến
người khác. Máy chuyển tiếp (máy relay) cùng với máy nguồn hợp tác truyền tín hiệu đến
máy đích, tạo nên một mảng anten ảo mặc dù mỗi máy chỉ có một anten. Mảng anten ảo
này tương tự như mảng anten vật lý, có thể giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading vì cho
4

phép máy thu thu được nhiều bản sao của tín hiệu từ các đường khác nhau tương tự như khi
máy có nhiều anten.
1.3 Giới thiệu về phƣơng pháp truyền thông đa chặng
Truyền thông đa chặng là một phương pháp hiệu quả để thiết lập kết nối giữa các node
mạng khi mà truyền thông theo đường truyền trực tiếp là không khả thi hoặc do hiệu suất
của công suất không tối ưu. Trong truyền thông đa chặng, dữ liệu truyền từ nguồn tới đích
tương ứng sẽ được giúp đỡ bởi một số lượng nhất định các node trung gian. So với truyền

thông một chặng, truyền thông đa chặng được hưởng từ độ lợi kênh truyền.
Trong hệ thống này, tín hiệu từ node nguồn sẽ được truyền đến node đích thông qua
một số node trung gian (relay)

Hình 1.6 Mô hình mạng truyền thông đa chặng
Một mạng truyền thông đa chặng gồm có ba thành phần cơ bản đó là:
- Trạm gốc BS (Base Station): Có khả năng trợ giúp, giao tiếp với nhiều điểm chuyển
tiếp nên BS còn có tên là MR (multihop relay)
- Trạm chuyển tiếp RS (Relay Station): Nhận thông tin từ trạm gốc đưa tới và truyền
tới đích SS (subscriber Station)
- Trạm đích MS (Mobile Station)
1.3.1 Mô hình hệ thống truyền trực tiếp đơn chặng
Mạng vô tuyến di động hiện tại (như GSM, CDMA, và IEEE 802.16) hoạt động theo
cấu trúc liên kết điểm-đa điểm, trong đó chỉ tồn tại hai và chỉ hai loại thực thể mạng, là trạm
gốc (BS) và trạm di động (MS).

5




Hình 1.7: Mô hình truyền thông đơn chặng
Trong mô hình truyền dẫn trực tiếp (đơn chặng), ta có công suất của máy thu trong
môi trường không gian tự do như sau:

TxRx
P
D
P
2

4




















(1.3)
Trong đó

là bước sóng truyền dẫn, D là khoảng cách từ nguồn đến đích, P
Tx
là
công suất phát, P
Rx
là công suất thu. Trong quá trình truyền dẫn tín hiệu bị suy hao:














(1.4)
Từ công thức (1.4) ta có được công suất phát như sau:

RxTx
PDP
2
2
4










(1.5)
Đặt 





ta có được 




Như vậy ta có công suất phát của tuyến truyền dẫn đơn chặng như sau:






(1.6)

1.3.2 Các loại mô hình truyền dữ liệu đa chặng
Mạng chuyển tiếp đa chặng là một sự kết hợp của các liên kết ngắn để có thể phủ
sóng một khu vực rộng lớn bằng cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp trung gian giữa trạm gốc
(BS) và máy thu (MS)

Hình 1.9: Mô hình truyền dẫn qua 2 chặng, 3 chặng, 4 chặng
D
Source
Destination
d
a
=D/2
Source
Destination
d
b
=D/2
D/3
D/3
D/3
D/4
D/4
D/4
D/4
6

Với mô hình mạng hai chặng thì công suất phát được mô tả bởi biểu thức sau:

SecHopTxFirstHopTxHopTx
PPP
__2_

(1.7)

khi 






thì










(1.10)











(1.11)
Như vậy ta có công suất mạng của mạng hai chặng được mô tả bởi biểu thức sau:










(1.12)
Trong trường hợp tổng quát, khoảng cách truyền dẫn được chia thành n chặng bằng
nhau, mỗi chặng có khoảng cách là


. Từ (1.12), ta xác định được công suất cho tuyến
truyền dẫn đa chặng như sau



















 n
n
D
KPnP
RxMHTx
1;.
2
_
(1.13)
1.3.3 Đặc trưng cơ bản của phương pháp truyền đa chặng
Mạng cảm biến vô tuyến bao gồm nhiều nút trung gian, các nút trung gian này được
xem là nhỏ, giá thành thấp, độ phức tạp không cao và tiêu thụ ít năng lượng. Trong phần
này luận văn sẽ trình bày đặc tính của nút nguồn, nút trung gian của hệ thống truyền thông
đa chặng.
Hình sau là sơ đồ khối để mô tả công suất tiêu thụ của nút trung gian.


