Truyền thông chuyển tiếp hai chiều trong môi trường vô tuyến nhận thức luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 02 03

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HỒNG NHẬT

TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU TRONG
MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Hà Nội - 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN HỒNG NHẬT

TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU TRONG
MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

Ngành: Công nghệ Điện tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử
Mã số: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
PGS.TS NGUYỄN LINH TRUNG

Hà Nội - 2014


1

LIC MèN
Tổi xin gòi lới bit ỡn sƠu sc n PGS.TS. Nguyn Linh Trung  d nh rĐt nhiu thới
gian v cổng sức hữợng dÔn nghiản cứu v giúp tổi ho n th nh lun vôn tt
nghiằp.
NhƠn Ơy, tổi xin chƠn th nh cÊm ỡn Ban GiĂm hiằu Trữớng i hồc Cổng
nghằ, i hồc Quc Gia H Ni v cĂc thy cổ ang cổng tĂc ti Khoa iằn Tò - Vin
Thổng ca trữớng  to rĐt nhiu iu kiằn tổi hồc tp v ho n th nh tt khõa hồc.
Mc dũ tổi  cõ nhiu c gng ho n thiằn lun vôn, tuy nhiản khổng th trĂnh
khọi nhng thiu sõt, rĐt mong nhn ữổc nhng õng gõp qu bĂu ca qu
thy cổ v cĂc bn.
TĂc giÊ lun vôn
NGUY N HNG NH T

Lun vôn n y nm trong khuổn kh ca
/N T.

t i Ngh nh thữ m s 39/2012/H


LI CAM OAN
Tụi cam oan nởi dung trỡnh by trong luên vn ny l kát quÊ cụng viằc
nghiờn cựu cừa tụi v nởi dung ny cha ủc ng gỷi hay trỡnh by
luên vn no khỏc cừa tụi. Luên vn ny khụng chựa ỹng cỏc ti liằu ó
ủc ng hay viát trợc õy bi ngới no khỏc ngoi viằc sỷ dửng cỏc

ti liằu dựng tham khÊo cho luên vn ny.

Ký tờn:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Hồc viờn: Nguyạn Hỗng Nhêt


3

Möc löc
Líi c£m ìn
Líi cam oan
Möc löc
Danh s¡ch h…nh v‡
Danh möc c¡c tł vi‚t t›t
M— U
Ch֓ng 1. M NG CHUY N TI P HAI CHI U
1.1.
1.2.

M⁄ng chuy”n ti‚p hai chi•u [2] . . . .
Mæ h…nh h» thŁng [10] . . . . . .

Ch÷ìng 2. M˘ H NH CHUY N TI P HAI CHI U K T HÑP
2.1.
Mæ h…nh h» thŁng v cì ch‚ truy•
2.2.
Ph¥n t‰ch mæ h…nh [1] . . . . . .
2.2.1. T‰nh to¡n dung n«ng truy
2.2.2.
2.3.

Tâm t›t k‚t qu£ ch÷ìng . . . . . . . .
2.3.1.
2.3.2.
2.4.
Mæ phäng v th£o lu“n . . . . . . . .
2.4.1.
2.4.2.
Ch÷ìng 3. M NG CHUY N TI P HAI CHI U CH¯N L¯C
3.1.
3.2.

Mæ h…nh h» thŁng relay selectio
chuy”n ti‚p chån låc (RS-AF) [6] .
Lüa chån nót chuy”n ti‚p trong m⁄n
3.2.1. Optimal relay selection amp


3.2.2. Sub-optimal relay selection
3.3.

Ph¥n t‰ch ho⁄t ºng [6] . . . . . . . .
3.3.1.
3.3.2. So s¡nh Symbol error rate

3.4.
3.5.
3.6.

C§p ph¡t cæng su§t [6] . . . . . . . .
Tâm t›t k‚t qu£ ch÷ìng . . . . . . . .

Mæ phäng v th£o lu“n . . . . . . . .
3.6.1.
3.6.2.

Ch÷ìng 4. NH H×—NG SUY GI M CÕA PH N CÙNG TRONG
M NG CHUY N TI P HAI CHI U
4.1.
Mæ h…nh ph¥n t‰ch [7] . . . . . .
4.2.
Ph¥n t‰ch c¡c bi”u thøc x¡c su§t
4.2.1.
4.2.2.
4.3.
Tâm t›t k‚t qu£ ch÷ìng . . . . . . . .
4.4.
Mæ phäng v• t¡c ºng suy gi£m do
4.5.
Th£o lu“n . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
KTLUN
T i li»u tham kh£o


5

Danh sĂch hnh v
1.1.1.Mng chuyn tip 2 chiu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1.Mổ hnh kảnh truyn chuyn tip hai chiu . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1.Mổ hnh mng . CĂc kỵ hiằu ch s kảnh v khe thới gian ca cỡ ch
truyn 3 khe thới gian (ch s pha trản) v
(ch s pha dữợi). Hai mổ hnh truyn (a) v

