Nghiên cứu kỹ thuật truyền thông đa chặng trong thông tin vô tuyến băng rộn

Header Page 1 of 126.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
ðẠI HỌC ðÀ NẴNG

TRƯƠNG NGỌC PHÚ

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG ðA CHẶNG
TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật ñiện tử
Mã số:

60.52.70

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

ðà Nẵng, Năm 2013

Footer Page 1 of 126.


Header Page 2 of 126.

Công trình ñược hoàn thành tại
ðẠI HỌC ðÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LÊ HÙNG

Phản biện 1: TS. NGUYỄN VĂN TUẤN

Phản biện 2: PGS TS. NGUYỄN HỮU THANH

Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm Luận văn tốt nghiệp
Thạc sĩ kỹ thuật họp tại ðại học ðà Nẵng vào ngày 2 tháng 6 năm
2013

* Có thể tìm hiểu luận văn tại :
- Trung tâm Thông tin - Học liệu, ðại học ðà Nẵng

Footer Page 2 of 126.


Header Page 3 of 126.

1

MỞ ðẦU
1. Tính cấp thiết của ñề tài
Trong những thập niên trở lại ñây, với phát triển mạnh của các
dịch vụ số liệu, các nhu cầu truyền thông ña phương tiện với tốc ñộ
cao, ñã thúc ñẩy việc nghiên cứu ra nhiều công nghệ mới với băng
thông rộng hơn ñể ñáp ứng lại sự phát triển này. Mạng vô tuyến băng
rộng với các tiêu chuẩn mới như Wimax, LTE/LTE- Advanced, với
các ưu ñiểm vượt trội về tốc ñộ truyền tải dữ liệu, hứa hẹn sẽ ñem lại
cho người sử dụng các dịch vụ truy cập số liệu tốc ñộ và chất lượng
cao.
ðể ñạt ñược nhưng yêu cầu về thông lượng, phạm vi phủ sóng
rộng lớn, cũng như việc cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn, hệ
thống vô tuyến băng rộng ñã sử dụng kỹ thuật truyền thông ña chặng
với các nút chuyển tiếp. Kỹ thuật truyền thông ña chặng sử dụng nút
chuyển tiếp ñể chia ñường truyền (vùng phủ sóng) ra thành nhiều

chặng nhỏ. Kỹ thuật này có nhiều ưu ñiểm như: giảm công suất phát,
mở rộng vùng phủ sóng của mạng, tăng thông lượng hệ
thống….Ngoài ra, việc tăng số chặng của hệ thống ảnh hưởng như
thế nào ñến hiệu năng của hệ thống cũng là vấn ñề cấp thiết cần ñược
nghiên cứu khi thiết kế mạng. Chính vì những vấn ñề trên, mà việc
nghiên cứu kỹ thuật truyền thông ña chặng trong thông tin vô tuyến
băng rộng là cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
+ Nghiên cứu các hệ thống truyền dẫn trong thông tin vô tuyến
băng rộng làm cơ sở cho việc mở rộng mạng bằng kỹ thuật chuyển
tiếp.
+ Nghiên cứu các kỹ thuật chuyển tiếp làm nền tảng cho việc
nghiên cứu kỹ thuật truyền thông ña chặng.

Footer Page 3 of 126.


Header Page 4 of 126.

2

+ Nguyên cứu ñánh giá hiệu năng hệ thống ña chặng ñể làm cơ
sở cho việc qui hoạch, tối ưu mạng.
+ Xây dựng chương trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab ñể
kiểm chứng kết quả lý thuyết ñã ñề cập.
3. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu
+ Các ñặc tính của mạng thông tin vô tuyến băng rộng.
+ Các ñặc tính, nguyên lý hoạt ñộng của kỹ thuật chuyển tiếp,
ưu nhược ñiểm kỹ thuật mạng ña chặng, kiến trúc mạng tế bào ña
chặng.

+ Phân tích hiệu năng hệ thống hai chặng hợp tác, hệ thống ña
chặng không hợp tác với nút chuyển tiếp cố ñịnh.
+ Ứng dụng Matlab ñể mô phỏng.
4. Phương pháp nghiên cứu
+ Thu thập tài liệu, chọn lọc và phân tích các thông tin liên
quan ñến nội dung nghiên cứu của ñề tài.
+ Nguyên cứu lý thuyết về kỹ thuật chuyển tiếp.
+ Xây dựng mô hình hệ thống hai chặng và ña chặng, ñánh giá
các tham số của hệ thống.
+ Sử dụng Matlab ñể mô phỏng ñánh giá các thông số mạng ña
chặng.
5. Bố cục ñề tài
Theo mục tiêu và ñối tượng nghiên cứu ñã trình bày ở phần
trên, nội dung của ñề tài sẽ bao gồm các phần sau:
Chương 1 Giới thiệu hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng
Nội dung chương này giới thiệu tổng quan về hệ thông thống
tin di ñộng, hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng cố ñịnh và băng
rộng di ñộng. Tìm hiểu ñặc tính của kỹ thuật OFDM.