Hình 1.12: Công suất tiêu thụ của nút trung gian
Mạch điện được cung cấp một công suất là P
d
, công suất này bị tiêu tan một phần P
i

bởi tải và suy hao thuần túy trong các bộ khuếch đại. Hệ số của một bộ khuếch đại là
7








(1.15)
Trong đó 

là công suất tín hiệu nhận được từ kênh truyền đưa tới và hệ số khuếch
đại 




. Chúng ta có thể ước tính công suất cung cấp là




 










(1.16)
Từ đó ta thấy rằng G lớn hơn rất nhiều so với . Do đó công suất tiêu thụ P
c
tại nút
trung gian là: 






(1.17)
Mức nhiễu ở máy thu
Nhiễu là thành phần không thể tránh khỏi ở hệ thống truyền thông vô tuyến. Để đơn
giản hóa trong luận văn này chỉ trình bày nhiễu ở một nút. Sau đây là sơ đồ khối đơn giản
điển hình cho một nút.

Hình 1.13: Sơ đồ khối của nút chuyển tiếp trong pha đầu tiên
Đầu tiên tín hiệu cao tần nhận được từ anten được đưa vào bộ lọc và được khuếch đại
bởi bộ khuếch đại tạp âm (LNA – Low Noise Amplifier). Tín hiệu sau khi khuếch đại được
làm sạch và được đưa vào bộ trộn. Tín hiệu sau khi trộn lại được đưa vào bộ khuếch đại
trung gian (IFA – intermediate frequency amplifier)
1.4 So sánh phƣơng pháp truyền đơn chặng với phƣơng pháp truyền đa chặng.
1.4.1 Ưu điểm của mạng đa chặng
+ Giảm công suất phát :
+ Tăng dung lượng hệ thống:

+ Dịch vụ tốc độ dữ liệu cao hơn:
+ Cân bằng lưu lượng tải:
+ Giảm hiệu ứng nút cổ chai:
+ Mở rộng vùng phủ sóng của hệ thống:
8

+ Cải thiện độ tin cậy định tuyến:
1.4.2 Nhược điểm của mạng đa chặng
+ Hệ thống phức tạp:
+ Bảo mật kém:
+ Thách thức thủ tục AAA
+ Trễ
1.5 Kết luận chƣơng
Trong chương 1, chúng ta đã nghiên cứu một cách tổng quát về những yếu tố liên
quan đến chất lượng đường truyền trong môi trường truyền dẫn vô tuyến. Để khắc phục
những yếu tố trên và để đạt được những yêu cầu về thông lượng, phạm vi phủ sóng rộng
lớn, cũng như việc cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn thì trong chương 1 đã đưa ra một
phương pháp truyền thông mới đó là truyền thông đa chặng. Trong chương này cũng đã nêu
ra các đặc trưng cơ bản của phương pháp truyền thông đa chặng và đã so sánh được phương
pháp truyền thông đa chặng với phương pháp truyền trực tiếp truyền thống.
Kỹ thuật truyền thông đa chặng sử dụng nút chuyển tiếp để chia đường truyền (vùng
phủ sóng) ra thành nhiều chặng nhỏ. Kỹ thuật này có nhiều ưu điểm như: giảm công suất
phát, mở rộng vùng phủ sóng của mạng, tăng thông lượng hệ thống…Để làm rõ vấn đề này
thì một trong những yêu cầu của node trung gian trên đường truyền là khuếch đại và chuyển
tiếp. Để hiểu rõ hơn về kỹ thuật chuyển tiếp, các loại chuyển tiếp, kỹ thuật khuếch đại và
chuyển tiếp tại node trung gian trên đường truyền thì việc xây dựng mô hình truyền thông
đa chặng và tính toán các thông số là cần thiết. Vấn đề này sẽ được trình bày tiếp theo trong
chương II.
9

