Nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa công suất phát cho hệ thống truyền thông mimo hợp tác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN


o0o


NGUYỄN TIẾN TÙNG



NGHIÊN CỨU VẤN ĐỀ TỐI ƯU HÓA
CÔNG SUẤT PHÁT CHO HỆ THỐNG
TRUYỀN THÔNG MIMO HỢP TÁC


Chuyên ngành: Vật lý Vô tuyến và điện tử (hướng kỹ thuật)
Mã số: 60 44 03 2



LUẬN VĂN THẠC SĨ:
VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ (HƯỚNG KỸ THUẬT)


NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. BÙI HỮU PHÚ

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2010


i
LỜI CẢM ƠN


Đầu tiên tôi chân thành cảm ơn TS. Bùi Hữu Phú người đã trực tiếp hướng dẫn
và tận tình hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Thầy không chỉ giảng dạy
cho tôi rất nhiều kiến thức về lĩnh vực truyền thông vô tuyến mà còn định hướng
những bước nghiên cứu trong lĩnh vực này. Bản luận văn sẽ không hoàn thành nếu
không có sự hỗ trợ, động viên và khích lệ
của thầy.
Tôi cũng cảm ơn sâu sắc tới những đồng nghiệp trong phòng Kỹ thuật và Ban
Giám Đốc Đài PT-TH Đồng Nai đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học.
Bên cạnh đó, gia đình là nguồn động lực lớn nhất giúp tôi vượt qua những trở
ngại trong quá trình học tập, nhất là người vợ yêu dấu đã luôn sát cánh bên tôi, tạo
mọi điều kiện thuận lợi cả
vật chất lẫn tinh thần để tôi hoàn thành luận văn thạc sỹ.
Tôi cũng cảm ơn Chung, Lộc,Vinh, những người bạn đã cùng tôi chia sẻ, trao
đổi kiến thức, kinh nghiệm sử dụng ngôn ngữ Matlab và những vấn đề liên quan tới
luận văn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quý thầy cô trong Khoa Điện tử -Viễn
Thông của trường Đại học Khoa học tự nhiên TP.HCM
đã hỗ trợ tôi thực hiện đề
tài này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

TP.HCM, tháng 04 năm 2010

Nguyễn Tiến Tùng









TÓM TẮT LUẬN VĂN

Khái niệm hợp tác trong truyền thông đã thu hút được nhiều sự nghiên cứu trong
những năm gần đây vì nó có khả năng tăng cường hiệu quả trong mạng vô tuyến.
Đây là một hình thức mới trong truyền thông cho phép người dùng (thiết bị đầu
cuối) có thể hoạt động như trạm chuyển tiếp và hỗ trợ truyền thông tới người khác
(thiết bị đầu cuối khác). Mục tiêu của
đề tài này là thiết kế và nghiên cứu việc tối
ưu công suất cho mô hình mạng không dây có nút chuyển tiếp thực hiện hợp tác
truyền thông. Đề tài khảo sát hoạt động của hệ hợp tác có một nút chuyển tiếp và
nút đích có nhiều anten thu, khảo sát hệ hợp tác nhiều nút hợp tác, nút đích có một
anten thu. Hệ hợp tác hoạt động phụ thuộc vào sự thay đổi khoảng cách giữa nút
chuyển tiếp và nút nguồn vì nút chuyển tiếp muố
n hỗ trợ tốt cho nút nguồn phải
nằm trong khu vực mà ở đó tín hiệu truyền hợp tác từ nút nguồn tới nút chuyển tiếp
còn đủ tin cậy. Đề tài giải quyết vấn đề tối ưu công suất cho hệ hợp tác nhằm phân
bố công suất hợp lý giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp khi vị trí của nút chuyển tiếp
thay đổi trong quá trình hỗ trợ truyền thông để vừa hi

ệu quả về truyền tín hiệu vừa
không tiêu tốn công suất của hệ.Đề tài đã chứng tỏ được hệ hợp tác hoạt động tốt
hơn khi chưa hợp tác, tín hiệu nhận được tin cậy hơn, đề xuất vị trí đặt nút chuyển
tiếp để hệ hợp tác hoạt động hiệu quả nhất. Hệ hợp tác ngoài việc mở rộng được
không gian quả
ng bá còn tiết kiệm được công suất, đặc biệt trong trường hợp công
suất được tối ưu.














ABSTRACT

The concept of cooperation in communications has drawn a lot of reseach
attention in recent years due to its potiential to improve the efficiency of wireless
networks. This new form of communications allows some users (terminals) to act as
relays and assist the transmission of other users’ (terminals’) information signals.
The aim of this thesis is to design and research optimal power allocation multi-
relay wireless networks model employing cooperative communications. The thesis
has demonstrated that cooperative communications systems

iii
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
Tóm tắt luận văn
Mục lục
Danh mục hình ảnh trong luận văn
Danh mục các bảng trong luận văn
Danh mục những từ viết tắt
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1
1.1. Dẫn nhập và đặt vấn đề của luận văn 1
1.2. Sơ lược tình hình nghiên cứu hệ hợp tác truyền thông 2
1.3. Giải pháp đề nghị của đề tài 2
1.4. Cách trình bày luậ