2.4.1.Dung nông (dung lữổng) trung bnh ca gia 2 u cui ca mng .
2.4.2.Thổng lữổng tng ca mng theo tc bit khi 2 u cui cĂch ly
v
ữớng truyn BS-RS lỵ tững . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.1.1.Sỡ ỗ
khi mổ hnh xuĐt RS-AF v cỡ ch AP-AF . . . . . . . . 28
3.6.1.Mổ phọng giĂ tr SER gia 2 cỡ ch O-RS-AF v cỡ ch S-RS-AF
(vợi ps = pr = 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.2.Mổ phọng SER gia 2 cỡ ch S-RS-AF v AP-AF . . . . . . . . . .
3.6.3.SER mổ phọng so vợi kt quÊ phƠn tch gn úng biu din dng
cổng thức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.4.So sĂnh SER sò dửng cĐp phĂt cổng suĐt ỗng u v cĐp phĂt cổng
suĐt ti ữu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6.5.Mổ phọng SER ca cỡ ch S-RS-AF khi thay i t lằ cĐp phĂt cổng
suĐt vợi N = 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1.Sỡ ỗ khi phƠn tch tĂc ng ca phn cứng ca mng chuyn tip
hai chiu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1.XĂc suĐt truyn họng ti nút T1 theo cổng suĐt phĂt P1. CĂc tham
5

s mổ phọng: x = 2
1; 1 = 2; 2 = 1; P1 = P2 = 2P3 . . . . . . .
4.4.2.SER ti nút T1 theo cổng suĐt phĂt P1 . CĂc tham s mổ phọng:
5
x=2
1; 1 = 2 = 1; P1 = P2 = 2P3 . . . . . . . . . . . . . . . .


5

CĂc t vit tt

AF: Amplify-and-Forward - khuych i v chuyn tip
AP-AF: All-participate amplify-and-forward - cũng khuch i chuyn tip
BS: Base Station - trm cỡ s
CDF: H m phƠn phi xĂc suĐt tch lụy
CDR: Coordinated direct/relay - kt hổp trỹc tip v chuyn tip
DF: Decode-and-Forward - giÊi m v chuyn tip
EPA: Equal power allocation - cĐp phĂt cổng suĐt ỗng u
MGF: Moment-generating function - H m sinh mổmen
ML: Maximum likelihood - xĐp x lin k
OP: Outage probability - xĂc suĐt truyn họng
OPA: Optimal power allocation - cĐp phĂt cổng suĐt ti ữu O-RS-AF: Optimal
relay selection amplify-and-forward - Lỹa chồn chuyn tip ti ữu
PDF: H m phƠn phi xĂc suĐt
RS-AF: relay selection amplify-and-forward - khuch i chuyn tip chồn lồc
SER: Symbol error rate - tc lỉi bit
SNDR: Signal-to-noise-and-distortion ratio - t s tn hiằu trản nhiu v mo dng
SNR: Signal noise ratio - t s tn hiằu trản nhiu S-RS-AF: Sub-optimal relay
selection amplify-and-forward - Lỹa chồn chuyn tip cn ti ữu


6

M U
Vổ tuyn nhn thức (cognitive radio) l mt khĂi niằm mợi, ữổc xuĐt bi giĂo sữ
Mitola, cho php cĂc hằ thng vổ tuyn cõ th cÊm nhn mổi trữớng xung quanh

v tỹ iu chnh cĂc tham s truyn phĂt ca nõ t ti ữu. Vổ tuyn nhn thức
hiằn nay cõ rĐt nhiu ứng dửng v mt trong nhng ứng dửng quan trồng nhĐt
ca nõ l cÊi thiằn hiằu suĐt sò dửng ph tn, mt phn gƠy ra bi chnh
sĂch phƠn b ph tn c nh. ị tững cỡ bÊn cĂc hằ thng vổ tuyn sò dửng