Footer Page 4 of 126.


Header Page 5 of 126.

3

Chương 2 Kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng ña chặng
Giới thiệu về khái niệm kỹ thuật chuyển tiếp, các loại nút
chuyển tiếp, các phương pháp chuyển tiếp tín hiệu, các cơ chế bắt
cặp chọn nút chuyển tiếp.

Chương 3 Kỹ thuật ña chặng trong mạng băng rộng
Giới thiệu khái quát về kỹ thuật mạng ña chặng, phân tích ưu
nhược ñiểm của mạng ña chặng. Trình bày một số kiến trúc của
mạng tế bào ña chặng. Phân tích vấn ñề tiêu thụ công suất phát trong
hệ thống ña chặng.
Chương 4 Phân tích hiệu năng hệ thống ña chặng với nút
chuyển tiếp cố ñịnh
Phân tích hiệu năng của mạng hai chặng hợp tác và mạng ña
chặng với mô hình tuyến tính không hợp tác. ðánh giá các tham số
của hệ thống như SNR, tỉ lệ lỗi bít, xác suất rớt của hệ thống.
Chương 5 Mô phỏng và kết quả
Giới thiệu các lưu ñồ mô phỏng và các kết quả mô phỏng thu
ñược về ñánh giá tỉ lệ lỗi bit, xác suất rớt của hệ thống hai chặng hợp
tác, hệ thống ña chặng.
6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu
Tài liệu nghiên cứu ñược tham khảo là những bài báo, các luận
văn thạc sỹ từ các trường ñại học của các quốc gia khác trên thế giới,
cùng với các trang web tìm hiểu.

Footer Page 5 of 126.


Header Page 6 of 126.

4

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN BĂNG RỘNG
1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Trong chương này sẽ giới thiệu khái quát quá trình phát triển
của mạng vô tuyến di ñộng từ thế hệ ñầu tiên ñến công nghệ mới
nhất 4G. Tiếp ñến, sẽ giới thiệu và so sánh các công nghệ vô tuyến
băng rộng cố ñịnh và vô tuyến băng rộng di ñộng.
1.2 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN MẠNG THÔNG TIN VÔ
TUYẾN DI ðỘNG
1.3 MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG

Hình 1.3 Phân loại mạng vô tuyến băng rộng
1.3.1 Mạng vô tuyến băng rộng cố ñịnh
a. Wi-Fi
b. WiMax
1.3.2 Mạng vô tuyến băng rộng di ñộng
a. Mạng thế hệ thứ 3 (3G)
b. Mạng thế hệ thứ 4 (4G)

Footer Page 6 of 126.


Header Page 7 of 126.

5

1.3.3 So sánh mạng vô tuyến băng rộng di ñộng và cố ñịnh
Tốc ñộ

4G

Wimax

Wi-Fi

3.xG
3G
2G

Tính di ñộng

Hình 1.6 Quan hệ giữa vô tuyến cố ñịnh và vô tuyến di ñộng
1.4 KỸ THUẬT OFDM
1.4.1 Giới thiệu
1.4.2 Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM
1.4.3 Sự trực giao (Orthogonal)
1.4.4 Sơ ñồ khối hệ thống OFDM
1.4.6 Ưu ñiểm và nhược ñiểm của kỹ thuật OFDM
1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Mạng vô tuyến băng rộng cố ñịnh giúp người sử dụng ñáp ứng
nhu cầu ngày càng tăng cho việc truy cập vô tuyến băng thông rộng
tại các ñiểm phát sóng. Trong khi các công nghệ vô tuyến băng rộng
di ñộng cho phép truy cập mạng vô tuyến băng thông rộng với người
dùng với tinh di ñộng cao.

Footer Page 7 of 126.


Header Page 8 of 126.

6

CHƯƠNG 2

KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG ðA CHẶNG
2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Nội dung chương này sẽ giới thiệu khái niệm cơ bản về nút
chuyển tiếp, những phương pháp chuyển tiếp thường ñược sử dụng
trong mạng băng rộng. Ngoài ra, trong chương cũng sẽ phân tích một
số loại chuyển tiếp, các phương thức bắt cặp lựa chọn nút chuyển
tiếp.
2.2 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP
Nguyên lý của kỹ thuật chuyển tiếp là sử dụng nút chuyển tiếp
(RN) như một thiết bị ñể truyền dữ liệu giữa trạm gốc (BS) và thiết
bị người dùng (UE/ MS). Hình 2.1 cho ta một mô hình mạng chuyển
tiếp ñơn giản với nguồn (BS), nút chuyển tiếp (Relay) và ñích (UE).

