Báo cáo nghiên cứu khoa học sinh viên đề tài truyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến cooperation communication in wireless network

Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học Sinh Viên
Đề Tài:Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến - Cooperation
Communication in Wireless Network

Nội dung:
Phần I.Lịch sử ra đời và phát triển của truyền thông hợp tác
Phần II.Các khái niệm cơ bản về truyền thông hợp tác
Phần III.Các giao thức hợp tác cố định trong truyền thông hợp tác
Phần IV.Các giao thức hợp tác lựa chọn trong truyền thông hợp tác
Phần V. Những ứng dụng của truyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến
PhầnVI. Ưu,Nhược điểm của truyền thông hợp tác
Phần VII. Các hướng nghiên cứu về truyền thông hợp tác trong tương lai
Phần VIII.Tìm hiểu về mạng Ad-hoc và Mạng cảm biến
Phần IX.Những ứng dụng thực tế của truyền thông hợp tác trong giao thông thông
minh
Phần X.Tài liệu tham khảo
Nội dung chi tiết
Phần I.Tổng Quan Về Truyền Thông Hợp Tác
I.1 giới thiệu
Ngày nay do bùng nổ của khoa học kĩ thuật mà rất nhiều lĩnh khoa học kĩ
thuật,kinh tế,y học,…có nhiều bước nhảy vọt,và lĩnh vực viễn thông cũng không
nằm ngoài sự phát triển đó.Nhu cầu về trao đổi thông tin của con người ngày càng
tăng lên và đa dạng hóa theo nhiều cách khác nhau.Để đáp ứng nhu cầu đó thì có
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
rất nhiều giải pháp và công nghệ được đưa ra và phát triển nhằm tăng dung lượng
hệ thống ,nâng cao chất lượng của tín hiệu giảm hạn chế tác động bởi nhiễu mà
không gây tốn tài nguyên tần số,thời gian đây là vấn đề nhức nhối. Một trong
những công nghệ được xây dựng đó là truyền thông hợp tác trong thông tin vô
tuyến.Ý tưởng về Truyền Thông Hợp Tác được đưa ra vào năm 1971, qua nhiều

chặng đường phát triển thì cho tới nay công nghệ này đang từng bước cho thấy vai
trò trong thông tin vô tuyến. Truyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến
(cooperation communication in wireless network) là một phương pháp hứa hẹn
nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ,tăng hiệu quả công suất,mở rộng vùng phủ và
giảm xác suất outgate.Phương pháp này được phát triển trên nền tảng của hệ thống
MIMO và sự phân tập anten (hệ thống MIMO-Mutipli Input Mutipli Output) trong
việc truyền và thu nhận tín hiệu.
Truyền thông hợp tác là kĩ thuật cho phép các máy di động sử dụng một anten
trong môi trường đa người sử dụng chia sẻ anten của mình,hình thành một máy
phát nhiều anten ảo do đó đạt được độ lợi phân tập phát .Trong truyền thông hợp
tác,các đường truyền dẫn độc lập giữa người sử dụng và trạm gốc được tạo nên
nhờ các kênh chuyển tiếp như được mô tả ở Hình 1.1.
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình I.1.Mô hìnhTruyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến và sự mở rộng
vùng phủ
Bài toán xử lý truyền thông hợp tác nằm ở quá trình xử lý tín hiệu thu được từ
node nguồn được thực hiện bởi node chuyển tiếp.Nhiều sơ đồ xử lý tín hiệu khác
nhau đã được đề nghị dẫn đến có các giao thức hợp tác khác nhau.Các giao thức
truyền thông hợp tác có thể phân loại thành các chiến lược hợp tác cố định và các
chiến lược hợp tác thích nghi.Ở chiến lược hợp tác cố định ,các nguồn tài nguyên
kênh được phân chia giữa các node nguồn và node chuyển tiếp theo một phương
thức cố định.Quá trình xử lý ở node chuyển tiếp khác nhau theo các phương thức
hợp tác khác nhau được sử dụng.Trong chiến lược hợp tác cố định bao gồm các
giao thức hợp tác như:
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
+Giao thức AF (amplify and forward)-Giao thức khuếch đại và chuyển tiếp:node
chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại phiên bản tín hiệu thu được và phát tín hiệu
khuếch đại tới đích.