cổng nghằ vổ tuyn nhn thức l cõ th tin h nh hot ng truyn phĂt m khổng
cn phÊi ông kỵ/mua trữợc tn s bng cĂch truyn phĂt trong nhng bông tn
trng hoc truyn song song vợi hằ thng sỡ cĐp (cõ bÊn quyn tn s) m khổng
gƠy can nhiu cho nõ. So sĂnh hai phữỡng phĂp, th phữỡng phĂp sau (cặn
ữổc gồi l phữỡng phĂp truyn nn theo xuĐt ca giĂo sữ Goldsmith) cho hiằu
suĐt ph tn cao hỡn v hằ thng d d ng Êm bÊo chĐt lữổng dch vử c biằt
cho nhng dch vử ặi họi thới gian thỹc. Tuy nhiản, nhữổc im ca nõ l cổng
suĐt phĂt ca hằ thng thứ cĐp (hằ thng sò dửng cổng nghằ vổ tuyn nhn
thức) phÊi b giợi hn khổng gƠy can nhiu cho hằ thng sỡ cĐp dÔn n kt quÊ l
vũng ph sõng ca hằ thng thứ cĐp b giợi hn.
Chuyn tip hai chiu (two way relaying) l mt ứng dửng quan trồng ca mÂ
mng (network coding) lợp vt lỵ cho php cÊi thiằn Ăng k hiằu suĐt ph tn
bng cĂch tn dửng tnh chĐt quÊng bĂ ca kảnh truyn vổ tuyn. Vợi hai nút
nguỗn v mt nút chuyn tip, hiằu suĐt ph tn s ữổc cÊi thiằn 100% v do õ
nõ nhn ữổc sỹ quan tƠm mnh m ca cng ỗng khoa hồc trản th giợi trong
nhng nôm gn Ơy.
Cõ nhiu cỡ ch ữổc sò dửng cho mng chuyn tip hai chiu. Viằc lỹa chồn
mổ hnh v cỡ ch phũ hổp ca mng chuyn tip nhữ th n o cn dỹa v o cĂc
nghiản cứu v Ănh giĂ v mt lỵ thuyt dỹa v o cĂc tiảu ch Ănh giĂ mng nhữ
phƠn tp, xĂc suĐt truyn họng, thổng lữổng mng v dung nông ca mng.
giÊi quyt cĂc vĐn õ, lun vôn n y nghiản cứu v so sĂnh mt s mổ hnh
truyn chuyn tip hai chiu theo cĂc tiảu ch nhữ Â cp, cho chúng ta cỡ s
hiu rê hỡn v cĂch hot ng ca mng chuyn tip v ỗng thới ữa ra cĂc Ănh giĂ cĂc
mổ hnh mng dỹa theo cĂc tiảu chu'n k thut c trững ca mt mng vổ tuyn.
Ngo i ra, lun vôn cặn nghiản cứu v cĂc mức Ênh hững ca phn cứng n
hot ng ca mng chuyn tip hai chiu nhữ th n o, cử th l cĂc tham s SER
v
xĂc suĐt truyn họng ca mng.
Phn m u.
Chữỡng 1: trnh b y cĂc khĂi niằm cỡ bÊn liản quan n mng chuyn

tip hai


7

chiu.
Chữỡng 2: nghiản cứu v mổ hnh truyn d liằu kt hổp kiu trỹc tip v
chuyn tip.
- Chữỡng 3: nghiản cứu v cỡ ch chuyn tip chồn lồc trong mng chuyn tip
hai chiu.
- Chữỡng 4: cp v tĂc ng suy giÊm ca phn cứng ti nút chuyn tip n cĂc
tham s hot ng ca mng.
Phn kt lun.
CĂc mổ hnh v mng chuyn tip hai chiu chữỡng 2 v chữỡng 3 ữổc tham
khÊo t i liằu [1, 6]. Ni dung ca chữỡng 4 ữổc cp t i liằu [7].
Lun vôn n y s tp trung nghiản cứu cĂc giao thức chuyn tip hai chiu hot
ng hiằu quÊ trong mổi trữớng vổ tuyn nhn thức. CĂc tham s Ănh giĂ hiằu
nông lợp vt lỵ nhữ xĂc suĐt truyn họng (outage probability), t lằ lỉi trung b
nh (symbol error rate) kảnh truyn fading cụng s ữổc khÊo sĂt v tp trung
v o cĂc ni dung nghiản cứu cp trản v mt lỵ thuyt v ỗng thới thỹc hiằn
chứng minh chi tit cĂc kt quÊ, thỹc hiằn mổ phọng v so sĂnh vợi cĂc kt quÊ m
cĂc tĂc giÊ Â trnh b y [1, 6, 7]. Phữỡng phĂp nghiản cứu l sỹ kt hổp gia
mổ hnh toĂn xĂc suĐt v mổ phọng Monte-Carlo.
CĂc vĐn  t ữổc trong lun vôn n y l nghiản cứu cĂc mổ hnh truyn
thổng chuyn tip hai chiu sò dửng cỡ ch Amplify-and-Forward - khuych i v
chuyn tip (AF), chứng minh chi tit cĂc kt quÊ ữổc nảu [1, 6, 7] v thỹc hiằn
mổ phọng chnh xĂc cĂc kt quÊ õ.