Hình 2.1 Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp
2.3 CÁC LOẠI CHUYỂN TIẾP
Có hai loại chuyển tiếp ñược ñịnh nghĩa trong tiêu chuẩn
3GPP LTE-Advanced là chuyển tiếp loại 1 (Type-I) và loại 2 (TypeII). Nút chuyển tiếp loại 1 là ñể mở rộng vùng phủ sóng. Nút chuyển
tiếp loại 2 ñược sử dụng ñể cải thiện cải thiện chất lượng dịch vụ và
dung lượng ñường truyền.

Footer Page 8 of 126.


Header Page 9 of 126.

7

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN TIẾP TÍN HIỆU
2.4.1 Khuếch ñại và chuyển tiếp (AF)

2.4.2 Giải mã và chuyển tiếp (DF)
2.4.3 Giải ñiều chế và chuyển tiếp (DMF)
2.5 CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP
2.5.1 Chuyển tiếp một chiều (one way relay)

Hình 2.5 Chuyển tiếp một chiều
2.5.2 Chuyển tiếp hai chiều (two way relay)

Hình 2.6 Chuyển tiếp hai chiều
2.5.3 Chuyển tiếp chia sẻ
2.6 PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP
2.6.1 Phương pháp bắt cặp tập trung
2.6.2 Phương pháp bắt cặp phân phối
2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Các kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng ña chặng ñã ñược phân
loại dựa trên cách thức tiếp cận khác nhau như dựa trên vị trí, chức
năng của chuyển tiếp trong mạng, cách thức tiếp nhận và xử lý tín
hiệu của nút chuyển tiếp. Qua ñó, có thể thấy rằng nút chuyển tiếp
ñược xem là phương thức ñể ñảm bảo dung lượng và tăng cường
phạm vi phủ sóng của hệ thống vô tuyến.

Footer Page 9 of 126.


Header Page 10 of 126.

8

CHƯƠNG 3

KỸ THUẬT ðA CHẶNG TRONG MẠNG BĂNG RỘNG
3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Chương này sẽ phân tích ưu, nhược ñiểm và trình bày một số
kiến trúc ñiển hình của mạng tế bào ña chặng. Ngoài ra, trong phần
cuối của chương sẽ phân tích hiệu quả của công suất phát khi thay
ñổi số chặng truyền dẫn vô tuyến từ nguồn ñến ñích trong môi
trường không gian tự do .
3.2 KHÁI NIỆM MẠNG ðƠN CHẶNG VÀ ðA CHẶNG
+ Mạng ñơn chặng
Mạng vô tuyến di ñộng hiện tại (như GSM, CDMA, và IEEE
802.16) hoạt ñộng theo cấu trúc liên kết ñiểm-ña ñiểm, trong ñó chỉ
tồn tại hai và chỉ hai loại thực thể mạng, là trạm gốc (BS) và trạm di
ñộng (MS).

Hình 3.1 Topology mạng ñơn chặng ñiểm – ña ñiểm
+ Mạng ña chặng
Mạng chuyển tiếp ña chặng là một sự kết hợp của các liên kết
ngắn ñể có thể phủ sóng một khu vực lớn rộng lớn bằng cách sử
dụng thiết bị chuyển tiếp trung gian giữa trạm gốc (BS) và máy thu
(MS). Trong hình 3.3a, việc truyền tín hiệu vô tuyến chỉ có thể ñến
các trạm mà cách nhau một chặng từ máy phát. MS3 trong hình 3.3a
chỉ có thể thiết lập một việc truyền dẫn trực tiếp với RS3. Trong hình

Footer Page 10 of 126.


Header Page 11 of 126.

9

3.3b, MS3 có thể ñược tham gia truyền dẫn trực tiếp không chỉ với
BS, mà còn với RS2 và RS3. Mô hình này còn gọi là hệ thống ña
chặng phối hợp.

a) Topology 1

b) Topology 2

Hình 3.3 Hai topology ñiển hình của mạng chuyển tiếp ña chặng
3.3 ƯU NHƯỢC ðIỂM CỦA MẠNG ðA CHẶNG
3.3.1 Ưu ñiểm của mạng ña chặng
3.3.2 Nhược ñiểm của mạng ña chặng
3.4 KIẾN TRÚC MẠNG TẾ BÀO ðA CHẶNG
3.4.1 Mạng ña chặng với nút chuyển tiếp cố ñịnh
3.4.2 Mạng ña chặng với nút chuyển tiếp di ñộng
3.4.3 Mạng ña chặng với nút chuyển tiếp lai
3.5 VẤN ðỀ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT TRONG MẠNG ðA
CHẶNG
3.5.1 Công suất phát trong hệ thống ñơn chặng
Công suất phát của tuyến truyền dẫn ñơn chặng như sau:
PTx _ SH = PRx KD 2
(4.2)
Với K = (4π λ )2

Footer Page 11 of 126.