+Giao thức DF ( decode and forward)-Giao thức giải mã và chuyển tiếp:node
chuyển tiếp giải mã tín hiệu thu được sau đó lại mã hóa và phát đi tới node đích
+Giao thức EF (estimate and forward )-Giao thức ước lượng và chuyển tiếp;sau khi
nhận được tín hiệu từ nguồn,node chuyển tiếp ước lượng tin tức sau đó phát
chuyển tiếp tới node đích.
Do chuyển tiếp cố định có ưu điểm là dễ dàng được thực hiện,nhưng có nhược
điểm là hiệu quả sử dụng băng thông thấp.Đó là do một nửa nguồn tài nguyên kênh
(băng thông) được phân bổ cho kênh chuyển tiếp,làm giảm tốc độ tổng cộng.Điều
này là rõ rệt khi kênh truyền dẫn từ nguồn tới đích không tồi,khi đó đầu thu có thể
thu được chính xác các gói với tỉ lệ cao,nên cách kênh truyền dẫn trở nên lãng
phí.Các sơ đồ chuyển lựa chọn và chuyển tiếp gia tăng,sẽ khắc phục được nhược
điểm của hệ thống chuyển tiếp cố định
+Chuyển tiếp lựa chọn:nếu tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) thu được ở node
chuyển tiếp lớn hơn một ngưỡng xác định,node chuyển tiếp sẽ thực hiện giải mã và
phát chuyển tiếp tín hiệu thu được.Còn nếu tỉ số đó nhỏ hơn một ngưỡng nào đó thì
node chuyển tiếp sẽ rỗi và sẽ không có tác vụ gì trong hệ thống
+Chuyển tiếp gia tăng;khi node nguồn xác định biết node đích không giải mã tín
hiệu chính xác thì node nguồn sẽ phát lặp lại thông tin hoặc là node chuyển tiếp sẽ
phát chuyển tiếp thông tin.Trường hợp này yêu cầu một kênh phản hồi từ node
đích tới node nguồn và node đích
Phần I.2 Các thuật ngữ ngữ liên quan tới truyền thông hợp tác
- Ý nghĩa Tên đề tài:Để hiểu rõ ý nghĩa của đề tài chúng ta đi tìm hiểu một só khái
niệm bên lề liên quan tới đề tài
+Truyền thông là sự kiện truyền đưa thông tin,tin tức từ điểm phát tin tới những
điểm nhận tin.Truyền thông có thể là truyền theo cách thức điểm-điểm(poit- to
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
-poit) như truyền dữ liệu,thoại… hoặc theo truyền theo hình thức điểm-đa điểm ví
dụ như truyền hình quảng bá (vô tuyến truyền hình,truyền hình vệ tinh….)
+Hợp tác là sự kiện một vài thiết bị,cá nhân,tổ chức,doanh nghiệp hay rộng hơn là

quốc gia,châu lục….cùng nhau làm chung một công việc nào đó làm cho công việc
đó đạt được một số chỉ tiêu, chất lượng nhất định nào đó mà người tổ chức đã đặt
ra.
=> Vậy truyền thông hợp tác là các điểm truyền đưa tin tức cũng nhau hợp tác để
truyền đưa một tin tức tới điểm nhận tin nào đó làm cho tin tức đó đạt được một
chất lượng mong muốn( ở đây thì đó là sự giải mã chính xác tin tức mà điểm
nguồn đưa tới).
- Kênh truyền dẫn: Là môi trường mà tín hiệu đi qua,Kênh truyền dẫn tùy vào
từng loại hình truyền đưa tin tức mà có các dạng khác nhau:
+ Dạng hữu tuyến bao gồm các môi trường truyền dẫn hữu hình như cáp đồng
trục,cáp đồng,cáp quang,ống dẫn sóng….Đặc điểm chung của môi trường truyền
dẫn này là ít bị ảnh hưởng bởi tạp âm,nhiễu (mà đặc biệt là fading) độ an toàn của
tin tức được bảo đảm,băng thông rộng….nhưng khi thiết thi công tuyến truyền dẫn
gặp khó khăn về nhiều mặt như giá thành,địa hình triển khai….
+ Dạng vô tuyến.Môi trường truyền đưa tin tức là không khí và lớp cát bụi bao
quanh trái đất ,đặc điểm của môi trường này là tin tức bị ảnh hưởng nhiều của
nhiễu,vật cản của địa hình,bị fadinh …nhưng ngược lại việc triển khai tuyến truyền
dẫn trở nên đơn giản và kinh tế hơn so với loại hình hữu tuyến
- Xác suất outage đây là thông số cơ bản để đánh giá chất lượng của một hệ thống
truyền đưa tin tức.Xác suất outge có thể hiểu là xác suất tín hiệu bị mất,bị rớt(nếu
là thoại thì đó là xác suất bị mất liên lạc hay rớt cuộc gọi,theo tiêu chuẩn quốc tế
thì trong thời gian một tháng thì thời gian rớt mạng cho phép là 2,56s)
-MIMO là hệ thống sử dụng các dãy anten ở cả hai đầu kênh truyền với nhiều
anten cho phía thu và nhiều anten cho phía phát [6].
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình I.2 Sơ đồ cơ bản của hệ thống MIMO
- Kỹ thuật phân tập anten. Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp
được dùng để hạn chế ảnh hưởng của fading. Trong hệ thống thông tin di động, kỹ
thuật phân tập được sử dụng để hạn chế ảnh hưởng của fading đa tia, tăng độ tin

cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông.
Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân
tập không gian (phân tập anten). Trong đó, kỹ thuật phân tập anten hiện đang rất
được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả
thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm
ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số – một yếu
tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm.
Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver) thu được nhiều bản sao của cùng
một tín hiệu truyền. Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau
nhưng ít có sự tương quan về fading. Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý
của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn
so với từng phiên bản riêng lẻ. Các phương pháp kết hợp thường gặp: Bộ tổ hợp
theo kiểu quét và lựa chọn (Scanning and Selection Combiners: SC) quét và lựa
chọn nhánh có tỷ số CNR tốt nhất; bộ tổ hợp với cùng độ lợi (Equal-Gain
Combiners: EGC); Bộ tổ hợp với tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combiners: MRC):
tổ hợp tất cả các nhánh, với hệ số ak tỷ lệ thuận với trị hiệu dụng của tín hiệu và tỷ
lệ nghịch với bình phương trung bình của nhiễu tại nhánh thứ k
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình a: kĩ thuật SC; b: kĩ thuật EGC; c: kĩ thuật MRC
-Fading
-Entropy
Phần II.Các giao thức hợp tác cố định
Phần II.1 Giao thức khuếch đại và phát chuyển tiếp cố định
a.Mô hình hệ thống:
Hình a.1 mô hình giao thức AF

b.Cơ sở lý thuyết
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

Ở giao thức chuyển tiếp AF cố định,node chuyển tiếp khuyếch đại tín hiệu thu
được và phách phiên bản đã khuyếch đại của tín hiệu tới node đích. Kênh
chuyển tiếp khuyếch đại và phát chuyển tiếp có thể được mô hình hóa như sau. Tín
hiệu được phát từ nguồn x thu được ở node chuyển tiếp với node đích là:


Trong đó và là các hệ số kênh giữa node nguồn và node chuyển tiếp và
node đích tương ứng, được mô hình hóa như là các kênh fading Rayleigh phẳng;
và là tạp âm Gauss trắng cộng tính với trung bình không và phương sai . Ở giao
thức này, node chuyển tiếp khuyếch đại tín hiệu thu được từ node nguồn và phát
chuyển tiếp tín hiệu đã khuyếch đại tới node đích lý tưởng nhằm san bằng ảnh
hưởng của suy giảm kênh giữa node nguồn và node chuyển tiếp. Node chuyển tiếp
thực hiện điều này bằng kênh khuyếch đại tín hiệu thu được bởi một hệ số khuyếch
đại tỷ lệ nghịch với công suất thu được như sau:
(2)
Tín hiệu được phát từ node chuyển tiếp do đó là và có công suất là P bằng
với công suất tín hiệu được phát từ nguồn.
Để đánh giá mối quan hệ giữa node nguồn với node đích chúng ta cần tính toán tỉ
số tín hiệu trên nhiểu (SNR).Tỉ số này bằng tổng SNR từ node nguồn và từ node
chuyển tiếp tới node đích.Trong đó SNR khi truyền tín hiệu từ nguồn tới node đích
là:
(3)
Với .
Còn với kênh truyền từ node chuyển tiếp tới node đích với tỉ số SNR được tính
toán như sau:ta biết rằng ở pha 1 thì node nguồn phát tín hiệu tới node đích,còn ở
pha 2 node chuyển tiếp sẽ phát tín hiệu tới đích với công suất phát là P.thì tìn hiệu
nhận được ở node đích có dạng sau:
(4)
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học

Với là hệ số kênh truyền từ node chuyển tiếp tới node đích,và là tạp âm
Gauss trắng cộng tính với trung bình không và phương sai .
Xét tổng quát thì tín hiệu nhận được tại node đích từ node chuyển tiếp có dạng sau:
(5)
Trong đó ;
(6)
Và phương sai (7)
Tín hiệu nhận được tại node đích là tín hiệu tổng của node nguồn và node chuyển
tiếp,có nhiều phương pháp để tổng hợp tín hiệu tại node đích như :Kĩ thuật
Nhưng cho tới nay kĩ thuật tối ưu nhất để tổng hợp tín hiệu tại node đích thì là kĩ
thuật tổ hợp với tỉ số tối đa MRC (Maximal Ratio Combiners).Như đã nói ở
trên.Đây là kĩ thuật tổ hợp tất cả các thành phần với hệ số ,tỉ lệ thuận với giá trị
hiệu dụng của tín hiệu và tỉ lệ nghịch với bình phương trung bình của nhiễu tại
nhánh thứ k.Kĩ thuật MRC cho phép cải thiện xác suất lỗi tốt nhất.
Đầu ra của kĩ thuật MRC là
(8)
Với a1,a2 là hệ số được xây dựng để tối ưu hóa sự kết hợp tín hiệu nâng cao tỉ số
SNR được tính như sau:
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
và (9)
Giả thiết rằng tín hiệu phát x có năng lượng trung bình bắng 1,SNR tức thời ở đầu
ra MRC là : (10)
Trong đó SNR từ liên kết trực tiếp từ nguồn được xác định
(11)
SNR từ liên kết chuyển tiếp được xác định bởi
(12)
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Để đánh giá chất lượng của giao thức hợp tác, chúng ta tính toán dung lượng