n văn 3
CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN 4
2.1. Nhiễu Gauss trắng cộng sinh (AWGN) 4
2.2. Hiệu ứng truyền phạm vi rộng (large-scale propagation effect) 4
2.3. Hiệu ứng truyền phạm vi hẹp (Small-scale propagation effects) 5
2.4. Những mô hình có môi trường tán xạ đều 7
2.5. Những mô hình hệ số kênh khác 10
CHƯƠNG III: TỔNG QUAN HỢP TÁC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN 13
3.1. Phân loại sự hợp tác truyền thông 13
3.2. Mô hình hệ thống 14
3.3. Giao thức truyền 17
3.3.1. Khuyếch đại và truyền 17
3.3.2. Gi
ải mã và truyền (DAF) 20
3.3.3. Những giao thức hợp tác khác 22
CHƯƠNG IV: TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO HỆ HỢP TÁC TRUYỀN THÔNG 28
4.1. Xây dựng lý thuyết tối ưu công suất cho hệ thống AAF có một nút chuyển tiếp28

iv
4.2. Ví dụ mô phỏng 29
4.3. Giao thức AAF có nhiều nút chuyển tiếp 34
4.3.1. Mô hình hệ hợp tác có nhiều nút chuyển tiếp 34
4.3.2. Tối ưu công suất cho hệ hợp tác nhiều nút chuyển tiếp 36
CHƯƠNG V: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 38
5.1. Hệ hợp tác sử dụng nút chuyển tiếp 38
5.1.1. Mô hình kênh truyền 40
5.1.2. Tối ưu công suất cho hệ thống hợp tác 43
5.2. Chương trình mô phỏng 44
5.2.1. Mô phỏng sự ảnh hưởng của hiện tượng fading
lên kênh truyền 46

5.2.2. Đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống khi thay đổi vị trí của nút
chuyển tiếp 47
5.2.3. Đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống khi thay đổi công suất của hệ
thống 55
5.2.4. Hệ thống hợp tác với nút đích có nhiều anten thu 56
5.2.5. Hệ hợp tác có nhiều nút chuyển tiếp 66
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77
6.1. Kết luận 77
6.2. Hướ
ng phát triển 78
Tài liệu tham khảo










v
DANH MỤC HÌNH ẢNH TRONG LUẬN VĂN

Hình 2.1 Môi trường tán xạ đều 7
Hình 2.2 Những hàm mật độ xác suất khác nhau sử dụng mô hình fading ngẫu nhiên
11
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống mạng vô tuyến với bốn thiết bị đầu cuối 14
Hình 3.2 Truyền thông hợp tác với hai nút hợp tác truyền và một nút nhận 14
Hình 3.3 Những cấu hình chuyển tiếp khác nhau trong mạng vô tuyến 16

Hình 3.4 Mô tả hoạt động của trạm chuyển tiếp trong giao thức AAF 17
Hình 3.5 a) Một hình thức hợp tác trong thực tế; b) Mô hình AAF có một nút
chuyển tiếp 18
Hình 3.6 Mô tả hoạt động của trạm chuyển tiếp trong giao thức DAF 21
Hình 3.7 Ví dụ giao thức CAF 23
Hình 4.1 Hệ thống AAF hoạt động với điều chế BPSK: tối ưu công suất và chia
đều công suất cho nút nguồn và nút chuyển tiếp (a)
1
2
,
=
rs
δ
,
1
2
,
=
dr
δ
,
(b) 1
2
,
=
rs
δ
và 10
2
,

=
dr
δ
31
Hình 4.2 Hệ thống AAF hoạt động với điều chế QPSK: tối ưu công suất và chia đều
công suất cho nút nguồn và nút chuyển tiếp (a)
1
2
,
=
rs
δ
,
1
2
,
=
dr
δ
,
(b) 1
2
,
=
rs
δ
và 10
2
,
=

dr
δ
32
Hình 4.3 Mô hình hệ thống AAF có nhiều nút chuyển tiếp 34
Hình 5.1 a) Điều chế BPSK; b) Điều chế QPSK 38
Hình 5.2 a) Một số hình thức hợp tác trong thực tế; b) Mô hình AAF chỉ có một nút
chuyển tiếp 39
Hình 5.3 Lưu đồ thuật giải tổng quát cho chương trình mô phỏng 43
Hình 5.4 Giao diện chương trình mô phỏng sự hợp tác trong truyền thông 45
Hình 5.5 Giao diện kiểm tra sự thay đổi công suất, khoảng cách 45
Hình 5.6 So sánh sự ảnh hưởng của hiện tượng fading và không fading lên kênh
truy
ền điều chế BPSK 47

vi
Hình 5.7 Kết quả mô phỏng khi vị trí của nút chuyển tiếp thay đổi: 0.25, 0.5, 0.75
với công suất phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp; a) BPSK; b) QPSK .48
Hình 5.8 Kết quả mô phỏng khi vị trí của nút chuyển tiếp thay đổi với công suất
được tối ưu cho nút nguồn và nút chuyển tiếp: 0.25, 0.5, 0.75; a) BPSK; b) QPSK.50
Hình 5.9 Công suất phát của nguồn và nút chuyển tiếp thay đổi theo khoảng cách
trong trường hợp tối ưu công suất tại SNR = 10 dB, P = 1 W, điều chế BPSK 52
Hình 5.10 S
ự thay đổi BER tại SNR = 10dB khi thay đổi khoảng cách nút chuyển
tiếp từ gần nút nguồn (d = 0.25) đến xa nút nguồn (d = 0.75), điều chế QPSK 53
Hình 5.11 Hệ thống hợp tác điều chế QPSK với a) Công suất P = 1 W; b) công suất
P = 2 W 55
Hình 5.12 Sự thay đổi của SER tại SNR = 10 dB khi công suất hệ hợp tác thay đổi
từ 1W đến 8W 56
Hình 5.13 Mô hình hệ hợp tác nút đích có hai anten thu 56
Hình 5.14 Hệ hợp tác điều chế BPSK, nút đích có hai anten thu, nút chuyển tiếp đặt