Header Page 12 of 126.
(a)

A

(b)

A

10
D

da

R

B

db

B

Hình 3.12 Mô hình truyền thông ñơn chặng và hai chặng
3.5.2 Công suất phát trong hệ thống ña chặng
Trong trường hợp tổng quát, khoảng cách truyền dẫn ñược
chia thành n chặng bằng nhau, ta có công suất phát của tuyến truyền
dẫn ña chặng như sau :
2
2


D
D

PTx _ MH = n.PRx K   ; ∀1 < n < ∞ | 0 ≤ PRx K   ≤ 20dBm (4.4)


n
n
Multi-Hop vs Tx Power
1
0.9
0.8

PTX MH in W

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
n

Hình 3.13 Suy giảm theo hàm mủ của công suất phát với số chặng
3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Trong chương này ñã trình bày những khái niệm cơ bản, ưu
nhược ñiểm về kỹ thuật truyền thông ña chặng. Một số kiến trúc
mạng ña chặng ñã ñược ñưa ra, nhà quản lý mạng sẽ lựa cho cho
mình kiến trúc mạng hợp lý phù hợp với ñiều kiện thực tế. Ngoài ra,
qua phân tích số học, ta thấy rằng công suất phát sẽ giảm ñáng kể khi
tăng số chặng truyền dẫn giữa trạm phát và trạm thu.

Footer Page 12 of 126.


Header Page 13 of 126.

11

CHƯƠNG 4

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG ðA CHẶNG VỚI
NÚT CHUYỂN TIẾP CỐ ðỊNH
4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Chương này sẽ phân tích hiệu năng của hệ thống hai chặng
hợp tác với một nút chuyển tiếp và hệ thống ña chặng với mô hình
tuyến tính sử dụng nhiều nút chuyển tiếp cố ñịnh nối tiếp nhau. Việc
ñánh giá hiệu năng của mô hình ña chặng sẽ thực hiện việc qua
phương pháp dựa trên hàm sinh mô men.
4.2 HỆ THỐNG HAI CHẶNG
4.2.1 Mô hình và SNR hệ thống không hợp tác
Mô hình hệ thống vô tuyến hai chặng không hợp tác ñược
trình bày ở hình 4.1.

Hình 4.1 Hệ thống truyền thông vô tuyến hai chặng với RS
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại ñầu thu :

γ eq =

γ 1γ 2
γ1 + γ 2 +1

(4.5)

4.2.2 Mô hình hệ thống hai chặng hợp tác
Xét mô hình hệ thống vô tuyến hai chặng hợp tác như hình
4.3.

R

hS,R

S

hR,D
hS,D

D

Hình 4.3 Mô hình hệ thống hai chặng phân tập hợp tác

Footer Page 13 of 126.


Header Page 14 of 126.

12

ðịnh nghĩa ngưỡng SNR của tín hiệu γ0 là giá trị tối thiểu của
SNR mà ñích có thể nhận tín hiệu thành công mà không cần sự hỗ
trợ của tín hiệu chuyển tiếp.
4.2.3 Xác suất lỗi bít trung bình
Xác suất lỗi bít trung bình của tín hiệu kết hợp tại ñích khi
SNR của hệ thống ( γ S , D ) thấp hơn ngưỡng γ0 ñược tính như sau:
P(e) = P(γ SD ≤ γ 0 ) × Pdiv (e) + (1 − P(γ SD ≤ γ 0 )) ×P direct (e)

(4.7)

Trong ñó Pdiv là xác suất lỗi trung bình của truyền dẫn phân
tập kết hợp từ S và R ñến D.