8

CHìèNG 1: M NG CHUY N TI P HAI CHI U
Xt mt mng khi m im thu v phĂt khổng th trao i hay kt ni trỹc tip vợi nhau
do khoÊng cĂch gia chúng xa nhau hoc do cĂc fading ca kảnh truyn. Lúc õ
chúng cõ th trao i tn hiằu vợi nhau qua trung gian bi mt hoc nhiu im
chuyn tip v do õ s to ra mt mng chuyn tip. Viằc chuyn tip l m tông
khoÊng cĂch truyn tn hiằu v ỗng thới tit kiằm ữổc cổng suĐt phĂt v v vy l
m tông thới gian sò dửng pin ca thit b thu phĂt v giÊm nhiu.
Mng chuyn tip sò dửng mt s cỡ ch chuyn tip n o õ i vợi cĂc tn hiằu (m
nút chuyn tip nhn ữổc) trữợc khi truyn li tn hiằu õ. Mt trong nhng cỡ
ch õ l cỡ ch Decode-and-Forward - giÊi m v chuyn tip (DF). Vợi cỡ ch DF
th nút chuyn tip s giÊi m cĂc tn hiằu nhn ữổc trữợc khi truyn li cho cĂc
im khĂc. B thu phÊi bit c im ca kảnh chuyn tip cõ th thu tt. Phữỡng phĂp
n y iu chnh cĂc iu kiằn kảnh truyn, v nu cĂc tn hiằu truyn khổng giÊi mÂ
úng th viằc kt hổp tn hiằu cn thu ti cĂc im thu s tr nản khõ khôn.
Cỡ ch thứ hai ữổc sò dửng trong mng chuyn tip l cỡ ch AF, õ mỉi nút
chuyn tip khuch i tn hiằu nhn ữổc trữợc khi truyn n im thu. Bi v cĂch
hot ng ỡn giÊn ca nõ nản phữỡng phĂp n y cụng ữổc sò dửng ph bin trong
cĂc hằ thng thổng tin kt hổp. Sỹ chuyn tip cõ th thỹc hiằn theo mt hữợng,
õ mt hoc nhiu im phĂt tn hiằu thổng qua mt im chuyn tip hoc nhiu
im chuyn tip trữợc khi tn hiằu n im thu. Kiu hot ng
n y thữớng xÊy ra 2 khe thới gian. khe thới gian u tiản, mt nút hay im
mng gòi tn hiằu ca nõ n nút chuyn tip. Ti nút chuyn tip tn hiằu s ữổc
xò lỵ v truyn cho nút - im mng kia khe thới gian thứ hai. Khi hai nút trao i
thổng tin qua li thổng qua mt hoc nhiu im chuyn tip th mng tr th nh
mt mng chuyn tip 2 chiu m ta s xt sau.

1.1.

Mng chuyn tip hai chiu [2]

Truyn thổng hai chiu ữổc giợi thiằu u tiản cho trữớng hổp truyn thổng im

- im. Viằc sò dửng cĂc nút chuyn tip cho truyn thổng hai chiu ữổc gồi l
chuyn tip hai chiu, m trong õ hai im hay nút trao i thổng tin thổng qua
mt hoc nhiu im chuyn tip. Chuyn tip hai chiu s t hiằu suĐt bông thổng
tt hỡn khi so sĂnh vợi mng chuyn tip mt chiu.


9

H…nh 1.1.1: M⁄ng chuy”n ti‚p 2 chi•u
Truy•n thæng hai chi•u ÷æc giîi thi»u ƒu ti¶n cho tr÷íng hæp truy•n thæng
i”m - i”m. Vi»c sß döng c¡c nót chuy”n ti‚p cho truy•n thæng hai chi•u ÷æc gåi
l chuy”n ti‚p hai chi•u, m trong â hai i”m hay nót trao Œi thæng tin thæng qua
mºt ho°c nhi•u i”m chuy”n ti‚p. Chuy”n ti‚p hai chi•u s‡ ⁄t hi»u su§t b«ng thæng
tŁt hìn khi so s¡nh vîi m⁄ng chuy”n ti‚p mºt chi•u.
C¡c kÿ thu“t truy•n thŁng sß döng bŁn khe thíi gian ” ho n t§t qu¡ tr…nh trao
Œi thæng tin cıa hai i”m m⁄ng nh÷ ð h…nh 1.1.1a. MØi nót m⁄ng truy•n dœ li»u
cho nót chuy”n ti‚p sß döng mºt khe thíi gian. Nót chuy”n ti‚p sau â gßi thæng
tin xß lþ cho hai nót m⁄ng công sß döng hai khe thíi gian. Do â qu¡ tr…nh trao
Œi thæng tin cƒn ‚n bŁn khe thíi gian v khæng ti‚t ki»m b«ng thæng.
Ph÷ìng thøc thø hai trong chuy”n ti‚p hai chi•u sß döng ba khe thíi gian, nh÷
h…nh 1.1.1b. C£ hai nót m⁄ng •u truy•n thæng tin cıa nâ cho nót chuy”n ti‚p t⁄i
khe thíi gian thø nh§t v khe thíi gian thø hai. Trong khe thíi gian thø ba nót
chuy”n ti‚p sß döng thu“t to¡n m¢ m⁄ng (chflng h⁄n nh÷ thu“t to¡n XOR) ” k‚t hæp
t‰n hi»u cıa 2 khe thíi gian ƒu m nâ nh“n ÷æc v truy•n qu£ng b¡ cho c£ hai nót
m⁄ng. T⁄i mØi nót m⁄ng sß döng thu“t to¡n gi£i m¢ t‰n hi»u (v‰ dö XOR) ” t¡ch
ra t‰n hi»u cıa nót m⁄ng kia truy•n cho nâ. Nâi mºt c¡ch kh¡c th… trong