outage của kênh trong đó dung lượng outage mà một kênh được yêu cầu để hỗ trợ
tốc độ truyền dẫn R được định nghĩa là:
Pr (13)
Trong đó I(x,y) là thông tin tương hỗ của kênh với đầu vào kênh x và đầu ra
kênh y.Thông tin tương hỗ là một biến ngẫu nhiên vì kênh biến đổi ngẫu nhiên do
bị fading. Để tính thông tin tương hỗ giữa node nguồn và node đích, chúng ta cần
tính tổng tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tức thời ở node đích. SNR thu được ở node đích
là tổng các SNR từ các liên kết chuyển tiếp và liên kết trực tiếp từ nguồn. Kỹ thuật
tối ưu để cực đại hóa tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm tổng cộng được sử dụng ở máy thu
là kỹ thuật kết hợp tỷ lệ cực đại (MRC). Chú ý rằng kết hợp MRC yêu cầu bộ tách
sóng liên kết có hiểu biết về tất cả các hệ số kênh. Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm ở đầu
ra của MRC bằng tổng tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm ở các thanh độc lập.
Thông tin tương hỗ tức thời là một hàm của các hệ số fading đối với sơ đồ khuếch
đại và phát chuyển tiếp được xác định bởi
(14)
Thay thế các giá trị của SNR của cả hai liên kết vào phương trình, thông tin tương
hỗ được tính là:
(15)
Trong đó: ᴦ = P /
và f (x,y) := (16)
Dung lượng outage có thể nhận được bằng cách tính trung bình hóa theo phân phối
độ lợi của kênh như sau:
Pr = .[] (17)
Tính toán biểu thức trên,xác suất outage ở tỷ số SNR cao được xác định là:
Pr[ (18)
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Trong đó hệ số 2 ở 2R là bởi vì một nửa băng thông bị tổn thất trong khi hợp tác để
phân bổ cho kênh chuyển tiếp.Biểu thức xác suất outage suy giảm theo có nghĩa
lag giao thức khuếch đại và phát chuyển tiếp cố định AF đạt được độ lời phân tập

là 2.
Chúng ta đi so sánh về thông số outage và SNR của 2 phương pháp truyền trực tiếp
và phương pháp hợp tác truyền thông.Xét kênh truyền dẫn giữa node nguồn tới
node đích có phương sai là 1,còn từ node nguồn tới node chuyển tiếp và từ node
chuyển tiếp tới đích là 0.5.Phương sai của nhiễu là 1.Sử dùng phần mền mô phỏng
matlab ta có kết quả mô phỏng sau:
Hình a.2 Xác suất outage và tỉ số SNR
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình a.3 Mới quan hệ giữa xác suất outage và tốc độ truyền dẫn
Từ những kết quả mô phỏng trên ta dễ dàng nhận thấy về các vấn đề sau:
-Xét về độ lợi thì đạt được độ lợi phân tập(giống như kết quả nghiên cứu lý
thuyết) khi tỉ số SNR càng cao thì xác suất outage của phương thức kết hợp giảm
nhiều hơn so với truyền trực tiếp.
-Băng thông bị tổn thất 1 nửa điều này được thể hiện khi tốc độ truyền dữ liệu tăng
lên thì xác suất outage sẽ tăng lên đáng kể so với phương pháp truyền trực tiếp.
II.2 giao thức hợp tác giải mã và phát chuyển tiếp
Một chiến lược khác có thể được sử dụng ở node chuyển tiếp là node chuyển tiếp
sẽ giải mã tín hiệu thu được,sau đó lại mã hóa tín hiệu và phát chuyển tiếp tới node
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
đích.Sơ đồ hợp tác kiểu này được gọi là hợp tác giải mã và phát chuyển tiếp cố
định DF(decode and forward).
a.Mô hình hệ thống:
Hình II.2.a1 Mô hình hợp tác giải mã và phát chuyển tiếp
b.Cơ sở lý thuyết
Với x là tín hiệu được phát từ node nguồn thì tín hiệu nhận được tại node
chuyển tiếp,sau khi được giải mã là .Tín hiệu này được phát tới node đích là trong
đó có phương sai đơn vị.
Mặc dù giao thức hợp tác DF có ưu điểm hơn giao thức hợp tác AF trong việc