ở giữa nút nguồn và nút đích (d = 0.5); a) Công suất được phân bố đều cho nút
nguồn và nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 57
Hình 5.15 Hệ hợp tác điều chế BPSK, nút đích có hai anten, nút chuyển tiếp ở gần
nút nguồn d = 0.25; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển
tiếp; b) Công suất được tối ưu 58
Hình 5.16 Hệ hợp tác điều chế BPSK, nút đích có hai anten, nút chuyển tiếp ở xa
nút nguồn d = 0.75; a) Công suấ
t được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển
tiếp; b) Công suất được tối ưu 59
Hình 5.17 Sự ảnh hưởng của khoảng cách lên hệ hợp tác có hai anten tại SNR =
10dB, công suất phát được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp 60
Hình 5.18 Sự ảnh hưởng của khoảng cách lên hệ hợp tác có hai anten tại SNR = 10
dB, công suất phát được tối ưu 61
Hình 5.19 Hệ hợp tác điều chế BPSK, nút đích có bốn anten, nút chuyển tiếp ở g
ần
nút nguồn d = 0.25 a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển
tiếp; b) Công suất được tối ưu 62

vii
Hình 5.20 Hệ hợp tác điều chế BPSK, nút đích có bốn anten,nút chuyển tiếp ở giữa
nút nguồn và nút đích d = 0.5; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và nút
chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 63
Hình 5.21 Hệ hợp tác điều chế BPSK, nút đích có bốn anten, nút chuyển tiếp ở xa
nút nguồn d = 0.75; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển
tiếp; b) Công suất được tối ưu 64
Hình 5.22 Sự
ảnh hưởng của khoảng cách lên hệ hợp tác có bốn anten tại SNR = 10
dB; a) Công suất phát được phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp; b) Công
suất phát được tối ưu 65
Hình 5.23 Mô hình hệ hợp tác có nhiều nút chuyển tiếp 66

Hình 5.24 Hoạt động của hệ hợp tác khi có hai nút chuyển tiếp ở gần nút nguồn d =
0.25; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và hai nút chuyển tiếp; b) Công
suất được tối ưu 67
Hình 5.25 Hoạt động c
ủa hệ hợp tác khi có hai nút chuyển tiếp ở giữa nút nguồn và
nút đích d = 0.5; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và hai nút chuyển
tiếp; b) Công suất được tối ưu 68
Hình 5.26 Hoạt động của hệ hợp tác khi có hai nút chuyển tiếp ở xa nút nguồn và
nút đích d = 0.75; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và hai nút chuyển
tiếp; b) Công suất được tối ưu 69
Hình 5.27 So sánh BER của hệ hợp tác có hai nút chuyển tiếp khi thay đổi vị
trí hai
nút chuyển tiếp từ d = 0.25, d = 0.5 đến d = 0.75; a) Công suất phân bố đều cho nút
nguồn và các nút chuyển tiếp; b) Công suất được tối ưu 70
Hình 5.28 Hoạt động của hệ hợp tác khi có ba nút chuyển tiếp ở gần nút nguồn d =
0.25; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và hai nút chuyển tiếp; b) Công
suất được tối ưu 73
Hình 5.29 Hoạt động của hệ hợp tác khi có ba nút chuyển tiếp ở cách nút nguồn d =
0.5; a) Công suất được phân bố
đều cho nút nguồn và hai nút chuyển tiếp; b) Công
suất được tối ưu 74

viii
Hình 5.30 Hoạt động của hệ hợp tác khi có ba nút chuyển tiếp ở cách nút nguồn d =
0.75; a) Công suất được phân bố đều cho nút nguồn và hai nút chuyển tiếp; b) Công
suất được tối ưu 75

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN VĂN

Bảng 5.1 So sánh SNR của hệ không hợp tác và hệ hợp tác khi nút chuyển tiếp thay

đổi vị trí để mục tiêu đạt BER = 10
-2
, tín hiệu được điều chế BPSK, công suất
phân bố đều cho nút nguồn và nút chuyển tiếp 49
Bảng 5.2 So sánh SNR của hệ không hợp tác và hệ hợp tác khi nút chuyển tiếp thay
đổi vị trí để mục tiêu đạt BER = 10
-2
, tín hiệu được điều chế QPSK, công suất phân
bố đều cho nút nguồn và nút chuyể
n tiếp 49
Bảng 5.3: Tối ưu công suất cho nút nguồn và nút chuyển tiếp trong trường hợp điều
chế BPSK 51
Bảng 5.4 Tối ưu công suất cho nút nguồn và nút chuyển tiếp trong trường hợp điều
chế QPSK 51
Bảng 5.5 So sánh SNR của hệ không hợp tác và hệ hợp tác khi nút chuyển tiếp thay
đổi vị trí để mục tiêu đạt BER = 10
-2
, tín hiệu được điều chế BPSK, công suất được
tối
ưu 51
Bảng 5.6 So sánh SNR của hệ không hợp tác và hệ hợp tác khi nút chuyển tiếp thay
đổi vị trí để mục tiêu đạt BER = 10
-2
, tín hiệu được điều chế BPSK, công suất được
tối ưu 51
Bảng 5.7 So sánh giá trị SNR khi hệ sử dụng hai anten thu tại nút đích, mục tiêu đạt
được BER = 10
-3
60
Bảng 5.8 Các thông số SNR và công suất của hệ hợp tác có một nút chuyển tiếp