10

trữớng hổp n y nút chuyn tip thỹc hiằn cổng viằc giÊi iu ch v giÊi m li hai t
n hiằu truyn ca hai nút mng v sau õ m hõa v iu ch li tn hiằu trữợc khi
truyn li cho hai nút mng khe thới gian thứ ba.
Phữỡng thức thứ ba sò dửng hai khe thới gian nhữ hnh 1.1.1c. Trữớng hổp
n y cÊ hai nút mng u cũng truyn tn hiằu n nút chuyn tip trong khe thới
gian thứ nhĐt. Nút chuyn tip sau õ truyn tn hiằu  ữổc xò lỵ n hai nút mng
trong khe thới gian thứ hai. Sò dửng hai khe thới gian trong trao i d liằu l m
tông hiằu suĐt sò dửng bông thổng hỡn nhiu.
BÊn chĐt ca truyn thổng chuyn tip hai chiu l , giÊi m d liằu t cĂc nút
mng khĂc, mỉi nút mng loi bọ tn hiằu ca chnh nõ trong tn hiằu m nõ
nhn ữổc t nút chuyn tip.

1.2.

Mổ hnh hằ thng [10]

Hnh 1.2.1 biu din mổ hnh kảnh chuyn tip hai chiu vợi cĂc bin ca kảnh
nhữ sau:
nR
Wi 2 f1; :::; 2 i g: cĂc bÊn tin ca nút mng i
T
Xi = [Xi1; :::; Xin] : cĂc t m ca nút mng i
T
YR = [YR1; :::; YRn] : kảnh li ra ca nút chuyn tip
T
XR = [XR1; :::; XRn] : cĂc t m ca nút chuyn tip
T

Yi = [Yi1; :::; Yin] : cĂc kảnh ra ti nút mng i
^
Wi 2 f1; :::; 2

vợi i = 1; 2 v
kỵ hiằu ca nõ Xik n nút chuyn tip qua kảnh ữớng lản khổng nhợ xĂc nh bi
p(yRjx1; x2).

Hnh 1.2.1: Mổ hnh kảnh truyn chuyn tip hai chiu
k1

T m Xik l mt h m gia bÊn tin W i v cĂc kảnh ra quĂ khứ Yi = Yi1; :::; Yik
k1
1, tức l Xik = fik(Wi; Yi ): Ti cũng mt thới im, nút chuyn tip truyn kỵ tỹ XRk n
nút mng 1 v 2 qua kảnh ữớng xung khổng nhợ xĂc nh bi p(x 1; x2jyR) . V
nút chuyn tip khổng cõ bÊn tin ca nõ, nản X Rk l h m ca cĂc ngê ra kảnh trong
k1
k1
quĂ khứ YR = YR1; :::; YRk 1, tức l XRk = fRk(YR ).


T⁄i nót m⁄ng 1, b£n tin ÷îc l÷æng W2

nót m⁄ng 2 x£y ra t÷ìng tü.
Ta th§y r‹ng, trong mºt m⁄ng chuy”n ti‚p hai chi•u, hai nót m⁄ng trao Œi thæng
tin cho nhau tr¶n mºt k¶nh truy•n qua trung gian mºt ho°c nhi•u nót chuy”n ti‚p.
i•u n y x£y ra tr¶n thüc t‚ nh÷ ð c¡c tr÷íng hæp 2 nót °t xa nhau v• kho£ng c¡ch
v cæng su§t h⁄n ch‚ n¶n khæng th” trao Œi trüc ti‚p thæng tin vîi nhau. Mºt v‰
dö cö th” l c¡c m¡y tr⁄m di ºng ho°c trong mæi tr÷íng trao Œi thæng tin qua ÷íng
truy•n v» tinh. M⁄ng chuy”n ti‚p hai chi•u ÷æc chia l m 2 lo⁄i l lo⁄i DF v lo⁄i AF.

Vi»c hi”u c¡c kÿ thu“t cıa m⁄ng chuy”n ti‚p hai chi•u âng vai trÆ quan trång
trong nghi¶n cøu c¡c kÿ thu“t nh÷ m¢ m⁄ng ” t«ng hi»u su§t sß döng nh‹m ti‚p
c“n c¡c giîi h⁄n v• dung l÷æng cıa m⁄ng.