CHƢƠNG II: KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP CỦA HỆ THỐNG
TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG
2.1 Giới thiệu chƣơng
Thành phần quan trọng trong mạng đa chặng là nút chuyển tiếp (Relay). Để có cái nhìn
tổng quát về về kỹ thuật chuyển tiếp, tạo tiền đề cho việc phân tích hoạt động của nút
chuyển tiếp trong mạng đa chặng. Trong chương này sẽ giới thiệu khái niệm cơ bản về nút
chuyển tiếp, những phương pháp chuyển tiếp thường được sử dụng trong mạng truyền thông
đa chặng. Ngoài ra, trong chương cũng sẽ phân tích một số loại chuyển tiếp và giới thiệu hai
loại mô hình truyền thông hai chặng và đa chặng.
2.2 Giới thiệu về kỹ thuật chuyển tiếp
Với mạng truyền thông, việc tăng cường dung lượng, mở rộng phạm vi phủ sóng và
giảm chi phí vận hành là mục tiêu của các nhà quản lý mạng viễn thông. Một số kỹ thuật để
nâng cao dung lượng và mở rộng phạm vi phủ sóng đã được giới thiệu như giải pháp đa
anten, truyền dẫn đa điểm phối hợp. Kỹ thuật chuyển tiếp được giới thiệu là một công nghệ
tiên tiến đáp ứng và thỏa mãn được những yêu cầu này.
MS
Direct
link
Relay link
Access link
MS

BS
Relay


2.3 Các loại chuyển tiếp
Có hai loại chuyển tiếp được định nghĩa trong tiêu chuẩn 3GPP LTE-Advanced là
chuyển tiếp loại 1 (Type-I) và loại 2 (Type-II). Trong WiMAX, hai loại này được gọi tương
ứng là chuyển tiếp không trong suốt (Non Transparent Mode) và chuyển tiếp trong suốt

(Transparent Mode).
Hình 2.1 Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp

10

Type-I

BS
MS
MS
Relay
Relay
Type-II

Hình 2.3 Chuyển tiếp loại I và loại II
2.4 Yêu cầu của node trung gian trên đƣờng truyền
2.4.1 Khuếch đại và chuyển tiếp AF (Amplify and Forward) – Non regenerative
Relay

Hình 2.4: Phƣơng pháp chuyển tiếp Amplify and Forward
Kỹ thuật này được sử dụng trong trường hợp thời gian tính toán hoặc công suất vốn
có của trạm chuyển tiếp bị giới hạn, hay có thời gian trì hoãn. Trạm chuyển tiếp nhận được
tín hiệu đã bị suy hao và cần phải khuếch đại lên trước khi truyền tiếp.
2.4.2 Giải mã và truyền DF (Decode and Forward)- Regenerative Relay
11



Hình 2.5: Phƣơng pháp chuyển tiếp Decode and Forward
Phương pháp này dùng trong việc truyền tín hiệu số. Tín hiệu nhận được đầu tiên

được giải mã và sau đó mã hóa, vì vậy nhiễu không được khuếch đại trong tín hiệu nhận
được. (có tái tạo lại tín hiệu: transparent mode)
2.4.3 Giải mã, khuếch đại và truyền (Decode, Amplify and Forward)
Đầu tiên, nút chuyển tiếp sẽ giải mã tín hiệu nhận được từ node nguồn sau đó mã hóa
lại rồi mới thực hiện khuếch đại và truyền đến đích. Phương pháp này đơn giản và độ trễ xử
lý thấp, nhưng không thể tránh được lỗi lan truyền. Mặt khác tín hiệu được ước tính và
truyền tới đích

Hình 2.6: Phƣơng pháp Decode, Amplify and Forward
2.5 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF của hệ thống truyền thông hai chặng
Chuyển tiếp trong hệ thống không tái sinh lại được phân ra làm 2 loại là chuyển tiếp
hỗ trợ thông tin trạng thái kênh (CSI) và chuyển tiếp mờ (blind relay). Hệ thống không tái
sinh với chuyển tiếp hỗ trợ thông tin trạng thái kênh sử dụng CSI tức thời của chặng đầu
tiên để kiểm soát độ lợi được đưa ra bởi nút chuyển tiếp và khôi phục công suất truyền lại
của tín hiệu. Ngược lại, các hệ thống với chuyển tiếp mờ không cần CSI tức thời, nhưng sử
dụng bộ khuếch đại với độ lợi cố định và do đó tín hiệu có công suất thay đổi ở ngõ ra của
12