giảm ảnh hưởng của tạp âm cộng tính ở node chuyển tiếp,giao thức DF có thể xảy
ra khả năng phát chuyển tiếp các tín hiệu đã được tách sóng lỗi tới node đích,gay ra
truyền dẫn lỗi và có thể làm giảm chất lượng của hệ thống.Thông tin tương hỗ giữa
node nguồn và node đích bị giới hạn bởi thông tin tương hỗ của đường liên kết yếu
nhất giữa node nguồn và node chuyển tiếp.Cụ thể hơn,thông tin tương hỗ của sơ đồ
giải mã và phát chuyển tiếp được xác định theo các hệ số suy giảm kênh là:
= (19)
Trong đó toán tử MIN là tính đến thực tế rằng node chuyển tiếp chỉ phát nếu nó
giải mã chính xác,và do đó chất lượng sơ đồ bị giới hạn bởi đường liên kết yếu
nhất giữa node nguồn-node đích,node nguồn-node chuyển tiếp.
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Xác suất outage đối với sơ đồ chuyển tiếp DF được xác định bởi Pr .Bởi vì log là
hàm đơn điệu,sự kiện outage tương đương với sự kiện:
(20)
vậy xác suất outage có thể được viết là:
Pr+Pr{>Pr{ (21)
Bởi vì kênh là kênh fading rayleigh,các biến ngẫu nhiên trên là các biến ngẫu nhiên
dạng mũ với một tham số.Tính trung bình hóa trên các điều kiện kênh,xác suất
outage đối với sơ đồ giải mã và phát chuyển tiếp ở SNR cao được xác định là:
Pr (22)
Từ phương trình trên ta thấy sơ đồ giải mã và phát chuyển tiếp cũng bị tổn thất
nửa băng thông khi hợp tác để phân bổ cho kênh chuyển tiếp,và tín hiệu ở node
chuyển tiếp có thể giải mã không chính xác,nếu tín hiệu ở node chuyển tiếp mà
giải mã không chính xác thì sự kiện phát chuyển tiếp tới node đích là vô
nghĩa.Biểu thức xác suất outage suy giảm theo có nghĩa là giao thức giải mã và
phát chuyển tiếp DF không đạt được độ lợi phân tập.(hay đạt được bằng 1)
Với cùng một số liệu về kênh truyền,cũng như tạp âm qua mô phỏng ta được các
kết quả sau:
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network

Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình II.2.b1 Quan hệ giữa xác suất outage và tỉ số SNR
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình II.2.b.2 Mối quan hệ giữa outage và tốc độ truyền số liệu
Qua các kết quả mô phỏng trên ta dễ dàng nhận ra đó là phương thức hợp giải mã
và phát chuyển tiếp vừ bị tổn thất về băng thông vừa không đạt được độ lợi phân
tập.
Bên cạnh hai kĩ thuật phổ biến nhất để chuyển tiếp cố định,hai sơ đồ chuyển tiếp
khác cũng đáng chú ý là sơ đồ hợp tác nén và phát chuyển tiếp và sơ đồ hợp tác
được mã hóa.Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu các sơ đồ này.
II.3.1 Giao thức hợp tác nén và phát chuyển tiếp
Sự khác nhau chủ yếu giữa sơ đồ hợp tác nén và phát chuyển tiếp và sơ đồ hợp
tác giải mã/khuếch đại và phát chuyển tiếp là ở sơ đồ giải mã/khuếch đại và phát
chuyển tiếp thì node chuyển tiếp phát một bản sao của bản tin thu được,còn ở sơ đồ
nén và phát chuyển tiếp thì node chuyển tiếp phát phiên bản đã được lượng tử hóa
và đã nén bản tin thu được.Do đó,node đích sẽ thực hiện các chức năng thu bằng
cách kết hợp bản tin thu được từ node nguồn và phiên bản lượng tử hóa và đã nén
từ node chuyển tiếp.
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Quá trình lượng tử hóa và nén ở node chuyển tiếp là quá trình mã hóa nguồn,tức
là biểu diễn mỗi bản tin thu được có thể như là một chuối các kí hiệu.Để đơn giản
hóa,các kí hiệu này được giả thiết là các bit nhị phân.Ở node đích,một ước lượng
của bản tin đã lượng tử hóa và đã nén nhận được bằng cách giải mã chuối bit thu
được.Quá trình giải mã này chỉ đơn giản chỉ bao gồm việc ánh xạ các bit đã thu
được thành tập các giá trị ước lượng bản tin phát.Quá trình ánh xạ này gây ra một
lượng méo,lượng méo này có thể được xem như một dạng tạp âm
Chúng ta đã biết tới khái niệm Entropy,Entropy của một biến ngẫu nhiên có thể
được xem xét như là một giá trị của thông tin cung cấp bởi tất cả các kết quả của