12

CHìèNG 2: M H NH CHUY N TI P HAI CHI U K T HẹP
Cỡ ch truyn d liằu chuyn tip hai chiu trong mng vổ tuyn cõ ữổc lổi ch
v thổng lữổng truyn thổng qua:
Kt hổp hai luỗng d liằu vợi nhau sò dửng m mng.
- Sò dửng thổng tin  bit bọ bợt tn hiằu dữ v tĂch tn hiằu mong mun.
Dỹa trản nguyản tc n y, tĂc giÊ Â xuĐt cĂc cỡ ch khĂc nhm cÊi thiằn thảm
thổng lữổng trong mng vổ tuyn, õ truyn d liằu chuyn tip hoc trỹc tip
dữợi dng truyn kt hổp s ữổc xem xt. Kt quÊ phƠn tch s cho thĐy truyn
kiu kt hổp s cÊi thiằn ữổc thổng lữổng tữỡng tỹ cĂc cỡ ch truyn chuyn tip.
CĂc nghiản cứu gn Ơy tp trung nhiu cĂc vĐn nhữ m rng bao ph v tông
phƠn tp ca mng vổ tuyn. Nhiu k thut truyn d liằu chuyn tip ữổc giợi
thiằu v ph bin nhữ AF v DF chữỡng trữợc. CĂc k thut n y ữổc Ăp dửng
trong cĂc kiu truyn d liằu chuyn tip mt chiu hoc hai chiu.
Nghiản cứu n y giợi thiằu mt s phữỡng phĂp chuyn tip hai chiu khĂc tông
thổng lữổng truyn. CĂc phữỡng phĂp n y liản quan n viằc hằ thng vổ tuyn
kt hổp cÊ viằc truyn trỹc tip v chuyn tip theo chiu lản v xung. Nghiản cứu
ữa ra hai cỡ ch kt hổp truyn trỹc tip v chuyn tip nút Base Station - trm cỡ
s (BS) cõ th sò dửng thổng tin bit ữổc phửc vử cho viằc hy nhiu xen.
Chúng ta gồi cỡ ch n y l cỡ ch truyn coordinated direct/relay - kt hổp trỹc tip
v chuyn tip (CDR).
Chữỡng n y ữổc trnh b y nhữ sau: Phn 2.1 s mổ tÊ mổ hnh hằ thng
v cỡ ch truyn. Phn 2.2 phƠn tch so sĂnh gia mổ hnh 3 khe thới gian v
mổ hnh 2 khe thới gian v hai yu t tc tng (sum-rate) v thổng lữổng

tng (sum-throughput). Phn 2.3 l tõm tt cĂc kt quÊ t ữổc v mt phƠn tch.
Phn mổ phọng ữổc trnh b y 2.4.

2.1.

Mổ hnh hằ thng v cỡ ch truyn d liằu [1]

Cỡ ch truyn CDR cỡ bÊn bao gỗm mt trm gc BS, mt nút chuyn tip (RS)
v hai nút u cui U v V, nhữ hnh 2.1.1(a). CĂc nút cõ cổng suĐt phĂt 1 ỡn
v v bông thổng chu'n hõa 1 Hz. Mỉi kảnh truyn phức hi; i 2 f1; 2; 3; 4; 5g cõ
2
tnh i xứng, ữổc bit ti cĂc u thu, cõ phƠn b Rayleigh vợi E[jhij ] = 1. Kỵ
hiằu xi l mt gõi hoc kỵ tỹ. Trong mổ hnh 2.1.1a, gõi tin trm phĂt BS mun
gòi n U l x1, tuy nhiản tn hiằu nhn ữổc s cõ dng y = hx1 + z, z chnh l
nhiu. Tữỡng tỹ V mun gòi gõi tin x2 n BS. Trong mổ hnh 2.1.1b, U mun
gòi gõi tin x3 cho BS v BS mun gòi gõi tin x4 cho V.


13

Hnh 2.1.1: Mổ hnh mng . CĂc kỵ hiằu ch s kảnh v khe thới gian ca cỡ
ch truyn 3 khe thới gian (ch s pha trản) v cỡ ch 2 khe thới gian (ch s ph
a dữợi). Hai mổ hnh truyn (a) v (b)
Tn hiằu thu v nhiu Gauss ti BS,RS,U v V trong khe thới gian j kỵ hiằu l yij
v zik CN (0; N0); i = fB; R; U; V g j = f1; 2; 3g.T s Signal noise ratio - t s tn
2
hiằu trản nhiu (SNR) cho kảnh truyn i ữổc kỵ hiằu l i = jhij =N0 v dung lữổng
kảnh ữổc kỵ hiằu l C( i) = log2(1 + i). Kảnh trỹc tip BS-U giÊ sò
l yu v U ch nhn tn hiằu thổng qua nút chuyn tip RS giÊi m d liằu t
trm BS. Ti RS, tn hiằu nhn ữổc iu chnh t lằ phũ hổp iu kiằn truyn.

Trong cỡ ch 3 khe thới gian mổ hnh 2.1.1a (thứ tỹ cĂc khe thới gian
ữổc biu th bi cĂc nhÂn m u ọ hay nhÂn pha trản hnh 2.1.1a),
trữợc ht, BS gòi x1 n RS, thứ hai, RS nhn v khuch i/chuyn tip kỵ tỹ va
nhn n U, thứ ba, V gòi x2 n BS.
Trong cỡ ch 3 khe thới gian mổ hnh 2.1.1b (biu th bi cĂc nhÂn m u ọ
hay nhÂn pha trản hnh 2.1.1b), trữợc tiản U gòi x3 n RS, thứ hai RS
chuyn kỵ tỹ nhn n BS, thứ ba BS gòi x4 n V.
Trong cĂc cỡ ch 2 khe thới gian, thổng lữổng mng tông lản khi viằc truyn d
liằu sò dửng t khe thới gian hỡn. Thứ tỹ truyn ca cĂc cỡ ch ngh ữổc biu
th bi cĂc nhÂn m u xanh hay nhÂn pha dữợi hnh 2.1.1.