nút chuyển tiếp. Hệ thống với các loại chuyển tiếp mờ như vậy có thể không vận hành tốt
bằng các hệ thống được trang bị chuyển tiếp hỗ trợ CSI, nhưng độ phức tạp thấp và dễ dàng
triển khai khiến chúng trở nên hấp dẫn hơn từ góc nhìn thực tế.
2.5.1 Hệ thống hai chặng không hợp tác với nút chuyển tiếp cố định
2.5.1.1 Mô hình hệ thống
Tín hiệu được truyền từ node nguồn tới node đích thông qua một node chuyển tiếp
relay. Giả sử rằng tại node nguồn truyền một tín hiệu s với một công suất trung bình 

đủ
để node relay có thể nhận được, tín hiệu nhận được tại node relay có thể được viết như sau:





 

(2.1)

Hình 2.7: Mô hình hệ thống 2 chặng không hợp tác
Trong đó: n
1
là nhiễu AGWN với công suất N
01
ở đẩu ra của relay


là biên độ fading của kênh truyền từ node nguồn tới node relay, và
tuân theo hàm mật độ xác suất như sau:





















(2.2)
Với 







là công suất fading trung bình ở chặng thứ i và 

là nhiễu AWGN với
mật độ phổ công suất N
01
. Tín hiệu nhận được tại node relay sau đó được khuếch đại rồi
truyền tới node đích. Tín hiệu nhận được tại node đích được biểu diễn như sau:







 



 

(2.3)
Trong đó 

là biên độ fading của kênh giữa node relay với node đích và 

là nhiễu
AWGN với hàm mật độ phổ công suất N
02
ở đầu vào node đích. Từ biểu thức (2.3) ta được
biểu thức tức thời SNR ở node đích như sau:



























(2.4)
13

Rõ ràng từ phương trình trên cho thấy rằng việc chọn độ lợi G sẽ xác định được tỷ số
tín hiệu trên nhiễu SNR từ đầu cuối tới đầu cuối của hệ thống hai chặng.
Xét trường hợp: Node relay là loại hỗ trợ trạng thái kênh thông tin CSI
Khi đó độ lợi G là: 











(2.5)
Trong đó: 


là công suất tín hiệu phát ở ngỏ ra của nút chuyển tiếp. Việc lựa chọn độ
lợi này nhằm mục đích đảo ngược hiệu ứng fading của kênh đầu tiên, và giới hạn công suất
ngõ ra của chuyển tiếp nếu biên bộ fading của chặng đầu tiên 

là thấp. Thay (2.5) vào
(2.4) ta có được:












(2.6)
Trong đó
iii
NhE
0
2
1


, (với i = 1, 2) là SNR mỗi chặng.
Nếu chỉ xem xét hiệu suất của hệ thống không tái sinh với nút chuyển tiếp mờ thì loại

chuyển tiếp này sẽ có độ lợi cố định với tín hiệu thu mà không quan tâm đến biên độ fading
ở chặng đầu tiên.
Đặt
)(
01
2
2
NGEC 
, công thức (2.4) có thể viết lại như sau:

2
21
2





C
eq
(2.7)
Với C là hằng số của độ lợi cố định G. Hai chặng được giả định là độc lập nhưng
không nhất thiết có phân bố fading Rayleigh giống nhau.
2.5.2 Hệ thống hai chặng hợp tác với nút chuyển tiếp cố định
2.5.2.1 Mô hình hệ thống
Xét mô hình hệ thống vô tuyến hai chặng hợp tác như hình 2.8. Trạm đích (D) liên
lạc với trạm nguồn (S) thông qua nút chuyển tiếp (R). Ngoài ra, trạm đích (D) còn được
nhận tín hiệu trực tiếp từ trạm phát (S). Nút chuyển tiếp là được sử dụng là nút chuyển tiếp
AF với độ lợi cố định.
14