trong trường hợp công suất được chia
đều cho nút nguồn và các nút chuyển tiếp khi
đạt được BER = 10
-3
71

ix
Bảng 5.9 Các thông số SNR và công suất của hệ hợp tác có hai nút chuyển tiếp
trong trường hợp công suất được chia đều cho nút nguồn và các nút chuyển tiếp khi
đạt được BER = 10
-3
71
Bảng 5.10 Các thông số SNR và công suất của hệ hợp tác có một nút chuyển tiếp
được tối ưu khi đạt được BER = 10
-3
71
Bảng 5.11 Các thông số SNR và công suất của hệ hợp tác có hai nút chuyển tiếp
được tối ưu khi đạt được BER = 10
-3
72
B
ảng 5.12 Thông số SNR và công suất của hệ hợp tác có ba nút chuyển tiếp khi đạt
được BER = 10
-3
76

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

3G Third Generation
AAF Amplify – and – Forward

AWGN Additive white Gaussian noise
BPSK Binary Phase – Shift Key
BER Bit Error Rate
CAF Compress – And – Forward
Cdf Cumulative distribution function
CRC Code r code
DAF Decode – And – Forward
dB Decibel
EGC Equal Gain Combining
FEC Forward Error Correction
LOS Line – Of – Sight
Pdf Probability density function
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
MMSE Minimum Mean-Square Error

x
ML Maximum Likelihood
MIMO Multiple – Input Multiple – Output
M-PSK M-ray Phase-Shift Keying
M-QAM M- Quadrature Amplitude Modulation
MRC Maximal Ratio Combining
SNR Signal to Noise Ratio
SC Selection Combining
SER Symbol Error Rate
STBC Space-Time Block Code
TCP Transmission Control Protocol
WCDMA Wireless Code Division Multiple Access
WLAN Wireless Local Access Network

CHƯƠNG I:MỞ ĐẦU

1.1. Dẫn nhập và đặt vấn đề của luận văn
Cuộc cách mạng công nghệ truyền thông vô tuyến đã diễn ra được hai thập niên
với mỗi thế hệ của những thiết bị di động đã cải thiện đáng kể về mức độ tin cậy,
tốc độ truyền dữ liệu, kích cỡ và tuổi thọ của nguồn pin cũng như sự kết nối mạng.
Những năm gần đây, những mạ
ng cảm biến (sensor) và phi thể thức (ad-hoc) nổi
lên với nhiều ứng dụng, thông qua những mạng này thông tin không hoàn toàn dựa
vào trạm hoặt nút mạng trung tâm mà có sự hỗ trợ của những nút mạng khác nhằm
truyền thông tin hiệu quả hơn đến những nút mạng yêu cầu, khác với những hệ
thống truyền thông cổ điển điểm nối điểm với sự điều khiển của trạm trung tâm.
Mức độ cần thiết trong sự hợp tác giữa những nút mạng và người sử dụng đã thôi
thúc những ý tưởng mới nhằm thiết kế những hệ thống mạng và truyền thông trong
đó những nút thông tin có thể trợ giúp nhau để tăng hiệu quả truyền thông tin, vấn
đề đặt ra là liệu sự hợp tác đó có cải thiện sự hoạt động của hệ thống hay không?
Chúng ta phải trả lời được điều gì và hoạt động như thế nào mới tăng cường được
sự hoạt động của mạng cũng như những hệ thống truyền thông đó.
Từ ý tưởng mới mẻ về kỹ thuật hợp tác trong truyền thông, nhiều nghiên cứu về
các mô hình, giao thức hoạt động của hệ hợp tác được tìm thấ
y trong[14],[16],[17]
đã thu được những kết quả khả quan. Vấn đề đặt ra, những thiết bị hay người dùng
không thể truyền tín hiệu đến một thiết bị hoặc người dùng khác do nhiều nguyên
nhân như hiện tượng fading, môi trường có nhiều vật cản, hoặc ở quá xa, do đó cần
thiết phải có những người dùng khác hỗ trợ quá trình truyền tín hiệu. Một trong
những phương thức hỗ trợ truy
ền tín hiệu đang được nghiên cứu là xây dựng một hệ

hợp tác có nút chuyển tiếp.