P(γ SD ≤ γ 0 ) = 1 − exp(−γ 0 γ SD )

(

Pdirect (e) = a × erfc bγ 0
− a × eγ

)

bγ SD
erfc γ 0 (b + 1 γ SD )
1 + bγ SD

(

γ SD

0

(4.8)

)

(4.11)

∞

Pdiv (e) = a ∫ fY ( y | γ SD ≤γ 0 )erfc( by )dy

(4.15)

0

Biểu thức tính Pdiv(e) phụ thuộc vào phương thức chuyển tiếp
ñược sử dụng ở nút chuyển tiếp.
a. Khuếch ñại và chuyển tiếp (AF )
+ Trường hợp γ SD ≠ γ :

Pdiv (e) =

+ e −γ

0

a
(γ − γ SD )(1 − e
(1 / γ SD +1 / γ )

(γ

SD


bγ SD
bγ
× γ SD
erf λ − γ
erf ( ζ )
1 + bγ SD

1 + bλ
) 
− γ eγ / γ )erfc ( bγ 0 ) − (γ SD − γ )

( )

−γ o / γ S , D

eγ

0

/γ

0

SD


 
bγ
) γ e −γ / γ erfc ( bγ 0 ) −
erfc ( ζ   (4.17)
1 + bγ

 
trong ñó λ = γ 0 (1 + bγ SD ) / γ SD và ζ = γ 0 (1 + bγ SD ) / γ

+ ( 1 − e −γ

0 (1 / γ SD −1 / γ

)

Footer Page 14 of 126.

0

(

)


Header Page 15 of 126.

13

+Trường hợp γ SD = γ :
a
(1 − e −γ

Pdiv (e) =


4bγ 0 −γ (1+bγ ) γ + γ 0 −γ / γ
0.5
× 1 +
e
−
e

erfc( bγ 0 )
γ
)  1 + bγ π
bγ
0.5
bγ
−
erf λ −
erf λ
1 + bγ
1 + bγ 1 + bγ
0

0

/γ

( )

+

0

( )


bγ
γ
γ 0 −γ / γ
e

erfc bγ 0 − 02
erfc λ  (4.19)
γ 1 + bγ
γ


(

0

)

( )

Cuối cùng thay (4.8), (4.11) và (4.17) hoặc (4.19) vào (4.7) ta
có ñược biểu thức dạng closed-form cho xác suất lỗi bit của hệ thống
hai chặng với nút chuyển tiếp AF, với sự phân tập hợp tác trên kênh
Rayleigh fading.
b. Giải mã và chuyển tiếp (DF )
Trong phương thức DF, Xác suất lỗi Pdiv(e) ñược tính như sau:
(4.20)
Pdiv (e) = PSR (e) Px (e) + (1 − PSR (e) )Pcom (e)
bγ SR
(4.21)
)
1 + bγ SR
Px (e) có thể ñược giới hạn ở giá trị xấu nhất Px ( e) ≤ 0.5

Trong ñó: PSR ( e) = a (1 −

Xác suất lỗi Pcom(e) ñược tính trong hai trường hợp sau:
+ Trường hợp γ SD ≠ γ RD :
a (1 − e − γ / γ ) −1 
bγ SD
bγ RD
erf ( λ ) − γ RD
erf ( ζ )
γ SD
γ RD − γ SD 
1 + bγ SD
1 + bγ RD
0

Pcom (e) =

+ e −γ

0

SD

/(1/ γ SD +1/ γ RD )

+ (1 − e −γ

0

/(1 / γ

(γ SD eγ

SD−1 / γ RD

0

/ γ RD


) γ RDe−γ


0

− γ RD eγ
/ γ RD

/ γ SD

)erfc bγ 0 − (γ SD − γ RD )

 
bγ RD
erfc( ζ ) 
1 + bγ RD
 
(4.24)
và ζ = γ 0 (1 + bγ RD ) / γ RD

erf bγ 0 − γ RD

Với λ = γ 0 (1 + bγ SD ) / γ SD

Footer Page 15 of 126.

0


Header Page 16 of 126.

14

+ Trường hợp γ SD = γ RD :
a
Pcom (e ) =
1 − e −γ / γ

0. 5
4bγ 0 −γ
× 1 +
e
π
 1 + γ RD
0

RD

−
+

0 /(1+bγ RD )

−

γ RD + γ 0 −γ
e
γ RD

0 / γ RD

erfc( bγ 0 )

bγ RD
0. 5
bγ RD
erf ( λ ) −
erf ( λ )
1 + bγ RD
1 + bγ RD 1 + bγ RD

γ 0 −γ
e
γ RD

0

/ γ RD

erfc bγ 0 −



bγ RD
γ0
erfc( λ ) (4.26)
2
γ RD 1 + bγ RD


Cuối cùng thay (4.21) và (4.24) hoặc (4.26) vào (4.20), sau ñó
thế (4.8), (4.11) và (4.20) vào (4.7) ta có ñược biểu thức dạng closedform cho xác suất lỗi bit của hệ thống hai chặng với nút chuyển tiếp
DF, với sự phân tập hợp tác trên kênh Rayleigh fading.
4.2.4 Xác suất rớt mạng (Outage)
Xác suất mà SNR toàn hệ thống tại ñích thấp hơn γ 0 thì ta gọi
là xác suất rớt.
a. Khuếch ñại và chuyển tiếp (AF )
Xác suất rớt mạng khi sử dụng nút chuyển tiếp AF có thể ñược
tính như sau:

Pout = P(γ S ,R, D + γ SD ≤ γ 0 | γ SD ≤ γ 0 )P(γ SD ≤ γ 0 )
γ SD
γ

1 + γ − γ exp(−γ 0 / γ ) − γ − γ exp(−γ 0 / γ SD ) , if γ SD ≠ γ

SD
SD
Pout = 
+
γ
γ
1 − SD 0 exp(−γ / γ )

, if γ SD ≠ γ
0
SD

γ SD
b. Giải mã và chuyển tiếp (DF )

Pout = Pr(γ SD ≤ γ 0) Pr[min(γ SR,γ SD + γ RD ≤ γ 0 ) | γ SD ≤ γ 0 ]

Footer Page 16 of 126.

(4.27)
(4.28)


Header Page 17 of 126.

(

Pout

15

)(

)

 1 − e −γ 0 γ SR 1 − e −γ 0 γ SD + e −γ 0 γ SR

−γ γ

−γ γ
  γ RD e 0 RD − γ SD e 0 SD 

× 1 +
γ SD − γ RD
 

=
−γ 0 γ SR
−γ 0 γ SD
−γ 0 γ SR
+e
1− e
 1− e
 
× 1 − γ 0 + γ SD e −γ 0 γ SD 
 
γ SD


(

)(

, if γ SD ≠ γ RD

)

(4.32)

, if γ SD = γ RD

4.3 HỆ THỐNG ðA CHẶNG
4.3.1 Mô hình kênh và SNR hệ thống
Xét hệ thống truyền thông vô tuyến như hình 4.4. Tín hiệu từ
nguồn lan truyền qua n chặng trước khi ñến ñích. Trong ñó hn là biên
ñộ fading của chặng thứ n.
R1

h2

Rn-2

R2

hn-1

Rn-1

h1

hN

S

D

Hình 4.4 Sơ ñồ khối hệ thống N chặng
Ta có SNR toàn hệ thống ( γ eqN ) ñược cho bởi:

γ eqN

 N 
1 
= ∏ 1 +  − 1
 n =1  γ n  

−1

(4.34)

4.3.2 Xác suất rớt mạng
Với mô hình hệ thống ở hình 4.4, khi n=2, ta có xác suất rớt
của hệ thống 2 chặng cho như sau:
 γγ

(4.37)
Pout = P γ eq < γ th = P  1 2 < γ th 
γ 2 + C

Cγ th −γ th γ 1
Cγ th
(4.39)
)
Pout = 1 − 2
e
K1 ( 2
γ 1γ 2
γ 1γ 2

[

]

∞

Với K1 ( x) = ∫ exp(− x cosh t ) cosh t dt
0

Footer Page 17 of 126.


Header Page 18 of 126.

16

Với hệ thống n chặng, ta sử dụng phương pháp dựa trên hàm
MGF ñể tính Pout. Xác suất rớt mạng Pout của hệ thống n chặng sử
dụng chuyển tiếp không tái sinh ñược tính như sau:
 1
1 
Pout = Fγend (γ th ) = Pr[γ ep < γ th ] = 1 − Pr
<

 γ eq γ th 

 M 1 γ ( s) 

= 1 − L−1 


s

1γ

(4.40)

th

th

Trong ñó, Fγend (γ th ) là hàm phân phối xác suất tích lũy
(CDF) của γ end ,

L−1 (⋅) biểu thị phép biến ñổi Laplace ngược và

M 1 γ th là hàm sinh mô men MGF của nghịch ñảo SNR ñầu cuối.
Với kênh Rayleigh fading, MGF của 1
N

M 1 γ (s) = ∏ 2
eq

n=1

γ eq ñược tính như sau: [20]


s 
K1  2
γ n  γ n 

s

(4.41)

4.3.3 Xác suất lỗi bit trung bình
+ ðiều chế BDPSK như sau:
1
1 N
Pb ( E ) = M γ eq (1) =
2
2 N +γ
+ Với 4-QAM
N
Pb ( E ) =
2 N +γ + γ (N + γ )

(

(4.45)

)

(4.46)

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG
ðể ñánh giá hiệu năng của mạng hai chặng hợp tác, chương
này ñã ñưa ra biểu thức dạng closed-form của xác suất lỗi bít và xác
suất rớt phục vụ cho việc mô phỏng trong chương tiếp theo. Ngoài
ra, với mô hình hệ thống ña chặng tuyến tính, sử dụng các nút
chuyển tiếp cố ñịnh, chương này ñã sử dụng phương pháp dựa trên

hàm sinh mô men (MGF) ñể ñánh giá các thông số hiệu năng mạng.