Hình 2.8 Mô hình hệ thống hai chặng hợp tác
Thông tin giữa trạm nguồn (S) và đích (D) liên lạc với nhau thông qua kênh chịu ảnh
hưởng bởi Rayleigh fading với hệ số h
S,D
, nút chuyển tiếp chia tuyến truyền dẫn giữa nguồn
và đích ra thành hai chặng với hệ số Rayleigh fading tương ứng là h
S,R
và h
R,D
. Với giả định
rằng, nhiễu AWGN trên 3 tuyến (S-D, S-R, R-D) có mật độ phổ công suất là N
0
và hệ số
fading (h
S,D
, h
S,R
, h
R,D
) là độc lập với nhau.
Việc truyền tín hiệu diễn ra trong 2 pha do nút chuyển tiếp không thể truyền và thu tín
hiệu đồng thời.
+ Trong pha thứ nhất, tín hiệu từ nguồn được phát quảng bá tới đích và tới relay. Tín
hiệu nhận được ở đích và relay như sau:











 

 (2.23)










 

(2.24)
Trong đó: P
1
là công suất phát tại nguồn
h
s,r
và h
s,d
là hệ số kênh giữa nút nguồn với nút chuyển tiếp, giữa nút nguồn với

nút đích và có phương sai là: 






n
s,r
và n
s,d
là nhiếu Gauss cộng sinh và có phương sai là 


+ Trong pha thứ hai: Node relay khuếch đại tín hiệu nhận được từ node nguồn và
truyền tới node đích với công suất P
2
. Tín hiệu nhận được ở node đích từ relay đưa tới là:




















 

(2.25)
Thay biểu thức trên vào ta được
























 


(2.26)
15

Với 




















 

(2.27)
Giả sử rằng 



là hai biến ngẫu nhiên độc lập và có phương sai
là:















 




Nút đích nhận được hai bản sao của tín hiệu x qua hai đường: (S – D) và (S-R-D). Có

nhiều cách khác nhau để kết hợp hai tín hiệu bản sao đó, chúng ta quan tâm tới phương pháp
MRC. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu ra của bộ kết hợp MRC là bằng tổng các tỷ số tín
hiệu nhận được trên nhiễu trên mỗi đường truyền. Giả sử rằng công suất truyền P = P
1
+ P
2
.
Trong phương thức AF thì node relay ngoài nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu từ node
nguồn đưa tới, nó còn khuếch đại cả tín hiệu nhiễu. Thành phần nhiễu trong pha 2 có
phương sai là:















 



. Với những hệ số kênh đã biết h

s,d
, h
s,r
, h
s,d
tín hiệu tại
đầu ra của bộ kết hợp MRC ở nút đích có thể được viết như sau:








(2.28)
Những hệ số kết hợp a
1
và a
2
nên được chọn sao cho kết hợp được SNR cực đại:












và 











































 (2.29)
Giả sử tín hiệu phát từ nguồn x có năng lượng trung bình là 1, SNR tại đầu ra MRC
là: 

 


Trong đó: 











(2.30)


































(2.31)
Khi đó ta được biểu thức SNR cho hai chặng là:












(2.32)
2.6 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF của hệ thống truyền thông đa chặng
2.6.1. Mô hình hệ thống
Xét hệ thống truyền thông vô tuyến như hình 2.9. Tín hiệu từ nguồn lan truyền qua n
chặng trước khi đến đích. Trong đó h
n
là biên độ fading của chặng thứ n, G
n
là độ lợi của

nút chuyển tiếp thứ n. Với mô hình này, hệ thống sử dụng loại chuyển tiếp không tái sinh.

16







Hình 2.9: Mô hình hệ thống đa chặng
Trong trường hợp trạng thái kênh thông tin CSI, tại nút chuyển tiếp có độ lợi G như sau:













(2.40)
Trong đó: 

là năng lượng tại ngõ ra của nút chuyển tiếp thứ n và N
0

là tín hiệu
nhiễu trắng Gaussian tại ngõ vào của mỗi nút chuyển tiếp.
Ta có SNR toàn hệ thống 

được cho bởi:






 




 




(2.41)
Nếu trong hệ thống sử dụng loại chuyển tiếp mờ thì










  (2.45)
Trong đó 

là hằng số, sử dụng hai phương trình trên thì biểu thức biểu thức tỷ số tín
hiệu trên nhiễu từ đầu cuối tới đầu cuối SNR ở đầu ra của node đích được viết lại như sau:














 
