14

Mổ hnh 2.1.1a, ti khe thới gian thứ nhĐt, BS gòi x1 n RS. Khe thới
gian thứ 2, RS khuch i v chuyn tip kỵ tỹ nhn n U, trong khi V gòi x2 n
BS. Viằc nhn x2 ti BS s b xen bi tn hiằu  ữổc khuch i x1 t RS, tuy
nhiản BS Â bit ữổc x1 nản nõ cõ th loi bọ th nh phn xen v o õ tĂch x2.
Mổ hnh 2.1.1b, ti khe thới gian thứ nhĐt, U gòi x3 n RS v BS gòi x4 n
V. RS nhn cÊ 2 tn hiằu xen nhau x3 v x4, s ữổc khuch i v chuyn tip
trong khe thới gian thứ 2. BS Â bit ữổc x4 nản nõ cõ th loi bọ th nh phn
x4 tĂch x3. V kt hổp cĂc tn hiằu nhn trong hai khe thới gian giÂi mÂ
x4.
Trong phn tip theo chúng ta s phƠn tch cĂc mổ hnh n y.

2.2.

PhƠn tch mổ hnh [1]

2.2.1.

Tnh toĂn dung nông truyn

Vợi mỉi cỡ ch trong mỉi mổ hnh trong phn n y ta phƠn tch li cĂc kt quÊ
m tĂc giÊ Â ữa ra v tc tng ca chiu truyn xung v lản trong iu kiằn giÊ sò
tĐt cÊ cĂc nút phĂt u bit t s SNR tức thới ti b thu.
2.2.1.1.

Mổ hnh 1 (2.1.1a)

Cỡ ch truyn 3 khe thới gian: RS, U v BS nhn cĂc tn hiằu tữỡng ứng

y =h
U2

g

p

2

1

Dung nông truyn V-BS v t BS-U: C 3, C E1U
2

-

Tnh 3: T yB3 = h3x2 + zB3 ta cõ 3 = jh3j =N0 .

-

Tnh

E1U

: Thay yR1 v o biu thức yU2, ta ữổc:

p

p

p

yU2 = h2 g1(h1x1 + zR1) + zU2 = h2 g1h1x1 + (h2 g1zR1 + zU2)

p

(2.2.3)
2

Th nh phn nhiu ca yU2 cõ phƠn phi (h2 g1zR1 + zU2) CN (0; ((jh2j g1 +
1)N0).

E1U

2

=
2

2

T 1 = jh1j =N0;
2 = jh2j =N0; g1 = 1=(jh1j + N0),
2
2
suy ra: jh1j = 1N0; jh2j = 2N0; g1 = 1=[(1 + 1)N0]. Thay v o ta

ữổc:


15

E1U

=

Do mổ hnh truyn 3 khe thới gian ca cỡ ch 1 cn 3 khe thới gian nản dung
lữổng tng s l :
CE1 =
Cỡ ch truyn 2 khe thới gian:
Trong mổ hnh 2 khe thới gian, khe thới gian thứ 1 BS gòi gõi tin n RS:
yR1 = h1x1 + zR1
Khe thới gian thứ hai, RS gòi gõi tin n U, V gòi gõi tin n BS. Do Ênh hững
kảnh truyn nản tn hiằu nhn ti U v BS tữỡng ứng l (chú ỵ lúc n y nút chuyn

p

2

tip RS cõ iu chnh li cổng suĐt phĂt vợi hằ s g1 vợi g1 = 1=(jh1j + N0):

p

p

p

yU2 = h2 g1yR1 + h4x2 + zU2 = h2 g1h1x1 + h4x2 + h2 g1zR1 + zU2

(2.2.8)

p

(2.2.9)

yB2 = h1 g1yR1 + h3x2 + zB2
Trm BS Â bit th nh phn x1 nản nõ s loi bọ th nh phn õ v hiằu:

e

3

SNR ca yU2 v yB2 kỵ hiằu l : P 1U v
Tnh P 1U (chú ỵ

ữổc tn

1

e
2

2

jh2j g1jh1j

P 1U =
2

2

(2.2.11)

jh4j2 + (jh2j2g1 + 1)N0

2

Thay jh1j = 1N0; jh2j = 2N0; jh4j = 4N0; g1 = 1=[(1 + 1)N0] ta

P1U

ữổc:

=

=

1 2

1+ 2+ 4+ 1 4+1

Tnh P 1V :

p

2

Th nh phn nhiu ca yeB2 cõ phƠn b (h1 g1zR1 + zB2) CN (0; ((jh1j g1 +
1)N0).