1.2. Sơ lược tình hình nghiên cứu hệ hợp tác truyền thông
Đòi hỏi tìm ra những ý tưởng mới và thách thức kỹ thuật về thực hiện hệ hợp tác
giữa những người dùng hay hệ chuyển tiếp thực sự bắt đầu từ những năm 80 của thế
kỷ trước. Tuy nhiên vấn đề chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều, điểm qua một số
ý tưởng về hệ chuyển tiếp và kênh đa truy cập được tìm thấy trong [Zhang, 1988;
Zeng, 1989; Thomas 1987]. Một trong những nghiên cứu nổi bật gần đây là nghiên
cứu giao thức chuyển tiếp trong mạng có ảnh hưởng của hiện tượng fading do
Laneman, Nabar đề xuất năm 2004. Những lý thuyết mới và kết quả về điều khiên
công suất được khám phá bởi Wang năm 2005. Những hệ hợp tác nhiều nút nguồn ,
nhiều nút chuyển tiếp, nhiều nút đích được nhiều người nghiên cứu như Gupta và
Kumar năm 2003, Kramer năm 2005. Những nhà nghiên cứu nhận ra hệ chuyển tiếp
có thể mô phỏng theo hệ đa anten tương đương hệ MIMO cho những thiết bị hay
người dùng không có khả năng lắp đặt nhiều anten.

1.3. Giải pháp đề nghị của đề tài
Đề tài thực hiện mô phỏng hệ truyền thông hợp tác gồm nhiều nút chuyển tiếp
hỗ trợ nút nguồn truyền tín hiệu, đồng thời giải quyết vấn đề tối ưu công suất cho hệ.
Vì vị trí của nút chuyển tiếp quyết định đến chất lượng truyền tín hiệu nên đề tài
khảo sát tác động của vị trí nút chuyển tiếp lên hoạt động của hệ và tính toán phân
bố
công suất cho nút nguồn và nút chuyển tiếp sao cho hệ đạt hiệu quả truyền tín
hiệu nhất. Đồng thời đề tài mô phỏng hệ hợp tác mà nút đích có nhiều anten thu, tức
là ngoài việc tăng cường khả năng hoạt động của hệ không chỉ cần đến những nút
chuyển tiếp còn có thể lắp đặt thêm anten tại phía thu. Tuy nhiên, hệ hợp tác dùng
nhiều nút chuyển tiếp lại hữu ích khi tại nút đích không có kh
ả năng lắp đặt thêm
anten thu.
1.4. Cách trình bày luận văn

Luận văn gồm 6 chương; các chương cụ thể trình bày các nội dung sau:
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU
CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN
Trình bày những đặc trưng cơ bản của mạng, những yếu tố ảnh hưởng tới quá
trình truyền tín hiệu vô tuyến như nhiễu Gauss, hiện tượng fading, hiện tượng suy
hao theo khoảng cách.
CHƯƠNG III: TỔNG QUAN HỢP TÁC TRONG MẠNG VÔ TUYẾN
Trình bày tổng quan về truyền thông hợp tác, mô hình và các giao thức truyền
của một số hệ hợp tác.
CHƯƠNG IV: TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO HỆ HỢP TÁC TRUYỀN THÔNG
Trình bày phương pháp tối ưu công suất cho hệ hợp tác truyền thông, giải quyết
vấn đề phân bố công suất cho nút nguồn và nút chuyển tiếp sao cho vừa truyền
thông tín hiệu quả vừa tiết kiệm được công su
ất thay vì phân bố công suất đều cho
các nút.
CHƯƠNG V:KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Trình bày kết quả mô phỏng, nhận xét sau khi áp dụng những lý thuyết từ các
chương III và chương IV.
CHƯƠNG VI:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Đưa ra những kết luận sau cùng và vạch ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài .





HVTH: Nguyễn Tiến Tùng
4
CHƯƠNG II:
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN

Truyền thông tin thông qua một kênh vô tuyến là một nhiệm vụ đầy thách thức
bởi vì môi trường truyền gây ra hiện tượng suy giảm tín hiệu. Tín hiệu vô tuyến
truyền bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như: nhiễu, suy hao trên đường truyền, méo
dạng và hiện tượng giao thoa tín hiệu. Sau đây là tóm tắt những nguyên nhân chính
gây ra hiện tượng suy giảm tín hiệu [2], [6]:

2.1. Nhiễu Gauss trắng cộng sinh (AWGN)
Một số hiện tượng suy giảm được gây ra bởi tự nhiên cộng thêm nhiễu ảnh
hưởng tới tín hiệu truyền. Nhiễu trắng cộng sinh (AWGN) và những hiện tượng
nhiễu khác trong tự nhiên là những ví dụ. Kênh nhiễu trắng cộng sinh là mô hình
đơn giản nhất để mô tả những kênh truyền. Mối quan hệ giữa lối ra
)(ty
và lối vào
tín hiệu
)(tx
được biểu diễn như sau:

)(/)()( tntxty +Γ=
(2.1)
với Γ là công suất mất đi khi truyền tín hiệu
)(tx
và
)(tn
là nhiễu.
Nhiễu cộng sinh
)(tn
là ngẫu nhiên tùy thuộc từng mô hình với biến ngẫu nhiên
của hàm phân bố Gauss. Nhiễu này thường được xem là nhiễu nền trong kênh
truyền cũng như nhiễu trước khi tới đầu thu. Tương tự, nhiễu Gauss cộng sinh

thường được sử dụng trong một số mô hình có nhiễu nội sinh (inter-interference).