(2.46)
Trong đó: 



















là SNR tức thời của chặng thứ j
2.7 Kết luận chƣơng
Trong chương này, luận văn đã đưa ra những khái niệm cơ bản về kỹ thuật chuyển
tiếp, các loại chuyển tiếp và các yêu cầu của node trung gian trên đường truyền của mạng
truyền thông đa chặng. Để phân tích được mạng truyền thông đa chặng thì dựa trên cơ sở là
mạng truyền thông hai chặng. Tuy nhiên trong chương này, luận văn chỉ trình bày về kỹ
thuật khuếch đại và chuyển tiếp trong mỗi mô hình truyền thông.
S
D
R
1
R
2
R
n-2
R
n-1

h
h
h
17

CHƢƠNG III: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

3.1 Giới thiệu chƣơng
Trong chương trước, luận văn đã trình bày kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF của
hệ thống truyền thông hai chặng và truyền thông đa chặng. Để nhìn nhận rõ ràng hơn và xác
thực một số vấn đề mà lý thuyết đã đề cập, chương này sẽ giới thiệu chương trình mô phỏng
để minh họa một cách trực quan hệ số khuếch đại của hệ thống với biểu đồ đánh giá BER so
với SNR. Thông qua phần mô phỏng để đánh giá chất lượng hệ thống hai chặng, đa chặng
với nút chuyển tiếp cố định. Việc mô phỏng được thực hiện thông qua đánh giá xác suất lỗi
bít (BER) và xác suất rớt của hệ thống hai chặng, đa chặng với các mức ngưỡng
0

khác
nhau trên kênh Rayleigh fading với phương thức điều chế BPSK. Qua đó đánh giá được sự
cải thiện BER của hệ thống hai chặng hợp tác so với đường truyền trực tiếp.
3.2 Thiết lập hệ thống mô phỏng
3.2.1 Hệ thống truyền thông hai chặng không hợp tác
3.2.2 Hệ thống truyền thông qua hai chặng hợp tác
3.2.3 Hệ thống truyền thông đa chặng
3.3 Kết quả mô phỏng (bằng số)
3.3.1 Đối với hệ thống truyền thông qua hai chặng không hợp tác
Hình 3.5 mô tả xác suất đầu ra của hệ thống hai chặng với một nút chuyển tiếp AF
hoạt động ở 2 chế độ khác nhau:
Khi nút chuyển tiếp có độ lợi cố định: 
























Khi nút chuyển tiếp có độ lợi biến thiên: 













Ở hai chế độ trên thì trong trường hợp khi nút chuyển tiếp có độ lợi biến thiên có
hiệu suất tốt hơn. Tuy nhiên khoảng cách chênh lệch về hiệu suất giữa hai chế độ trên là
không nhiều so với độ phức tạp của relay có độ lợi biến thiên. Thậm chí rằng đôi khi hệ
thống sử dụng relay có độ lợi cố định hoạt động hiệu quả hơn trường hợp relay có độ lợi
biến thiên. Điều này phụ thuộc vào hệ số relay biến thiên 



khi 

là quá nhỏ. Chú ý
rằng khi 

tăng thì phạm vi tỷ số tín hiệu trên nhiễu trung bình trong trường hợp hệ thống
có độ lợi cố định tốt hơn trong trường hợp hệ thống có độ lợi biến thiên.
18

Hình 3.6 là so sánh tỷ lệ lỗi bít trung bình của hệ thống hai chặng khi sử dụng relay
có độ lợi cố định và độ lợi biến thiên, tuy nhiên độ lênh lệch trong hai trường hợp này là
nhỏ.

Hình 3.5: Xác suất đầu ra của hệ thống hai chặng với việc sử dụng relay hoạt động ở chế độ
khác nhau

Hình 3.6: Tỷ lệ bít lỗi trung bình của hệ thống hai chặng với việc sử dụng relay hoạt động ở

chế độ khác nhau
19

3.3.2 Đối với hệ thống truyền thông qua hai chặng hợp tác
+ Đánh giá BER hệ thống hai chặng hợp tác:
Kết quả mô phỏng ở hình 3.7 cho thấy tỉ lệ lỗi bit với các giá trị khác nhau của
0