biến ngẫu nhiên.Ngoài ra Entropy còn cung cấp cho chúng ta một điểm chuẩn để
đánh giá hiệu suất mã hóa nguồn.Để đơn giản cho cách trình bày chúng ta coi dữ
liệu ở nguồn được tạo ra từ bộ nhớ nhỏ rời rạc của nguồn.Với quy ước này thì
Entropy của biến ngẫu nhiên bắt đầu mã hóa ở nguồn,cung cấp sự ràng buộc thấp
hơn giá trị trung bình của mỗi bit ở nguồn(tốc độ mã hóa nguồn) cần cho việc mã
hóa nguồn.
Việc sử dụng hợp tác và xác suất kết hợp ở node đích,bản tin từ nguồn và node
chuyển tiếp có hiệu quả thì thông tin nhận được ở node đích từ nguồn có thể sử
dụng như một thông tin bên lề.Trong khi bản tin giải mã từ node chuyển tiếp,điều
này cho phép mã hóa chậm hơn tốc độ mã hóa nguồn
Ví dụ đơn giản,chúng ta thảo xem xét vè một mô hình đơn giản của giao thức nén
và phát chuyển tiếp để cho thấy các đặc điểm của giao thức này.Xét một nguồn
phát đi các tín hiệu với bốn mức trạng thái là -1.5;-0.5;0.5;1.5 với giao thức không
hợp tác(truyền trực tiếp) qua kênh AWGN với phương sai chuẩn còn khi sử dụng
giao thức hợp tác thì phương sai chuẩn của kênh truyền là
-xét với trường hợp truyền dẫn không hợp tác thì với mức tín hiệu có giá trị 1.5 sẽ
được giải mã bất kỳ khi nào tín hiệu nhận được vượt qua giá trị 1
(23)
Với
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
(24)
Còn khi sử dụng giao thức nén và phát chuyển tiếp,sẽ chuyển tiếp bản tin nhận
được sau khi đã lượng tử hóa và nén nó.Trong trường hợp bản tin là tín hiệu có
mức giá trị là 1.5,khi đó thông tin nhận được ở node đích gồm hai thành phần là tìn
hiệu từ nguồn và node chuyển tiếp,sự kiện nén tín hiệu sẽ không được thực hiện
khi xảy ra sự cô lập thông tin giữa node nguồn và node đích như hình dưới chó
thấy node chuyển tiếp sẽ mã hóa tín hiệu nhận được là 0 bất cứ khi nào tín hiệu thu
được lớn hơn 1 hoặc nằm trong khoảng [-1;0) và sẽ mã hóa tín hiệu ở mức 1 bất kỳ
khi nào tín hiệu thu được <-1 hoặc nằm trong [0;1].Như vậy có thể thấy các bit nhị

phân 0 và 1 là kết của quá trình mã hóa chuyển từ các giá trị +1 và -1 tương
ứng(quá trình ánh xạ).Ngưỡng để nhận được bản tin từ node chuyển tiếp là 0.Ở
node đích,bản tin mã hóa từ node chuyển tiếp sẽ được giải mã sử dụng,tín hiệu
nhận được từ nguồn sẽ như là thông tin bên lề
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình II.3.1 Ví dụ về giao thức nén và phát chuyển tiếp
Quá trình giải mã được thực hiện theo các nguyên tắc sau:
-Nếu tín hiệu từ node chuyển tiếp là tích cực thì bit nhị phân 0 được giải mã
+Nếu tín hiệu từ nguồn tới là tích cực,tìn hiệu nhận được sẽ tăng lên là 1.5
+Nếu tín hiệu từ nguồn tới là không tích cực thì tín hiệu nhận được sẽ trở thành là
0.5
-Nếu tín hiệu từ node chuyển tiếp là không tích cực thì bit 1 sẽ được giải mã
+Nếu tín hiệu từ node nguồn là tích cực thì tín hiệu nhận được sẽ trở thành 0.5
+Nếu tín hiệu từ nguồn là không tích cực thì tín hiệu nhận được sẽ trở thành -1.5
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Ta có xác suất của tiếp cận thành công như sau:
ở đây:
Qua trên là một vài nét sơ lược về giao thức hợp tác nén và phát chuyển tiếp,để
hiểu rõ hơn có thể tham khảo [1- 2]
II.3.2 Giao thức hợp tác được mã hóa
Sơ đồ hợp tác được mã hóa khác các sơ đồ hợp tác ở trên,trong đó sự hợp tác
được thực hiện ở mức của phân hệ mã hóa kênh.Ở sơ đồ hợp tác mã hóa,node hợp
tác gửi thông tin với độ dư gia tăng,thông tin này sau đó được kết hợp ở máy thu
với từ mã được gửi từ node nguồn,dẫn đến kết quả một từ mã có độ dư lớn hơn
ở sơ đồ hợp tác được mã hóa,một từ mã được phát thành 2 thành phần ,mỗi phần
sử dụng một đường truyền hoặc kênh truyền khác nhau.Các bước chủ yếu trong
chu trình hợp tác được đánh nhãn với nội dung ở các nhận như sau
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network

Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình II.3.2 Chu trình truyền dẫn của sơ đồ hợp tác được mã hóa
Chu trình bắt đầu với một khối gồm ký hiệu thông tin được đưa tới bộ mã hóa
kiểm tra độ dư chu trình (CRC) ở node nguồn (bước 1).Kết quả đầu ra bộ mã hóa
CRC được đưa tới bộ mã hóa sửa lỗi hướng đi (FEC) (bước 2),tao thành từ mã
gồm ký hiệu,do đó tốc độ mã sẽ là .Từ mã này sau đó được phát tới node đích và
cũng được xử lý mào đầu bởi node hợp tác (bước 3).Sau khi thu được thông tin
truyền dẫn từ node nguồn,node hợp tác tiến hành giải mã cả hai từ mã CRC và
FEC ( bước 4).Nếu giải mã CRC là chính xác (bước 5),ký hiệu thông tin ở node
hợp tác lại được đưa tới bộ mã hóa CRC.Đầu ra bộ mã hóa CRC sau đó lại được
đưa tới bộ mã hóa sửa lỗi hướng đi FEC,dẫn đến kết quả đầu ra là từ mà gồm N >
ký hiệu(bước 6),tức là tốc độ mã ở node hợp tác là R=N/.
Kết quả xử lý ở node hợp tác là một từ mã được tạo ra theo cách tương tự như từ
mã được phát bởi node nguồn nhưng gồm ký hiệu kiểm tra chắn lẻ bổ sung tách
rời khỏi phần còn lại của các ký hiệu( bước 7).Trong suốt 2 pha của quá trình
truyền thông, ký hiệu bổ sung được gửi bởi node hợp tác tới node đích (bước 8).Ở
node đích,ký hiệu từ node hợp tác được kết hợp với ký hiệu ở node nguồn để tái
tạo từ mã gồm N ký hiệu và có tốc độ R (bước 9).Từ mã này sau đó được giải mã
(bước 10) và bản tin gốc được khôi phục nếu mã FEC có thể sửa tất cả các lỗi
trong quá trình truyền thông(bước 11).
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Chú ý rằng toàn bộ quá trình có thể được xem như thể là node nguồn cũng thực
hiện mã hóa kênh ở tốc độ R và từ mã được phát gồm N
1
ký hiệu được tạo bằng
cách puncture (xóa) N
2
ký hiệu từ từ mã gồm N ký hiệu.Dù mã kênh được tạo ra
như thế nào,thì điều quan trọng là từ mã được phát bởi node nguồn thuộc về một

mã yếu hơn mã được sử dụng ở node đích.Mã ở node đích mạnh hơn mã ở node
nguồn nhờ kết hợp N
2
ký hiệu chẵn lẻ thu được từ node hợp tác .Chúng ta cũng chú
ý rằng node nguồn và node hợp tác hoạt động trên kênh trực giao,do đó ở cùng thời
điểm mà node nguồn phát từ mã của mình thì node hợp tác cũng thực hiện phát dữ
liệu của nó.Thậm chí là trong khi node hợp tác giúp node nguồn bằng cách phát N
2

ký hiệu,node nguồn cũng có thể giúp node hợp tác nhờ phát thông tin theo cách
tương tự.
Hoạt động của giao thức hợp tác được mã hóa giả thiết rằng node hợp tác giải mã
thành công bản tin gửi từ node nguồn(sau khi kiểm tra CRC).Nếu node hợp tác
không thực hiện giải mã thành công.nó không thể tạo ra N
2
ký hiệu chẵn lẻ bổ sung
đối với node nguồn;thay vào đó ,node hợp tác tạo ra và phát N
2
ký hiệu chẵn lẻ từ
chính dữ liệu của nó.Do đó ,từ mã yếu hơn được phát bởi node nguồn phải là từ mã
khả trị có thể được giải mã khi node hợp tác không thể gửi N
2
ký hiệu chẵn lẻ bổ
sung
Bởi vì ở giao thức hợp tác được mã hóa,hoạt động của node nguồn và node hợp
tác là hoàn toàn đối xứng,chúng ta có thể gọi hai node hợp tác là node một và node
hai.Chất lượng của sơ đồ hợp tác được mã hóa được quyết định bởi khả năng xảy
ra của một trong bốn sự kiện có thể sau:
-Cả node một và node hai đều thành công trong việc giải mã mã kênh (mã yếu
hơn).