2.2. Hiệu ứng truyền phạm vi rộng (large-scale propagation effect)
Hiện tượng suy hao trên kênh truyền (path loss) là một hiện tượng gây suy yếu
tín hiệu do sự giảm sút công suất trên kênh truyền khi tín hiệu truyền từ đầu phát tới
đầu thu. Hiện tượng mất mát công suất trên kênh truyền được đo bằng đơn vị dB
của tỉ số giữa công suất phát trên công suất thu tín hiệu. Giá trị này phụ thuộc vào




HVTH: Nguyễn Tiến Tùng
5
nhiều nhân tố liên quan đến toàn bộ hệ thống truyền dẫn. Nói chung, mất mát công
suất trên kênh truyền được đặc trưng bởi một hàm có dạng như sau:

cdd
dB
+
=Γ )/log(10
0
υ
(2.2)
với
dB
Γ là công suất mất mát trên kênh truyền đo bằng dB, d là khoảng cách giữa
đầu phát và đầu thu,
υ
là số mũ kênh truyền, c là một hằng số, và
0

d là khoảng tới
điểm được đo công suất (đôi khi nó được để trong hằng số c). Số mũ
υ
thể hiện tốc
độ suy giảm công suất tín hiệu theo khoảng cách, giá trị của nó từ 2 (tương ứng với
trường hợp tín hiệu truyền trong không gian tự do) đến 6. Giá trị 4 cho môi trường
truyền trong vùng đô thị lớn và 3 cho vùng đô thị nhỏ. Hằng số c là tham số phụ
thuộc vào hạ tầng vật lý truyền dẫn cũng như bước sóng, độ cao của anten…
Phương trình (2.2) chỉ ra mối t
ương quan giữa hiện tượng mất mát công suất trên
kênh truyền và khoảng cách giữa đầu phát và anten đầu thu. Trên thực tế, hiện
tượng mất mát công suất giữa hai đầu thu không bằng nhau mặc dù khoảng cách
giữa chúng với đầu phát là như nhau. Điều này là do tín hiệu truyền bị cản bởi nhiều
vật thể khác nhau trước khi nó tới đầu thu. Do đó, hiện tượng suy giảm này được
gọi là mất mát do vùng tối (shadow loss) hoặc shadow fading. Vì v
ị trí của những
đối tượng cản trở không thể biết được, nên mất mát trên kênh truyền phải là một
biến ngẫu nhiên.

2
.3. Hiệu ứng truyền phạm vi hẹp (Small-scale propagation effects)
Trong truyền thông vô tuyến, một tín hiệu đơn lẻ gặp phải những vật gây phản xạ,
khúc xạ và suy giảm trong suốt quá trình truyền nên bị chia thành nhiều đường tín
hiệu khác nhau và cùng tới đầu thu. Một kênh mà tại đầu thu nhận được nhiều
đường tín hiệu từ một tín hiệu truyền đi được biết như là một kênh đa đường. Một
vài nhân tố ảnh hưởng tới hoạt động c
ủa kênh đa đường, thường đề cập tới là sự có
mặt ngẫu nhiên của các vật phản xạ, khúc xạ và gây suy giảm. Thêm nữa tốc độ di
chuyển của thiết bị đầu cuối, tốc độ của các đối tượng xung quanh và băng thông
truyền tín hiệu là những nhân tố khác ảnh hưởng tới hoạt động của kênh. Ngoài ra,

sự di chuyển của đầu phát, đầu thu hoặc các đối tượng xung quanh khiến kênh đa




HVTH: Nguyễn Tiến Tùng
6
đường thay đổi theo thời gian. Những bản sao của tín hiệu truyền, mỗi tín hiệu đó
có độ lớn, phase, độ trì hoãn khác nhau được đưa thêm vào đầu thu gây ra tình trạng
tăng cường (nếu cùng pha) hoặc suy giảm nhiễu lẫn nhau. Kết quả này trong tín
hiệu nhận được có biên dạng thay đổi theo thời gian. Do đó, nếu biểu diễn tín hiệu
được truyền bằng
)(tx
và tín hiệu nhận được bằng
)(ty
, chúng ta có thể viết như
sau:

∑
=
−=
L
i
ii
ttxthty
1
))(()()(
τ
(2.3)
với

)(th
i
là độ suy giảm của đường thứ
i
tại thời điểm t, )(t
i
τ
tương ứng với
đường trì hoãn và L là số đường mà đầu thu có thể nhận được. Trong mối liên hệ
này giả sử rằng kênh truyền là tuyến tính, đáp ứng kênh tại thời điểm t là một xung
gửi ngay tại thời điểm
τ
,
),(
τ
th
. Từ (2.3), đáp ứng xung này có thể được viết như
sau:

∑
=
−=
L
i
ii
ttthth
1
))(()(),(
τδτ
(2.4)

Nếu muốn an toàn thì giả sử kênh truyền không thay đổi theo thời gian, tín hiệu
nhận được có thể đơn giản như sau:
∑
=
−=
L
i
ii
txhty
1
)()(
τ

và đáp ứng xung kênh :

∑
=
−=
L
i
ii
thth
1
)()(
τδ
(2.5)
Trong nhiều trường hợp để thuận lợi thì xem kênh truyền là mô hình tương
đương tín hiệu rời rạc trong băng cơ bản (the discrete-time baseband-equivalent
model), mối liên hệ giữa đầu vào – đầu ra suy từ (2.3) với m mẫu có thể được viết
như sau:

∑
=
−=
L
lk
k
kmxmhmy ][][][
(2.6)
với
][mh
k
biểu diễn hệ số kênh.