.
Kết quả cho thấy BER của hệ thống hai chặng với nút chuyển tiếp hợp tác tốt hơn so với
đường truyền trực tiếp. Khi mức ngưỡng
0

tăng tỉ lệ lỗi bít sẽ được cải thiện hơn. Sở dĩ có
được điều này là do hệ thống đạt được lợi ích từ cơ chế phân tập hợp tác. Ngoài ta, kết quả
cũng cho thấy rằng ở SNR cao hiệu năng lỗi của cơ chế chuyển tiếp hợp tác là có xu hướng
song song với đường truyền trực tiếp, điều này cho thấy hệ thống đạt được độ lợi của mảng
ăng ten ảo nhưng không có độ lợi phân tập. Nguyên nhân là do tại SNR cao, đích sẽ ít khi
cần đến sự hỗ trợ của việc truyền tín hiệu từ nút chuyển tiếp.

Hình 3.7 BER cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút chuyển tiếp AF
0 5 10 15 20 25 30
10
-7
10
-6
10
-5
10
-4

10
-3
10
-2
10
-1
10
0
Es/No(dB)
BER
BER for dual hop with Cooperative Relay


Direct Transmission
Dual-hop g
0
=2.71
Dual-hop g
0
=4.77
Dual-hop g
0
=6.92
Dual-hop g
0
=9.09
20

+ Đánh giá xác suất rớt hệ thống hai chặng hợp tác

Hình 3.8: Xác suất rớt cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút chuyển tiếp AF
3.3.3 Đối với hệ thống truyền thông đa chặng
Mô hình mô phỏng BER hệ thống đa chặng (mô hình tuyến tính) được sử dụng ở hình
(3.4). Nút chuyển tiếp được sử dụng là nút AF. Giả định các terminal là cố định, khoảng
cách từ nguồn đến đích là d. Hệ thống đa chặng sử dụng
)1( N
nút chuyển tiếp chia hệ
thống thành N chặng có khoảng cách bằng nhau
)/( Nd
.
Với hệ thống N chặng, tín hiệu sau khi qua nút chuyển tiếp đầu tiên được tiếp tục
chuyển đến nút thứ 2, và nút chuyển tiếp thứ N-1, hình thành hệ thống N chặng. Sau mỗi
nút chuyển tiếp, ta tính toán SNR và BER. Sau đó tính toán tỉ số BER sau mỗi chặng và so
sánh với đường trực tiếp.
Các kết quả mô phỏng được thực hiện với nguồn vào là 1 triệu bit ngẫu nhiên, sử dụng
điều chế BPSK, QPSK cho các kênh Rayleigh fading. Nút chuyển tiếp được sử dụng là AF.
0 5 10 15 20 25 30
10
-6
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10

0
Es/No(dB)
Pout
Pout Dual-hop Cooperative with Amplify and Forward Relay


gamma
0
=2.71
gamma
0
=4.77
gamma
0
=6.92
gamma
0
=9.09
21

+ Điều chế BPSK

Hình 3.10 BER cho hệ thống đa chặng trên kênh Rayleigh fading sử dụng phƣơng
pháp BPSK
+ Điều chế QPSK

Hình 3.11 BER cho hệ thống đa chặng trên kênh Rayleigh fading sử dụng phƣơng
pháp QPSK
0 5 10 15 20 25 30 35
10

-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
SNR per Hop
Bit Error Rate
BER for BPSK - Multihop over Rayleigh channel


2 Hops
3 Hops
4 Hops
5 Hops
6 Hops
Direct Link
0 5 10 15 20 25 30 35
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10