Footer Page 18 of 126.


Header Page 19 of 126.

17

CHƯƠNG 5

MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
5.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Trong chương này sẽ giới thiệu việc mô phỏng minh họa một
cách trực quan hiệu năng của hệ thống hai chặng hợp tác và hệ thông
ña chặng tuyến tính, với biểu ñồ ñánh giá BER, xác suất rớt so với
SNR.
5.2 CÁC LƯU ðỒ THUẬT TOÁN
5.2.1 Lưu ñồ thuật toán ñánh giá BER hệ thống hai chặng
hợp tác
Bắt ñầu
Khởi tạo các thông số
ban ñầu
N, SNR,

γ 0 , α , a,b,

Tính SNR :

γ SR , γ RD , γ SD

ðúng
i <= length(SNR)

Sai
Tính BER 2
chặng hợp tác

Vẻ ñồ thị BER
theo SNR

γ0 =0
ðúng
Tính BER
trực tiếp

Sai

γ SD ≠ γ

Sai

Tính Pdiv

ðúng

Tính Pdiv

i ++

Kết thúc

Hình 5.1 Thuật toán mô phỏng BER cho hệ thống hai chặng hợp tác

Footer Page 19 of 126.


Header Page 20 of 126.

18

5.2.2 Lưu ñồ thuật toán ñánh giá xác suất rớt hệ thống hai
chặng hợp tác
Bắt ñầu

Khởi tạo các thông số ban ñầu
N, SNR,

γ0, α ,

dSR,, dRD, dSD

Tính SNR :

γ SR , γ RD , γ SD , γ
i ++

i< =length( γ 0 )

Sai

ðúng

j< =length( γ SD )

Sai

Vẻ ñồ thị Pout
theo SNR

ðúng

Tính Pout

j ++
Kết thúc

Hình 5.2 Thuật toán mô phỏng Pout cho hệ thống hai chặng hợp tác

Footer Page 20 of 126.


Header Page 21 of 126.

19

5.2.3 Lưu ñồ mô phỏng ñánh giá BER hệ thống ña chặng
Mô hình mô phỏng BER hệ thống ña chặng (mô hình tuyến
tính) ñược sử dụng ở hình (4.4). Nút chuyển tiếp ñược sử dụng là nút
AF. Giả ñịnh các terminal là cố ñịnh, khoảng cách từ nguồn ñến ñích

là d. Hệ thống ña chặng sử dụng ( N − 1) nút chuyển tiếp chia hệ
thống thành N chặng có khoảng cách bằng nhau (d / N ) .
Tín hiệu phát

Rayleigh fading,
AWGN

Rayleigh fading,
AWGN

Kênh chuyển tiếp
h(S,R)

Kênh trực tiếp
h(S,D)

Nút chuyển tiếp 1
(N-1) nút

Tín hiệu thu trực tiếp
(direct link)

Nút chuyển tiếp
(N-1)
Kênh truy nhập
h(R,D)

Rayleigh fading,
AWGN

Tín hiệu thu sau
N hops

Tính SNR, BER
trực tiếp

So sánh

Tính SNR, BER
N hops

Hình 5.3 Sơ ñồ mô phỏng ñánh giá BER cho hệ thống N chặng

Footer Page 21 of 126.


Header Page 22 of 126.

20

5.3 CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
5.3.1 ðánh giá BER hệ thống hai chặng hợp tác
Kết quả mô phỏng ở hình 5.4 cho thấy tỉ lệ lỗi bit với các giá
trị khác nhau của γ 0 . Kết quả cho thấy BER của hệ thống hai chặng
với nút chuyển tiếp hợp tác tốt hơn so với ñường truyền trực tiếp.
Khi mức ngưỡng γ 0 tăng tỉ lệ lỗi bít sẽ ñược cải thiện hơn. Sở dĩ có
ñược ñiều này là do hệ thống ñạt ñược lợi ích từ cơ chế phân tập hợp
tác. Ngoài ta, ta cũng thấy rằng ở SNR cao hiệu năng lỗi của cơ chế
chuyển tiếp hợp tác là có xu hướng song song với ñường truyền trực
tiếp.