HVTH: Nguyễn Tiến Tùng
7
Mối liên hệ này cho thấy có một mẫu hoạt động tại đầu thu và tất cả các tín hiệu
được xem như nằm trong mô hình tương đương băng cơ bản. Sự chuyển đổi một mô
hình rời rạc thời gian bằng cách kết hợp tất cả những đường truyền với thời gian
đến trong một chu kỳ lấy mẫu thành một kênh đơn lẻ với hệ số đáp ứ
ng kênh ][mh
k
.
Vì tính tự nhiên của mỗi đường, chiều dài của nó và sự hiện diện của các bộ phản
xạ, bộ tán xạ và bộ gây suy giảm tất cả đều ngẫu nhiên, hệ số kênh truyền
k
h của

kênh truyền cố định theo thời gian là những biến ngẫu nhiên. Nếu như thêm vào
trường hợp kênh truyền thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, ngay sau đó những hệ
số kênh truyền
][mh
k
thì xử lý ngẫu nhiên. Hiện tượng mà những hàm phụ thuộc
vào những hệ số là những hàm ngẫu nhiên.

2.4. Những mô hình có môi trường tán xạ đều




Hình 2.1: Môi trường tán xạ đều

Như đã đề cập ở trên, những hệ số kênh là những biến ngẫu nhiên giá trị phức.
Một trong những mô hình chung nhất cho những hệ số kênh ngẫu nhiên là dựa
vào môi trường được biết đến như là môi trường tán xạ đều. Từ khi mô hình này
được giới thiệu bởi R.H.Clarke và sau đó được phát triển bởi W.C.Jakes, mô hình




HVTH: Nguyễn Tiến Tùng
8
cũng được biết đến như là mô hình Clarke và mô hình Jakes. Trong mô hình này,
giả sử một dạng sóng đến đầu thu bị tán xạ rất nhiều sau khi gặp vật tán xạ. Những
sóng tán này giả sử đặt ngẫu nhiên trong một vòng tròn có đầu thu nằm ở trung tâm
(xem hình 2.1). Trong môi trường này, giả sử rằng không có tín hiệu trên đường
truyền thẳng (line - of - sight), dạng sóng nhận được tạo thành do sự chồng chập

của nhiều dạng sóng tới từ góc khác nhau c
ủa vật tán xạ được phân bố đều từ 0 đến
2
π
. Trước hết chúng biểu diễn tín hiệu được truyền ở dạng băng cơ bản phức
:)(ts

{
}
tfj
c
etxts
π
2
)()( ℜ=
với
c
f là tần số sóng mang.
Mở rộng biểu thức này, chúng ta được:
)2sin()}({)2cos()}({)( tftxtftxts
cc
π
π
ℜ
+
ℜ
=
=
)2sin()()2cos()( tftstfts
cQcI

π
π
+

với
)(ts
I
và
)(ts
Q
là những thành phần đồng pha và vuông pha của s(t).
Khi tín hiệu này được truyền đi qua một kênh với đáp ứng xung băng cơ bản h(t),
kết quả tín hiệu nhận được là:
})(*)({)(
2 tfj
c
ethtxty
π
ℜ=
Nếu kênh có L đường, với đường thứ n có độ lớn h
n
(t), trì hoãn một khoảng thời
gian
)(t
n
τ
và dịch pha Doppler
n
ϕ
(vì có sự chuyển động của đầu thu khi nhận mỗi

tín hiệu sóng), tín hiệu nhận được có thể viết như sau:
}))(()({)(
]))((2[
1
nnc
ttfj
n
L
n
n
ettxthty
ϕτπ
τ
+−
=
−ℜ=
∑

Giả sử tín hiệu nhận được là tone đơn cùng tần số sóng mang, tín hiệu nhận được
sẽ là:
}])([{)(
2
1
))(2( tfj
L
n
tfj
n
cnnc
eethty

πϕτπ
∑
=
−−
ℜ=

=
)2sin()()2cos()( tftytfty
cQcI
π
π
+
(2.7)
với:
),)(2cos()()(
1
nnc
L
n
nI
tfthty
ϕτπ
−=
∑
=
(2.8)

HVTH: Nguyễn Tiến Tùng
9
).)(2sin()()(
1
nnc
L
n
nQ
tfthty
ϕτπ
−=
∑
=
(2.9)
Kết quả này chỉ ra rằng cả thành phần đồng pha và vuông pha của tín hiệu nhận
được đều có sự chồng chập bởi nhiều bản sao của tín hiệu đến với biên độ và pha
thay đổi phụ thuộc tính chất của mỗi đường .
Kế tiếp, chúng ta giả sử rằng tất cả những tín hiệu nhận được đến cùng một biên
độ. Vì trong môi trường tán xạ đều, không có đường truyền trực tiếp LOS, mỗi tín
hiệu đến tại đầu thu sẽ có sự suy giảm như nhau. Hơn nữa, trong môi trường tán xạ
đều, cũng có lý do để giả sử rằng số lượng đường truyền L là rất lớn. Mỗi hệ số có
thể được mô phỏng như một biến Gauss phức ngẫu nhiên với giá trị trung bình là 0
và phương sai
2
δ
. Chúng ta biểu diễn sự quan sát này như sau:
),0(~),,0(~
22
δδ
NyNy

QI
.
Chúng ta viết hệ số thành
QI
jhhh
+
=
(
I
h
và
Q
h
biểu diễn thành phần đồng pha
và vuông pha) chúng ta muốn tìm pdf của những biến ngẫu nhiên
r
và
θ
, đạt được
thông qua biến đổi:

,
22
QI
hhr +=

),/arctan(
IQ
hh=
θ

(2.10)
với hệ số kênh là
θ
j
reh =
, tương đương, chúng ta có thể xem như biến đổi thành:

θ
θ
sin
,cos
rh
rh
Q
I
=
=
(2.11)
Chúng ta có hàm joint pdf :
,20,0,
2
),(
)2/(
2
22
πθ
πδ
θ
δ
≤≤≥=

−
re
r
rf
r

Chúng ta có thể đọc dễ dàng hơn với việc chuyển đổi nhỏ sang hàm pdf.
0,),()(
)2/(
2
0
2
22
≥==
−
∫
re
r
drfrf
r
δ
π
δ
θθ


πθ
π
θθ
20,

2
1
),()(
0
≤≤==
∫
∞
drrff





HVTH: Nguyễn Tiến Tùng
10
Kết quả này chỉ ra rằng độ lớn của những hệ số kênh là một biến ngẫu nhiên với
phân bố Rayleigh và pha cũng là biến ngẫu nhiên với phân bố đều từ 0 đến 2
π
. Bởi
vì độ lớn của những hệ số kênh là phân bố Rayleigh, mô hình này thường được gọi
là mô hình fading Rayleigh.

2.5. Những mô hình hệ số kênh khác
Mô hình fading Rayleigh không chỉ là mô hình duy nhất cho các hệ số kênh.
Thực tế, chúng ta sử dụng fading Rayleigh cho môi trường tán xạ đều từ biểu thức
(2.7) – biểu thức (2.9), giả sử rằng tất cả những tín hiệu nhận được có cùng độ lớn
vì không có đường truyền thẳng (LOS) và môi trường hình học đối xứng. Khi có
một đường truyền thẳng thì nó không thể dài hơn dù cho cả thành phần đồng pha và
vuông pha xấp xỉ như là một biế
n ngẫu nhiên Gauss có trung bình bằng 0. Bây giờ,

hai thành phần là những biến ngẫu nhiên Gauss nhưng một thành phần có giá trị
trung bình A, nghĩa là đỉnh biên độ của tín hiệu đường truyền thẳng và một thành
phần vẫn bằng 0.
Trong trường hợp này, chúng ta vẫn sử dụng biến đổi biểu thức (2.10) cho hàm
phân bố cumulative (cdf) theo r:

]Pr[)( zrzF
r
≤
=


dxdy
h
Ah
e
Q
I
hh
QI
)]][]([
2
1
[
2
1
22
2
22
δδπδ

+
−
−=
∫∫
+


rdrzudee
e
rA
zr
A
)()cos(
2
2
0
2
0
)(
2
1
2
)(
2
1
2
2
∫∫
−
=

π
δ
δ
θ
δ
θ
πδ
(2.12)
với
)(zu
là hàm bước đơn vị để biểu thức (2.12) có giá trị duy nhất với z
0≥
.
Tiếp theo, tích phân theo
θ
trong biểu thức (2.12) có thể được viết thành những
số hạng của hàm Bessel loại một bậc 0, được định nghĩa như sau:

∫
==
π
θ
θ
π
2
0
cos
00
,
2

1
)()( dejxJxI
x
(2.13)
thành hàm:




HVTH: Nguyễn Tiến Tùng
11

∫
−
−
−
=
zAz
A
r
drzue
rA
rI
e
zF
0
)(
2
1
2

0
2
2)(
2
1
.)()()(
2
δ
δ
δδ
(2.14)
Từ kết quả này, hàm pdf đạt được bằng cách lấy vi phân theo z, sẽ được:

.0),
2
()(
0
)
2
(
2
2
2
≥=
+−
z
A
Kx
Ie
z

zf
K
z
r
δ
δ
(2.15)

Hình 2.2: Những hàm mật độ xác suất khác nhau sử dụng mô hình fading ngẫu
nhiên.
Đây là hàm pdf của phân bố Rician. Trong biểu thức (2.15), K là một tham số
của phân bố Ricean định nghĩa:
).2/(
22
δ
AK = Chú ý rằng, khi
0=K
, hàm pdf
Rician bằng hàm pdf Rayleigh phù hợp với thực tế giá trị trung bình
0=K
không
có đường truyền trực tuyến.
Trong một số trường hợp,để cho thuận lợi chúng ta mô hình kênh bằng cách lấy
mẫu kênh thực và sau đó so khớp chúng bằng mô hình toán học. Điều này hữu ích
để có một hàm mật độ xác suất mà có thể dễ dàng so khớp những mẫu dữ liệu. Hàm
này được cung cấp bởi hàm phân bố fading Nakagami:

HVTH: Nguyễn Tiến Tùng
12
,
)(
2
)(
22
/
2
12
δ
δ
mx
m
mm
e
m
xm
xf
−
−
Γ
=

2/1≥m
(2.16)
Với
(.)Γ
là hàm Gamma và m là một tham số sử dụng để chỉnh hàm pdf của
những mẫu dữ liệu phân bố theo hàm Nakagami. Ví dụ, nếu m = 1, phân bố

Nakagami sẽ trở thành phân bố Rayleigh. Một ưu thế của phân bố Nakagami là nó
so khớp dữ liệu thực tế hơn những hàm phân bố khác. Hình 2.2 chỉ ra những hàm
mật độ xác suất khác nhau đã thảo luận trong phần này.