0
SNR per Hop
Bit Error Rate
BER - QPSK for multihop over Rayleigh channel


2 Hops
3 Hops
4 Hops
5 Hops
6 Hops
Direct Link
22

3.4 Những bàn luận (trên cơ sở kết quả)
Mô phỏng với việc bổ sung thêm nhiều chặng vào hệ thống, theo kết quả mô phỏng
trong hình (3.10) và (3.11) ta thấy rằng, với hệ thống 6 chặng với 5 nút chuyển tiếp cho
BER tốt hơn đường truyền trực tiếp. Ngoài ra, tỉ lệ BER sau mỗi chặng thêm vào là tăng so
với chặng trước đó nhưng tỉ lệ tăng không giống nhau, hay nói cách khác BER tăng sau mỗi
chặng là có hiệu ứng giảm dần. Nguyên nhân tăng BER là do hệ thống sử dụng nút chuyển
tiếp AF, nút chuyển tiếp sẽ khuếch đại tín hiệu và nhiễu từ kênh đầu tiên.
3.5 Kết luận chƣơng
Chương này đã trình bày kết quả mô phỏng đánh giá hệ thống hai chặng hợp tác và hệ
thống đa chặng mới mô hình tuyến tính sử dụng với nút chuyển tiếp AF. Kết quả mô phỏng
với cho thấy được ảnh hưởng của việc tăng số chặng lên tỉ lệ lỗi bit của hệ thống. Với hệ
thống hai chặng hợp tác, xác suất lỗi bít được cải thiện hơn so với truyền dẫn trực tiếp, nhờ
cơ chế phân tập hợp tác giữa đích và nút chuyển tiếp. Với hệ thống đa chặng không hợp tác,
BER của hệ thống đa chặng với nút chuyển tiếp là tốt hơn so với đường truyền trực tiếp.
Tuy nhiên, hiệu năng lỗi sau mỗi chặng thêm vào là tăng lên do ảnh hưởng của fading và
nhiễu. Với mô hình này. BER không tăng đều mà có hiệu ứng giảm dần sau mỗi chặng thêm

vào.

23

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu
Trong thông tin vô tuyến, kỹ thuật truyền thông đa chặng với nút chuyển tiếp là một
công nghệ mới đem lại nhiều ưu điểm và lợi ích cho ngành viễn thông trong tương lai, cụ
thể là áp dụng trong hệ thống thông tin di động 4G. Tại các khu vực rìa cell, nơi mà tín hiệu
thu được có SNR rất thấp, hệ thống mạng 4G không đáp ứng được nhu cầu truyền tải dữ
liệu tốc độ cao, trong khi đó việc sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp có thể đáp ứng được yêu cầu
về tốc độ truyền tải dữ liệu cho thuê bao tại khu vực rìa cell, mở rộng vùng phủ sóng của hệ
thống mạng 4G.
Luận văn đã phân tích khái quát những ưu nhược điểm của hệ thống đa chặng so với
đơn chặng, cùng với việc đưa ra một số mô hình truyền dữ liệu qua 2 chặng, 3 chặng, 4
chặng. Ngoài ra luận văn cũng đã trình bày được các loại chuyển tiếp trung gian trên đường
truyền và yêu cầu của node trung gian trên đường truyền.
Để đánh giá chất lượng của mạng truyền thông đa chặng, luận văn đã phân tích kỹ
thuật khuếch đại và chuyển tiếp tại node chuyển tiếp cố định trên đường truyền dựa trên mô
hình hệ thống của mạng hai chặng và hệ thống đa chặng. Qua đó đánh giá được SNR hệ
thống, tỉ lệ lỗi bit, xác suất rớt của hệ thống.
Kết quả thực nghiệm đã cho thấy rằng hệ thống đa chặng với sự hỗ trợ của nút chuyển
tiếp là cần thiết để mở rộng vùng sóng, tăng cường chất lượng tín hiệu ở vùng rìa của cell.
Tuy nhiên, luận văn cũng cho thấy rằng không phải lúc nào việc mở rộng thêm nhiều chặng
cũng phù hợp. Do đó cần phải cân bằng giữa việc mở rộng vùng phủ sóng với hiệu năng lỗi
của hệ thống.
2. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo
Nghiên cứu này đã đem lại kết quả và những đóng góp nhất định về hệ thống truyền
thông đa chặng. Tuy nhiên, việc đánh chất lượng của hệ thống hai chặng chỉ mới thực hiện
với một nút chuyển tiếp cố định. Ngoài ra, với hệ thống đa chặng, mới chỉ dừng ở trường

hợp chưa có phân tập hợp tác cũng như hệ thống đa chặng có nhiều nhánh, máy thu nhận
được tín hiệu từ nhiều nhánh. Do đó chưa đánh giá hết nhưng ưu điểm của mạng đa chặng.
Để đánh giá được ưu điểm của mạng đa chặng, cần phát triển nghiên cứu thêm những vấn
đề sau:
- Với hệ thống hai chặng, phân tích đánh giá chất lượng mạng với sự hỗ trợ của nhiều
nút chuyển tiếp hay nhiều nhánh chuyển tiếp.