16

P1V

2

Tł 1 = jh1j =N0;
3N0;

=

2
2
2
2
3 = jh3j =N0; g1 = 1=(jh1j +N0), suy ra: jh1j = 1N0; jh3j =

g1 = 1=[(1 + 1)N0]. Thay v o ta

P1V

־c:

3N0

=
(

Qu¡ tr…nh truy•n dœ li»u x£y ra ð 2 khe thíi gian n¶n dung l÷æng tŒng l :
1

C = [C( ) + C( )]
P1
P1V
2 P1U
2.2.1.2.

(2.2.14)

Mæ h…nh 2(2.1.1b)

Cì ch‚ truy•n 3 khe thíi gian:
Khe thíi gian thø nh§t, U gßi dœ li»u ‚n RS, t‰n hi»u RS thu
yR1 = h2x3 + zR1

־c:

(2.2.15)

Khe thíi gian thø hai, RS gßi dœ li»u ‚n BS (RS câ i•u ch¿nh h» sŁ cæng
2

su§t ph¡t g2 = 1=(jh2j + N0):

p

p

p

yB2 = h1 g2yR1 + zB2 = h1 g2h2x3 + (h1 g2zR1 + zB2)

(2.2.16)

Khe thíi gian thø 3, BS gßi dœ li»u ‚n V:
yV 3 = h3x4 + zV 3
SNR cıa yB2, yV 3 l

(2.2.17)

E2U , 3 (
2
3 = jh3j =N0):

Ho n to n t÷ìng tü, ta

־c:

E2U

1 2

=

(2.2.18)

1+ 2+1

Dung n«ng truy•n tŒng:

(2.2.19)

1

C = [C(
) + C( )]
E2
3
3 E2U
” þ ta câ

(2.2.20)

C =C
E2

E1

Cì ch‚ truy•n 2 khe thíi gian:
Trong mæ h…nh n y, ð khe thíi gian thø nh§t, U truy•n dœ li»u ‚n RS, BS
truy•n ‚n V. T‰n hi»u nh“n t⁄i RS v V t÷ìng øng l :


yR1 = h2x3 + (h1x4 + zR1); yV 1 = h3x4 + (h4x3 + zV 1)


17

Khe thới gian thứ hai: RS phĂt d liằu cho BS,V (RS iu chnh cổng suĐt phĂt
2

2

g3 = 1=(jh1j + jh2j + N0). Tn hiằu thu ti BS v V:

BS Â bit x4, do õ nõ s loi bọ th nh phn x4 ca yB2 v ữổc tn hiằu:

SNR ca y~B2 l P 2U :

P2U

=

Nút V cõ th chồn lỹa tĂch x4 t yV 1 hoc yV 2 tũy theo gieo giĂ tr SNR ca 2
tn hiằu õ:
SNR ca yV 1 v

Ta cõ:

V2

=

=

5 1

5 2+ 5+ 1+ 2+1

t P 2V = max( V 1; V 2), ta cõ dung nông tng ca quĂ trnh truyn qua 2
khe thới gian:
CP2 =
Chú ỵ l dung nông kảnh truyn trong khe thới gian thứ hai C P 2U khổng phử
thuc v o kảnh truyn gia 2 u cui U v V.
Mt s trữớng hổp:
- Nu bọ qua kảnh truyn U-V v V ch nhn d liằu t trm BS trong khe thới
gian thứ nhĐt, lúc õ:


CP2 =
- N‚u k¶nh truy•n BS-RS l lþ t÷ðng, tøc 1 ! 1, lóc

â V 2 = 5, do

â:

18

CP2 =
2.2.2.

Thæng l÷æng tŒng v x¡c su§t truy•n häng [1]

Trong phƒn n y ta gi£ sß bº ph¡t khæng bi‚t ÷æc SNR t⁄i bº thu v tŁc º truy•n
dœ li»u tr¶n mØi k¶nh l R . Thæng l÷æng ÷æc t‰nh tr¶n mØi k¶nh s‡ l R(1
Pout), trong â Pout l x¡c su§t truy•n häng. Thæng l÷æng truy•n tŒng s‡ l :

vîi Pout1 v Pout2 l x¡c su§t truy•n häng t⁄i hai ƒu thu U,V.
2.2.2.1. Mæ h…nh 1(2.1.1a)
Cì ch‚ truy•n 3 khe thíi gian: X¡c su§t truy•n häng ‚n U l

.
l:

Ta bi‚t jh1j

2

exp(1);

2

2

Do 1 = jh1 j =N0 ; 2 = jh2j =N0 n¶n 1; 2 câ h m m“t º x¡c su§t

C( E1U ) < R , log2(

Khi 2

a, ta câ bi”u thøc tr¶n luæn óng.

Khi 2 > a,
Do â:


(2.2.35)
(2.2.36)
(2.2.37)