-Cả node một và hai đều thất bại trong việc giải mã mã kênh(mã yếu hơn).
-Node một thành công trong việc giải mã mã kênh từ node hai nhưng node hai thất
bại trong việc giải mã kênh từ node một.Trong trường hợp này,cả hai node gửi
thông tin chẵn lẻ bổ sung cho node hai,sau đố thông tin có thể được kết hợp với
nhau ở máy thu sử dụng,ví dụ,bộ kết hợp tỷ lệ cực đại MRC.
- Node hai thành công trong việc giải mã mã kênh từ node một nhưng node một
thất bại trong việc giải mã kênh từ node hai.Trong trường hợp này,cả hai node gửi
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
thông tin chẵn lẻ bổ sung cho node một,sau đố thông tin có thể được kết hợp với
nhau ở máy thu sử dụng,ví dụ,bộ kết hợp tỷ lệ cực đại MRC.
Do kết quả của bốn sự kiện này,xác suất outage ở sơ đồ hợp tác được mã hóa được
xác định bằng xác suất outage trung bình của bốn sự kiện
II.3.3 Giao thức ước lượng và phát chuyển tiếp
a.Mô hình hệ thống
Hình a.3 Mô hình hợp tác ước lượng và chuyển tiếp
b,Cơ sở lý thuyết
Node chuyển tiếp sau khi nhận được tín hiệu từ node nguồn sẽ ước lượng tín
hiệu,sau đó lại phát chuyển tiếp tới node đích.Mô hình hệ thống như trên .Để tìm
hiểu sâu hơn về giao thức hợp tác này có thể tham khảo thêm ở [4]
Phần III.Các giao thức hợp tác thích nghi
Các sơ đồ chuyển tiếp cố định chịu tổn thất xác định về tốc độ truyền dẫn,ví
dụ,chịu tổn thất 50% về hiệu quả sử dụng phổ với truyền dẫn hai pha.Hơn nữa
,chất lượng các sơ đồ chuyển tiếp DF cố định bị hạn chế bởi các kênh yếu giữa
node nguồn-node chuyển tiếp và kênh yếu giữa node chuyển tiếp –node đích làm
giảm độ lợi phân tập xuống một.Các giao thức chuyển tiếp thích nghi đã được xây
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
dựng để cải thiện các nhược điểm nói trên.Dưới đây chúng ta nghiên cứu hai chiến
lược hợp tác là:chuyển tiếp DF và chuyển tiếp gia tăng.

III.1 Giao thức hợp tác DF lựa chọn
Ở sơ đồ chuyển tiếp DF lựa chọn,nếu tỉ số tín hiệu trên tạp âm(SNR) thu được ở
node chuyển tiếp lớn hớn một ngưỡng xác định,node chuyển tiếp giải mã tín hiệu
thu được và phát chuyển tiếp thông tin đã được giải mã tới node đích.Ngược
lại,nếu kênh giữa node nguồn và node chuyển tiếp chịu fading trầm trọng dẫn đến
tỉ số tín hiệu trên tạp âm nhỏ dưới ngưỡng xác định,thì node chuyển tiếp rỗi.Sơ đồ
chuyển tiếp lựa chọn cải thiện chất lượng hơn so với sơ đồ chuyển tiếp DF cố
định,bởi vì ngưỡng của node chuyển tiếp có thể được xác định để khắc phục nhược
điển của sơ đồ DF cố định mà ở đó node chuyển tiếp phát chuyển tiếp tất cả các
tiến hiệu đã giải mã tới node đích mặc dù một số tín hiệu đã giải mã không được
chính xác.
Nếu SNR có lien kết node nguồn-node chuyển tiếp lớn hơn giá trị ngưỡng,node
chuyển tiếp có khả năng giải mã tín hiệu thu được từ node nguồn một cách chính
xác.Trong trường hợp này SNR ở đầu ra MRC kết hợp với node đích là tổng các
SNR thu được từ node nguồn và node chuyển tiếp.Do đó,thông tin tương hỗ đối
với sơ đồ hợp tác DF lựa chọn là[2,4]:
(26)
Với
Xác suất outage đôi với sơ đồ lựa chọn có thể được tính như sau.Sử dụng luật tổng
xác suất,với điều kiện node chuyển tiếp có phát chuyển tiếp tín hiệu từ node nguồn
hay không,chúng ta có.
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network