BER for dual hop with Cooperative Relay

0

10

-1

10

-2

10

-3

BER

10

-4

10

Direct Transmission
Dual-hop g0=2.71

-5

10

Dual-hop g0=4.77
-6

Dual-hop g0=6.92

10

Dual-hop g0=9.09

-7

10

0

5

10

15
Es/No(dB)

20

25

30

Hình 5.4 BER cho hệ thống hai chặng hợp tác với chuyển tiếp AF

5.3.2 ðánh giá xác suất rớt hệ thống hai chặng hợp tác
Hình (5.7) biểu diễn xác suất rớt (outage) ñã ñược ñịnh nghĩa
trong phần (4.2.3). Kết quả mô phỏng cho thấy rằng khi γ 0 tăng, xác
suất rớt sẽ tăng. Nguyên nhân là khi γ 0 tăng thì xác suất mà tổng
SNR của tín hiệu kết hợp nhỏ hơn ngưỡng γ 0 cũng sẽ tăng, dẫn ñến
xác suất rớt cũng tăng. Ngoài ra, ta thấy ñược hệ thống với nút
chuyển tiếp AF vận hành tốt hơn hệ thống với nút chuyển tiếp DF.

Footer Page 22 of 126.


Header Page 23 of 126.

21

Pout Dual-hop Cooperative with AF and DF Relay

0

10

γ0

-1

10

= 6.92

-2

Pout

10

-3

10

γ0

-4

10

-5

10

= 2.71

AF Relay
DF Relay

-6

10

0

5

10

15
Es/No(dB)

20

25

30

Hình 5.7 Xác suất rớt hệ thống hai chặng hợp tác với nút AF và DF
5.3.3 ðánh giá BER hệ thống ña chặng
a. ðiều chế BPSK
BER
Performance of Two-Hop System over Rayleigh Fading Channel
0
10
BER 2-Hops
BER Direct Transmission
-1

Bit Error Rate

10

-2

10

-3

10

-4

10

0

5

10

15
20
25
Average SNR per hop

30

35

Hình 5.8 BER cho hệ thống hai chặng trên kênh Rayleigh fading

Footer Page 23 of 126.

Header Page 24 of 126.

22

BER for BPSK - Multihop over Rayleigh channel

0

10

-1

Bit Error Rate

10

-2

10

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

-3

10

-4

10

0

5

10

15
20
SNR per Hop

25

30

35

Hình 5.9 BER cho hệ thống ña chặng trên kênh Rayleigh fading
b. ðiều chế QPSK
BER - QPSK for multihop over Rayleigh channel

0

10

-1

Bit Error Rate

10

-2

10

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

-3

10

-4

10

0

5

10

15

20
25
SNR per Hop

30

35

40

Hình 5.10 BER cho hệ thống ña chặng trên kênh Rayleigh fading

Footer Page 24 of 126.


Header Page 25 of 126.

23

Nhận xét và ñánh giá kết quả
- Với hệ thống hai chặng, hình 5.8 cho ta thấy tỉ lệ lỗi bit
(BER) của hệ thống có sự hỗ trợ của 1 nút chuyển tiếp (hai chặng)
tốt hơn so với ñường truyền trực tiếp.
- Mở rộng mô phỏng với việc bổ sung thêm nhiều chặng vào
hệ thống, theo kết quả mô phỏng trong hình (5.9) và (5.10) ta thấy
rằng, với hệ thống 6 chặng với 5 nút chuyển tiếp cho BER tốt hơn
ñường truyền trực tiếp. Ngoài ra, tỉ lệ BER sau mỗi chặng thêm vào
là tăng so với chặng trước ñó nhưng tỉ lệ tăng không giống nhau, hay

nói cách khác BER tăng sau khi tăng thêm vào mỗi chặng là có hiệu
ứng giảm dần.
5.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG
Kết quả mô phỏng với cho thấy ñược 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 ñược cải thiện hơn so với truyền dẫn trực tiếp,
nhờ cơ chế phân tập hợp tác giữa ñích và nút chuyển tiếp. Với hệ
thống ña chặng không hợp tác, BER của hệ thống ña chặng với nút
chuyển tiếp là tốt hơn so với ñường 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 ñều mà có hiệu
ứng giảm dần sau mỗi chặng thêm vào.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu
Trong thông tin vô tuyến băng rộng, kỹ thuật truyền thông ña
chặng với nút chuyển tiếp là một công nghệ mới ñem lại nhiều ưu
ñiểm và lợi ích cho ngành viễn thông trong tương lai, cụ thể là áp
dụng trong hệ thống thông tin di ñộng 4G LTE. Tại các khu vực rìa
cell, nơi mà tín hiệu thu ñược có SNR rất thấp, do ñó hệ thống mạng

Footer Page 25 of 126.